小型液压挖掘机动力系统热平衡研究_图文

1、中南大学硕士学位论文小型液压挖掘机动力系统热平衡研究姓名：蒋丛华申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：陈欠根20070602中南大学硕士学位论文摘要摘要作为小型液压挖掘机动力系统的核心，发动机性能的好坏，将直接影响其使用情况。本文针对目前国内小型液压挖掘机普遍存在的发动机水箱进水温度过高的问题，利用计算机仿真技术并结合实际对小型液压挖掘机动力系统的热平衡问题进行了深入的研究。首先对热平衡理论进行了分析，提出了发动机热平衡模型，通过实验测定了模型中的各参数，得到了工程应用中设计合理冷却系统的理论依据，并以此设计了相匹配的冷却系统。其次，通过试验分析了影响热平衡的主要因素。在此基础上，利

2、用软件对水散热器中的复杂流动传热进行了仿真研究，建立了水散热器芯体单元模型，对模型内流体的温度场进行研究和分析，仿真结果与实际结果基本吻合，证实了该模型的正确性。接着利用该模型模拟不同环境温度下的流动传热，得到了环境温度与水散热器总散热量之间的关系式，该关系式对研究小型液压挖掘机动力系统的热平衡具有重要指导意义。最后在不改变散热器等部件的情况下，通过测量测点的风速得到结构参数的改变对整机热平衡的影响，并提出了整机散热系统的改进方案。这对冷却系统设计有重要的意义。关键词：小型液压挖掘机，发动机，热平衡，冷却系统，有限元模拟中南大学硕士学位论文，。，。，：，原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本

3、人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：立晕年羔月鱼日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：嶝导师签作者签名：措导师签日期：年兰月互日中南大学硕

4、士学位论文第一章绪论第一章绪论课题来源及研究意义课题来源本课题来源于国家项目“液压挖掘机机电一体化及制造信息化”（课题编号：）中的研究方向：小型液压挖掘机动力系统热平衡机理研究。研究目的与意义小型液压挖掘机通常指整机重量在以下的挖掘机产品，产品归类为小型工程机械。它已广泛应用于市政工程、交通运输、水利水力工程、农田改造、矿山开采以及现代化军事工程等机械化施工之中“。我国从世纪年代后期开始研制小型液压挖掘机，最早由广西玉柴和贵州詹阳先行开发，但总体发展速度缓慢，制造规模较小。进入世纪以后，我国小型液压挖掘机产业有了突飞猛进的发展，如广西玉柴达到了年产台以上的规模，长沙山河智能、江西南特和广西柳工

5、也都有突出的表现。而国外生产大国日本除了国内销售台外，有台左右产品外销。欧美制造商主要有山猫、卡特彼勒、凯斯、沃尔沃和等公司。面对如此广泛的应用和巨大的需求，小型液压挖掘机在性能上的提高必然会带来显著的经济效益和社会效益但实际情况是国内小型液压挖掘机目前的整体水平处于年代水平，产品仍然处于仿制阶段，缺乏自主研发能力，技术上无法与国际先进水平相提并论。目前国外的水平完全可以称为渐趋完美，其功能的可靠性、操作的流畅性和舒适性不必详叙，连驾驶室的美观与质感可与轿车媲美。由于我国目前正处于全面开展基础设施建设阶段、沿海地区正处于基础建设逐步完善阶段，小型液压挖掘机应用的市场环境日益扩展并呈现可以预见的

6、强势后劲，此时对小型液压挖掘机进行一些理论联系实际的研究显然具有重要的现实意义和长远的指导意义。小型挖掘机由于使用工况比较恶劣、工作负荷强度高，结构紧凑等特点，因此对致使对其性能要求越来越高。而作为其动力系统的核心，发动机性能的好坏，将直接影响性能。按照发动机热平衡的规律，发动机冷却系统的散热能力必须与之相匹配，才能使发动机维持在正常的油、水温度而安全的工作，而实际情况是冷却系统同时担负着液压系统的散热，散热强度非常大。因此研究小型液压中南大学硕士学位论文第一章绪论挖掘机的冷却系统热平衡，使发动机在适当的温度范围内工作，对小型液压挖掘机的长时间诈常使用至关重要。发动机冷却系统的概述发动机冷却系

7、统的作用发动机工作时，缸内燃油燃烧所产生的热量只有一部分转化为有效功，其余大部分则损失掉，其中需要靠冷却带走的热量占燃油总热量的左右。燃油雾化混合物在汽缸内燃烧过程中温度高达，直接与高温气体接触的机件（如气门、汽缸壁、活塞及汽缸盖等），由于吸收了大量的热量，温度迅速升高“”。这么大的一部分热量，单靠自然散热远远不能满足散热要求。特别是应用在工程机械领域，其经常处于低转速，高负荷工况下工作，冷却系统设计的合理与否会很大程度上影响其工作及寿命。工程机械发动机冷却不足，发动机经常在高温下工作会造成：、活塞刚度和强度会下降，容易发生变形或折断；、润滑油烧蚀，最终会导致润滑系统工作不良，使元件之间发生干

8、摩擦，降低了发动机的寿命；、燃油的不正常燃烧，产生发动机的爆燃或早燃；、充气系数的降低，从而降低输出功率；、液压系统液压油变稀进而造成工作不正常，甚至产生液压油泄漏，污染环境。而冷却过度同样也是不利的，过度的冷却会造成：、做功的热量减小从而使内燃机功率输出减小，动力输出不足；、使燃油雾化不良，已雾化了的燃油结成颗粒状液体，并顺气缸壁流入曲轴箱，这样不仅会增加燃料消耗，而且进入曲轴箱的燃料还会使润滑油稀释，润滑性能下降，同时还会加大冷态摩擦产生的噪声；、发动机永温太低的结果使发动机零件的磨损增加“”。对于工程机械发动机，根据机型的不同，将出水温度应控制在一定的温度范围内，冷却系统的作用就是及时适

9、量地把高温条件下工作的部件所吸收的热量散发到大气中去，保证发动机在正常的范围内工作。发动机冷却系统的类型发动机的冷却系统按照冷却介质的不同可分为水冷和风冷两大类。风冷发动机是采用高速空气流直接吹过气缸盖和气缸体的外表面，对发动机进行冷却。由于空气冷却不够可靠，热负荷高，严重影响发动机的可靠性，且风扇消耗功率大，运转噪音大，在工程机械上应用不多。水冷发动机则是利用冷却液吸收高温零部件的热量，然后经过循环系统，通过散热器将热量传给空气。水冷发动机的冷却系统可分为蒸发冷却和强制冷却两类。这两类又分为开式和闭式两种“。蒸发冷却系统利用冷却液的自然对流，实现冷却液的循环，从而适度地实现对发动机工作温度进

10、行调节。蒸发冷却系统循环强度小，不易保证发动机有足够的冷却强度。强制冷却系统是利用水泵等强制手段使冷却液在冷却系统中循环流动，使发动机得到适度的冷却，这种冷却系统是通过水泵把冷却液从发动机外吸入并加压，通过冷却液将发动机的燃烧热均匀地吸收并传导到散热器，利用冷却风扇旋转引起的空气流动将热量散走，工作可靠，可以保证发动机有足够的冷却强度。强制循环冷却系统可分为开式强制冷却系统和闭式强制冷却系统。为了防止冷却液的溅出，散热器上的加水口平时用盖子盖住，但由于冷却液温度升高会形成蒸汽，如果冷却系统中蒸汽过多，可能由于压力上升而导致系统漏水或散热器破裂，因此，必须在加水口设置排气通道。如果冷却系统由此通

11、道与大气相通，则称为开式强制冷却系统。在闭式强制冷却系统中，散热器水箱盖上有自动阀门，发动机热状态正常工作时，阀门关闭，冷却系统与外界隔开，防止蒸汽溢出，目前工程机械包括液压挖掘机大多采用这种形式。闭式强制冷却系统又分为闭环式冷却系统和半闭环式冷却系统。闭环式冷却系统是当自动阀门在高压的作用下打开后，溢出的水蒸气进入一个补偿容器内，在容器内水蒸气液化、冷却。当发动机停止工作或负荷较正常时，冷却系统内压力低于大气压力时，补偿水箱内的冷却液会自动进入系统进行补偿。半闭环式冷却系统是自动阀门在高压的作用下打开后，溢出的水蒸气或冷却液直接排入大气，不予回收的冷却系统。水冷发动机闭式强制循环系统，如图卜

12、所示。图发动机强制循环冷却系统卜百叶窗哦热器一水箱盖一风扇一水泵节温器一水温表一发动机水套一分水管放水开关国内外发动机冷却系统的现状及发展趋势国内外发动机冷却系统的现状国内的工程机械一直采用发动机直接驱动冷却系统进行散热，这种冷却系统的冷却能力按发动机的最大热负荷工况设计，其缺点是风扇耗能特别大，据文献“”介绍，冷却风扇消耗的功率与其转速的三次方成正比，一般冷却风扇的功率消耗占发动机有效功率的在发动机的附件损失中占第一位。另外，过低的冷却水温将使发动机的油耗增加。据文献“”介绍，当发动机冷却水温从降到时，燃油消耗率将增加左右，而且冷却能力不能随发动机的散热需要自动调节，在发动机低速大负荷工作时

13、冷却能力不足，经常出现过热现象，而在高速、中小负荷工作时，冷却能力则严重过剩，使发动机预热缓慢，传热损失太多，造成燃油的大量浪费。而且散热器的安装位置受风扇驱动方式的限制，通常将发动机的散热器和液压油散热器按图卜所示安装。图安装示意图液压油散热器海绵发动机冷却水箱，风扇发动机减振垫这种设计可以利用一个冷却系统来同时完成发动机和液压油的冷却，但其不足在于：冷却空气的流动阻力增加，降低了冷却空气与散热器中的冷却液的热交换速度，不仅增加了发动机的功率消耗，还不能满足工程机械的散热要求，因此机械经过长时间的工作后，容易造成冷却水的沸腾而不得不暂时工作，降低了工作效率。同时国内对于挖掘机用发动机中有关冷

14、却系统的理论研究还比较欠缺，有关冷却系统的优化设计研究也不够深入“”，因此国内品牌的液压挖掘机在同样的工况下，容易出现发动机水箱进水温度偏高（俗称水箱“开锅”）的问题，致使其生产效率大大降低，对用户正常使用造成了很大的影响“”。年广西柳工在开发了一套热平衡计算分析软件系统，应用在挖掘机等工程机械上，其作用是分析整车的各部分的热量分布情况，合理设计发动机及传动系统的散热系统。郑州宇通重工在年对型轮式推土机进行了改进，改进后的热平衡系统可依据液压油温、发动机水温与风量变化的逻辑关系自动控制风扇转速，使整机的热平衡达到了最佳的工作温度。目前国内解决该问题主要的途径有以下两种：改变部件和在不改变部件的

15、基础上进行优化匹配“”。由于实际挖掘机内空间狭小的影响，优化匹配也仅仅是更换部件或对进风道进行优化。然而更换冷却系统中的部件，然后进行热平衡测试需要花费大量的时间和金钱。如果能够在不改变部件的基础上，只是对其进行优化及匹配的设计，是非常可取的。国外对工程机械中发动机冷却系统的研究起步较早，研究也呈现多元化发展。为解决通常冷却系统采用的冷却风扇由发动机曲轴通过皮带驱动，其冷却调节的灵敏度低，功率损失大的问题，发明了电控冷却风扇。年美国专利文件中“”（专利号）首先提出了使用电动冷却风扇，其驱动方式由发动机驱动改为了由电动机驱动，根据发动机温度和负荷情况的不同，实现风扇的运转速度的控制，避免了发动机

16、驱动冷却风扇的功率损失。然而，该项专利技术由于没有采用导风罩，降低了风机的容积效率，同时引起了风机总功率的降低，这种冷却方式在工程机械上无法推广，最终只能在热负荷比较小的轿车散热器上。年美国专利（专利号）首次在载重车辆上采用电动单冷却风扇，风扇布置在散热器中部，叶片直径和驱动功率较大。后来“机动车发动机的通风系统”将电动冷却风扇布置在散热器前方，根据发动机温度的高低，冷热气阀可交替开闭。年台湾裕隆公司也就冷却系统的更新申请了专利“（专利号），提出了在冷却系统中装置可调转速电动水泵的设计。以反馈控制水泵冷却液的流量，其主要是根据水温、节气门位置、车速等的传感器所传给的信号，以反馈控制的方式调节电

17、动水泵的转速，使得发动机水套中流动的冷却液流量能随着不同的驾驶状况而作调整，保持发动机的正常温度。同时，在年代日、美等发达国家采用电液比例阀来控制液力驱动冷却风扇。电液比例技术控制发动机冷却风扇系统（图）是挖掘机冷却系统的发展方向。这个系统能根据冷却水温度、环境温度及通风量自动连续调节风扇的转速。它同传统离合器驱动的冷却风扇和电机驱动的冷却风扇相比，其转速不受发动机转速变化的影响，在任何车速下都可以提供足够大的冷却风量，使发动机冷却水温度的平均值始终处于最佳的温度范围，并具有节能、噪声低，结构尺寸小、空中南大学硕士学位论文第一章绪论间布置灵活等优点。丰田的“塞尔西奥”轿车的冷却系统已经开始利用

18、油压和微型计算机实现无级控制风扇转速的冷却风扇装置一。图比例阀连续控制系统工作原理电控单元油泵比例阀精滤器粗滤器油箱油冷器油马达冷却液温度传感器这种冷却系统是以来控制电磁阀的开闭进而达到对风扇转速的控制。文献阐述了液压驱动风扇系统的多种型式及其原理。总之，发动机冷却风扇改由液压马达驱动，通过液压系统调节马达的转速可实现发动机的合理冷却。文献”介绍了液压驱动电扇系统装车试验的情况，整车噪声和燃油消耗都有明显的改善。这种调节方式可以根据工程机械的散热需要自动调节冷却风扇和水泵的转速，始终使发动机和液压系统保持最佳工作温度，可以大幅度提高发动机工作效率，延长使用寿命，降低燃油损耗，是发达国家在大功率

19、发动机上使用的最新冷却系统。但即使使用以上冷却系统，卡特彼勒、神钢、日立等国外知名品牌挖掘机在使用大修后长时间工作的情况下，也会出现水箱“开锅”的现象哺”“。发动机冷却系统的发展趋势在当今日益重视环保、提倡节能和舒适性的情况下，发动机的结构和性能都有了很大的发展，冷却系统正朝着节能化、轻型化、紧凑化和智能化的方向发展。、冷却系统向高效率低能耗的方向发展”发动机冷却系统效率的提高主要是从两个方面来实现：一是新材料、新技术中南大学硕士学位论文第一章绪论以及部件制造的新工艺的应用；二是部件的智能化驱动方式。）散热器材料及其制造新技术散热器是由上水箱、下水箱和散热器芯部组成。目常用的散热器芯部结构有管

20、片式和管带式，水管一般都是扁平状，以减少空气阻力，增加传热面积。管外的大量散热片和散热带是为了增加对空气的传热面积“，其常用材料主要有铜、铝和工程塑料等。对于工程机械中的散热器一般使用铜散热器。铜是导热性最好的金属材料，具有优良的成形加工性、可钎焊性和耐腐性，长期以来一直作为散热器的首选材料。为增加铜散热器的耐腐蚀性，延长其工作寿命，一般要在表面覆盖锡保护层，但这样会影响铜散热器的散热效率。近年来，为了进一步提高铜散热器的性能，对传统的铜锡散热器采取了很多改进措施。如在材质方面和加工工艺方面尽可能提高材料利用率，采取向铜中添加微量元素的方法，在不损失导热性的前提下，提高其强度，从而减薄带板的厚

21、度，节省材料用量以减轻质量和降低成本。世纪年代末，热交换器制造新技术铜硬钎焊散热器生产技术的出现开创了散热器制造技术的更新和飞跃的时代。铜硬钎焊技术采用特殊的铜、锡和磷的钎焊合金，将黄铜和紫铜分别制成管和散热带硬钎成一个整体一即散热器和热交换器。实践证明，硬钎焊技术在工程机械等发动机散热器方面优势明显“。）冷却风扇传统冷却系统中，风扇和水泵的效率普遍不高，造成大量能源的浪费。为提高冷却风扇的效率，用塑料翼形风扇取代圆弧型直叶片冷却风扇。从空气动力学的角度来分析，翼形风扇能够改善风扇流场，提高风扇的效率和静压，使风扇的高效区变宽；另外，塑料表面的光洁度较高。采用翼形端面塑料和流线型导风罩，使风扇

22、气流入口形成良好的流线型气流，可提高风扇的效率。塑料风扇的另一个特点是由于塑料风扇材料具有较大弹性变形能力，可以设计成柔性风扇叶片，使叶片在气流动力的作用下产生扭曲方向的变形，这相当于叶片安装角度可以随风扇转速的变化而自动调整，使气流进入叶片所形成的攻角优化“，可以明显提高风扇的工作效率。从冷却风扇的驱动方式来看，由于电控风扇完全不由发动机驱动，可以与导风罩、散热器安装为一体，保证了风扇和导风罩两者之间的同心度，最大限度地减少了风扇叶片与导风罩的径向间隙，使容积效率得到了大幅度的提高；采用电机直接驱动，减少了传动环节，提高机械效率。）水泵曾提出高效率离心水泵和轴流水泵的设计理论，通过改变叶轮形

23、状提高表面光洁度，能使发动机冷却水泵的效率提高到。日本尼桑（）中南大学硕士学位论文第一章绪论公司基于这一理论制造了一种水泵，比目前广泛应用的水泵尺寸增大了。为了在获得水泵高效率的同时减小水泵的结构尺寸，该公司又通过叶片数量、改进叶片曲线设计，使水泵最大效率达到，水泵尺寸得到缩减。、冷却系统向整体优化的方向发展发动机冷却系统的效能取决于使用条件和各部件（散热器，风扇等）的设计与匹配的合理性。冷却系统的整体优化包含两个含意，一是采用先进的设计理论和设计方法对包括散热器、冷却风扇在内的重要部件进行优化设计，获取合理的设计尺寸；二是整个冷却系统的合理优化匹配。）冷却系统零部件的优化设计冷却系统零部件传

24、统的设计方法是：设计人员根据经验或统计数据初选零部件的结构参数，然后进行试验，由试验结果初选的结构参数，再做实验，在改进，不断进行完善，直到找到一个可行方案。即满足各种条件限制的方案。这种传统的设计工作效率低，设计周期长，劳动强度大，并且无论是分析还是设计都存在大量的简化和经验，准确性差，得到的结构仅仅是可行方案，多数不是最优设计。由于产品设计质量要求日益提高和设计周期要求日益缩短，传统设计已越来越显得不能适应工业发展的需要。现代设计的深入和完善，而非独立于传统设计的全新设计，其核心是先进的设计理论与计算机技术。随着理论研究的不断深入，许多工程现象不断升华和总结为揭示事物内在规律和本质的理论。

25、如结构优化设计、可靠性理论、计算流体力学理论（）等。现代设计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法设计可减少经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。因此，现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。目前在工程领域中，主要采用的是数值模拟的方法是有限单元法，其基本的方法就是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间靠节点连接。由于单元形状简单，易于由能量关系，平衡关系和其他关系建立节点量之间的方程，然后将各个单元方程组求解。一些工程问题的分析，如流场分析、温度场分析、应力场分析等，都可以归结为在给定边界条件下对单元体求解其控制方程的问题，但这样的方法求解得出精确值只适用于几何

26、形状规则的问题。对于大多数实际的问题，必须引入简化模型，将复杂实体进行简化，通过对简化模型的计算得出精确值。这种简化一定要适当，过多的简化会导致得到不正确的仿真结果。以计算流体力学理论（）和为代表的数值仿真模拟软件，不断地汲取计算方法和计算机技术的最新发展，将有限元分析、计算机图形学和优化设计技术结合在一起，已成为现代设计中不可缺少的部分“。数值仿真技术已经应用于现代工程设计中各个领域，对工程研究的发展和进步起了重要的作用，本文中也将其应中南大学硕士学位论文第一章绪论用到热平衡研究中。）冷却系统的匹配优化在设计冷却系统时，确定冷却系统的散热量后，首先要完成散热器的设计或选型，然后根据散热器的尺

27、寸在进行冷却风扇的选型或设计。在设计或选择风扇时，不仅要求得到效率高而性能好的风扇，而且还要求风扇能和散热器良好匹配，使得风扇性能充分地发挥，总处于最佳的工况下工作。因此，风扇与散热器能否良好匹配，也是提高冷却性能的重要途径。利用计算机技术对风扇乃至冷却系统进行匹配优化研究是一个重要方向。为了使冷却系统各部分得以合理匹配，且能分析各种因素对冷却系统工作的影响，国外普遍采用计算机数据模拟方法。计算机模拟在汽车发动机冷却系统设计领域的开发应用于年代初期，年美国密执安工业大学开发了重型柴油火车冷却系统计算模拟程序（简称），年又对其进行了改进。美国康明斯（）发动机公司进行冷却系统计算时，只需将发动机、

28、散热器、风扇的有关以及环境条件输入计算机即可得到有关的性能参数。国内工程机械用发动机冷却系统设计主要是凭借经验设计和大量的对比选择试验，近几年在计算机模拟方面的工作进展很快，相继出现了一些数学模型和计算方法，减少了设计工作量。论文主要研究内容作为国家项目“液压挖掘机机电一体化及制造信息化”的后续研究，本论文的内容就是针对目前出现的上述对液压挖掘机的发动机水箱“开锅”的现象，分析目前工程机械中发动机的发展状况以及冷却系统发展状况的基础上，以传热学的相关理论为基础，提出引入研究小型液压挖掘机动力系统的热平衡理论，并通过研究各部分能量的分布，确定该动力系统的散热量。以此为基础，设计与之匹配的冷却系统

29、，同时分析冷却系统的结构特点，研究空间结构布置对热平衡的影响。引入计算流体力学软件（）对散热器进行研究，通过软件用于对散热器设计分析的可行研究，为在整个冷却系统中使用计算机模拟研究做一定的基础研究工作。本文将在以下方面展开研究：）根据热平衡理论，分析挖掘机动力系统的能量分布情况，提出发动机散热系统的热平衡模型。）根据热平衡模型，利用试验分析冷却系统各部件对热平衡的影响。）根据计算流体力学（）理论，采用计算机模拟软件对散热器模型进行数值模拟研究，初步得到整个散热器的散热特性。中南大学硕士学位论文第章绪论）相关实验，分为小型液压挖掘机整机的热平衡实验和研究冷却系统的结构布置对改善热平衡的影响的试验

30、。中南大学硕士学位论文第二章冷却系统各部分的熟平衡性能研究第二章冷却系统各部件的热平衡性能研究热平衡理论概述热平衡表示方法一般将柴油机燃烧放出的热量分配分为个部分，即转化为有效功的热量、冷却水带走的热量、排气带走的热量、润滑油带走的热量及其余的损失热量部分。其数学表达式：，。“式中：，燃料燃烧放出的总热量一转化为有效功的热量一冷却水带走的热量。排气带走的热量知机油带走的热量（一其余热量损失若以各部分带走的热量百分比来表示热平衡方程式，式（）转化为：。“（）（）这种方法对于了解燃料热量利用程度和热损失的大小及去向，改善发动杌工作过程具有重要的意义。”。热平衡试验柴油发动机的热平衡是指气缸中燃料放

31、出的热量分配情况，根据热量的分配情况，可以对柴油发动机的热量分配进行计算和分析，使柴油机发动机的性能达到最优。不同柴油发动机中热平衡各项带走的热量百分比如表所示。以下这些数据因机型的不同而有一定的差异。表各种机型热平衡各项热量百分比、热平衡各项初型增压柴油机吼鼋。，埘非增压柴油机一汽油机中南大学硕士学位论文第二章冷却系统各部分的热平衡性能研究热平衡的研究方法通常，热平衡是通过试验的方法测量出热平衡方程式中相关各项的参数，通过相应的计算得出的各部分的热量分配情况。热平衡试验一般是在发动机的标定情况下进行。前苏联时期，由于车辆多采用机械传动装置，因此，其传统的设计是把发动机的额定工况作为系统热平衡

32、的设计工况点；上世纪年代以后，由于传动装置逐渐向液压型过渡，因而，系统热平衡的设计工况点也开始逐渐向以发动机的最大扭矩工况作设计工况过渡。对于小型液压挖掘机而言，由于工况变化大，随之发动机的转速变化较大，在这里我们选取平衡试验是在额定转速下进行的”。热平衡各部分热量计算发动机气缸发出的总热量是由燃料燃烧产生的。通过实验测出发动机每小时的耗油量后，可按下式计算能够放出的总热量，。，式中，。燃料低热值（堙）总热量的分配大体上可分为如下五大项。转化为有效功的热量由实验可测得发动机的有效功率也（七），则：（）（）幺札传递给冷却介质的热量。（）这部分热量包括：热量通过缸壁的传热损失；废气流经排气道时传给

33、冷却介质的热量；活塞与缸壁摩擦产生的热量传给了冷却介质；以及从润滑油传给冷却介质的热量等。瓯勺（岛一）（灯）（）式中，瓯一通过发动机的冷却介质的流量（堙）；。冷却介质的比热彤（堙。）；、，一冷却介质入口和出口的温度（）。排气带走的热量绋（）（，一，）式中：，、。每小时消耗的燃料量和空气量（）；（）。矿一废气和空气的定压比热二，（堙。）；一靠近排气门处的废气温度（）；“一进气管入口处工质温度（）。机油带走的热量如（一）（）式中，如一发动机中机油的流量（培）；一机油的比热；，、一机油的初始温度和达到热平衡的温度（。）。其它热量损失包括所有未计的损失，由于它们不能分别准确计算，一般根据下式来确定。（

34、），一（级，“）本文中选用的发动机为康明斯公司型号为的柴油机，其主要技术参数如下“：表主要技术参数表捧量缸径冲程，”，咒重量高度埘，玎功率扭矩进气方式排放幼涡轮增压如中所提到的，本节中计算各部分的能量分布所选用的参数都是在发动机的最高转速下测得，通过计算得出各部分能量值。为了后面计算的简便，将能量的单位换算为置形。，线为了更好的表示出该型号发动机热平衡中的各项分布，本节使用图来表示，从图中可以直观的发动机气缸中燃料放出能量的分配状况。热平衡分配图图热平衡分配图 发动机冷却系统的设计冷却系统设计的主要任务是：根据气缸内高温工质传递给冷却介质的热量，确定系统温度场及冷却所必需的风量；冷却系统的布置

35、；冷却风扇的选型设计；中冷器、传动装置油冷却器、发动机油冷却器的设计。如果设计和匹配不佳，会对发动机性能产生如下的影响：）柴油机零部件的磨损。发动机过热，充气系数下降，机油变质和烧损，零件的磨擦和磨损加剧。另外，实践表明，发动机经常在冷却过强下使用时，零件磨损比正常温度时大好几倍；）燃油耗偏高。在设计或选用冷却系统的部件时，就是以散入冷却系统的。为原始数据，通过计算得出冷却系统的循环水量、冷却空气量、以便设计或选用散热器、导风罩和风扇。水散热器的匹配确定散热器的正面积根据整机的几何空间，尽可能设计最大的正面积以，薄的散热芯子厚度。薄芯子一方面可以减少空气通过水箱的阻力，从而可以增大风扇的流量，

36、提高系统的冷却能力；另一方面能充分发挥风扇的性能。大的迎风面积允许选用大直径、低转速的风扇。计算冷却水的循环量和冷却水管数根据冷却系统需带走的热量线，可以计算出冷却液的循环量匕：矿兰旦一（）。，式中，一冷却液在发动机中循环时的容许温升；。一冷却液的密度，；可近似取值。堙。冷却液的比热，彤（船。）；取肜（培）根据冷却液的循环量吃，计算冷却管数，矿二旦一（）式中，。一冷却液在冷却管中的流速，一般取。；一每根冷却管的截面积，单位辨。计算冷却空气的需要量冷却空气的需要量圪一般根据散热器的散热量确定。散热器的散热量一般等于冷却系统的散热量见。中南大学硕士学位论文第二章冷却系统各部分的热平衡性能研究圪三（

37、）。式中，出。一空气进散热器前与通过散热后的温度差，一般取出。；成一空气的密度，船；。一空气的定压比热，可取（堙）。确定传热系数和散热器的片距散热器制造厂根据冷却液的循环量、冷却空气的需要量圪选取几种不同片距分别试验散热器特性。从这些特性曲线中根据散热量。选取传热系数最大值，确定此值为传热系数鬈。散热器的片矩不仅影响散热器的传热系数足，而且影响空气流动阻力，进而影响风扇消耗的功率。对装有柴油机的工程机械而言，从实际经验的角度而言，其散热器片距以每英寸（英寸，厘米）片为宜。增加每英寸的片数，对于给定的通过芯部的空气流速来说能够增加散热器的散热量，但是空气的阻力也相应的增加了。选用一个具有较小片距

38、的小型散热器和一种在较大空气阻力时也能提供所需的空气流量的风扇，可以降低初始成本。此外，散热器的散热片越多，它越易被灰尘和昆虫堵塞，采用每英寸片是一种较好的折中方案。为冷却一种给定的发动机所需要的特定形式的芯子的精确尺寸可通过计算估计和通过试验验证嘲。液压挖掘机作业工况往往比较恶劣，灰尘多，容易造成芯子堵塞，散热性能大大下降。因此在满足散热量的前提下，应尽量的增加片矩。计算散热器的散热表面积彳旦缸（）式中，础一散热器中冷却液和冷却空气的平均温差，。一。；，一冷却液平均温差，一；屯一冷却空气平均温度，乞毛进一毛。性能试验散热器按上述要求设计制造成样品后，还应对样品进行部件的台架试验，以校核散热器

39、的性能能否符合冷却系统的要求，并进一步通过调整设计参数来优化性能“。根据本章中所得到的各部分能量值，特别是冷却系统需带走的热量，利用本文中所提及的热平衡实验，实验中选用的水散热器为青岛汽车散热器有限公司制造的型号为型散热器。根据附录中给出的实验参数以及本章所给出的主要理论计算值，可以得出下表。由表中各数据可知，理论计算值与实际试验值相差不大，基本上符合工程应用的要求。中南大学硬士学位论文第二二章冷却系统备部分的热平衡性能研究表水散热器参数对比表。（）理论值实际值（），（）（川）风扇的匹配根据散热器的正面面积尺寸和整机布置风扇与散热器的相对位置来确定散热器导风罩的直径，从而确定风扇的直径。由于风

40、扇产生的噪音与风扇转速有关，因此风扇叶尖速度限制在以下，根据这一要求选择合适的风扇传动比。另外，实际选择匹配时风扇的风量一定要有储备量，以保证风扇产生的静压力大于整个冷却系统的阻力，空气流量满足散热器的需求量。因为挖掘机一般作业环境灰尘比较大，散热器芯子容易堵塞，风扇需要克服的阻力增加。根据选定的水散热器和实际中的尺寸要求，本文中选用的是宁波雪龙汽车风扇制造有限公司型号为的风扇。风扇导风罩的通风设计风扇导风罩通过聚集散热器芯与风扇之间的空气和将风扇叶片顶部的空气再循环降到最小来提高系统效率，最佳的导风罩设计是让气流从矩形的散热器芯到圆形的风扇以最小的阻力平稳过渡。图是现在使用的三种主要形式的导

41、风罩。文杜里式导风罩提高了风扇效率。当风扇叶尖间隙为风扇直径的或更少时它的效率会更高。正因为如此，并且比较难于加工，直到增强性塑料被广泛用作导风罩材料前，文杜里式导风罩未广泛用于安装在发动机上的风扇。许多领域都使用了箱式和环式导风罩，这两种导风罩都具有易于加工的优点。风扇深入导风罩的深度尺寸被称为导风罩的风扇沉入。风扇沉入量和风扇叶端与导风罩之间的间隙是影响风扇和导风罩空气泵送效率的关键因素。最合适的风扇沉入量根据不同的风扇和冷却系统设计而不同，因此该参数通常用经验来确定。本论文中将具体将介绍如何用试验的方法确定风扇沉入量。由于本文中所提及的挖掘机用发动机冷却系统的传热方式是用空气来冷却柴油机

42、的水箱和冷凝器，然后由柴油机的冷却液来冷却柴油机和液压油散热器等，因此保证风扇能够有足够的、来自外部的冷空气是散热系统设计的关键因素，它对系统的冷却能力影响最大。中南大学硕士学位论文第二章冷却系统各部分的热平衡性能研究变杜里式瓣辩环式箱式图导风罩空调冷凝器的匹配空调冷凝器通常安装在柴油机水箱和液压油之前。同样在选型和匹配时也应遵守在满足散热性能的前提下采用散热正面积大、片距大的空调冷凝器，以减少空气阻力。冷却系统中各部件对热平衡的影响试验试验内容与目的冷却系统的主要功能是保证发动机在任何负荷的条件下所必须热循环下均能正常和可靠地工作而不至于引起发动机发热。冷却系统中各部分的设计和匹配直接影响到

43、发动机的性能。如果设计和匹配不佳，会对发动机性能产生不好的影响。由于在实际生产中，通常情况下是将发动机的某些特性参数发送给散热器厂家，散热器厂家通过这些参数设计与之相匹配的水散热器，液压油散热器的设计也必须满足该机型的液压系统的要求，在匹配好水散热器和液压油散热器以后，选取风扇、挡风罩，然后通过调整各部件之间的结构参数来达到最佳的冷却效果。这些在本文的做了详尽的描述，本节中只分析冷却系统中部件对冷却系统热平衡的影响针对这些分析，本实验主要内容是根据中提到的冷却系统的设计要求，在实际挖掘作业中更换水箱、液压油散热器、风扇、挡风罩等重要部件，实时采集水箱散热器中冷却水的进水温度、液压油散热器中进油

44、温度以及测点处的温度。试验的目的是研究冷却系统中各部件对热平衡的影响。试验条件试验采用山河智能机械股份有限公司的液压挖掘机。一液压挖中南大学硕士学位论文第二章冷却系统各部分的热平衡性能研究掘机的标准斗容为，功率置矿，最大扭矩为册，排量为。使用此型号挖掘机在山河公司调试场地做挖掘作业试验。实物如图所示。图轮式全液压挖掘机试验时利用该挖掘机自带温度传感器读取水散热器进水温度（即水温）和液压油散热器进液压油温度（即油温），另外还需测量水敞热器和液压油散热器之间的空气温度，具体位置如图中点图所示。惑彩试验数据处理与结论图测点位置示意图由于试验时一液压挖掘机正处于试制阶段，某些参数涉及到产品的技术机密，

45、另外考虑到整个试验过程长，时间跨度大，环境温度变化快等特点。因此本节选取了某些具有代表性的试验数据，并将其试验结果采用分析软件进行数据分析，具体试验结果过程为：、在不改变原有冷却系统的情况下，正常挖掘作业使挖掘机达到系统热平 衡，同时在固定的时间间隔内读取水温、油温及测点处的空气温度；中南丈学硕士学位论文第二章冷却系统各部分的热平衡性能研究、改变原有冷却系统中的水散热器和液压油散热器，正常挖掘作业使挖掘机达到热平衡，同时在固定的时间间隔内读取水温、油温及测点处的空气温度；、在第二步的基础上，改变冷却系统中的风扇，正常挖掘作业使挖掘机达到热平衡，在固定的时间间隔内读取水温和油温；、在上述步骤的基

46、础上，改变原有风扇的导风罩，正常挖掘作业使挖掘机达到热平衡，同时在固定的时间问隔读取水温和油温。图中为旧型号导风罩，为新型号导风罩。一困新旧导风罩如下图所示的热平衡试验数据是在原有冷却系统未经过任何改变的情况下测量得到的，环境温度为的时候，正常挖掘小时以后，水散热器进水温度达到了。，液压油散热器进油温度也达到了。，水散热器与液压油散热器之间的温度达到了。中南大学硕士学位论文第二章冷却系统备部分的热平衡性能研究伸、醚喟阳时间图原机热平衡试验数据（）更换原有的水散热器。基赠柏柏时间圉热平衡试验数据如图所示的热平衡试验图所示，更换过水散热器的新冷却系统在小时后达到热平衡。在环境温度为。达到平衡时，水

47、散热器进水温度为。，液压油散热器的进油温度为，测点的温度为，与原有系统相比较，达到平衡时温度都降低了左右。由于原冷却系统中使用的是中提到的中南大学硕士学位论文第二章冷却系统备部分的热平衡性能研究型水散热器，由于厂家设计时使用乙比实际值减少了，这样可能对散热器的散热能量有一定的影响。因此在试验中本文选用了烟台冰轮公司的另一型号的散热器。根据试验结果显示，新的水散热器提高了整机的冷却性能。（）更换风扇瑙赠柏柏时间图（）热平衡试验图瑙赠柏时间图（）热平衡试验图中南丈学硕士学位论文第二章冷却系统各部分的热平衡性能研究由于试验条件的限制，更换风扇的试验跨度较久，如图中（）图所示，在环境温度为的情况下，达到平衡后水温最高达到了，液压油油温达到了；更换风扇后，（）图中数据显示由于环境温度发生了变化，降低到，整机达到热平衡后水温最高为，液压油油温为。根据经验公式，该机型在更换风扇后，环境温度为的情况下，达到平衡时水温最高在。左右，油温在。左右。通过比较数据说明，更换风扇对该机型达到热平衡是有效的。原冷却系统中的风扇型号为一，该风扇的体积为。为了提高冷却风的进风速度，新的风扇增大了体积，但同时也增加了风扇能量的消耗。试验结果显示，使用掰型风扇的结果是提高了整机的冷却系统的性能。（）更换导风罩簧卯时间图热平衡试验数据图如图所示的热平衡试验图所示，更换过导风罩后的新冷却系统在小时后