工程機械的動力系統設計

遼寧大連東拓工程機械制造有限公司 欒國臣

工程機械的動力系統設計

遼寧大連東拓工程機械制造有限公司 欒國臣

隨著現代化城市的二次開發建設、軌道交通、道路建設、能源開發等項目的進行，工程機械的應用在其中扮演的角色越來越重要。而工程機械的動力系統是作業效率與經濟效益的有力保證。動力系統又是一門涉及多學科、技術復雜、理論與經驗相結合的產物。本文主要介紹動力系統的構成及與之相關系統的設計。在總結經驗的基礎上提出了現代工程機械常用的系統配置與解決方案。

工程機械 燃油系統 冷卻系統 電控系統 進氣系統 排氣系統 設計

工程機械的動力系統主要由燃油系統、冷卻系統、進氣系統、排氣系統等子系統組成。應根據設備的應用狀況確定功率、扭矩、排量、轉速、瞬時功率及持續功率等參數。下面就將各個系統的設計與安裝詳細說明；

一、燃油系統

燃油系統指從油箱經過粗濾器、油水分離器、PT泵、輸油泵及高壓噴油泵進入到發動機燃燒產生動力。而其中的關鍵部位就是油箱設計與管路的連接設計；

1.油箱設計

油箱設計應根據整機的排布在有限的空間盡可能將油箱設計大一些，主要是因為大容量可以保證作業時間與足夠的自然散熱。同時應預留5%的膨脹空間，防止燃油膨脹外溢。焊接油箱在制作完成必須進行充分的滲漏試驗，保證其安全性與正常運轉。

出油口與回油口的位置應保持在400mm以上的距離，出油口與回油口距離油箱底部20mm之上。同時底部應該設計水與雜質的沉淀設施并設立排水閥；

油箱上部應使用帶有濾網的加油口，并設立通氣孔避免油箱內部產生負壓導致油路不暢。

必須設計計量油位的裝置，常用的計量器具有目測的油溫與位置計量器具與電子浮漂的液位計；推薦使用浮漂式的液位顯示器并帶有報警功能；同時應增設防止油溫低于0°C的溫控加熱器。

二、管路設計

管路指從油箱的粗濾器到高壓噴射泵的供油管路與回油管路；主要包括粗濾器、油管、油水分離器進入到發動機的PT泵。

油管應選用耐油橡膠并能承受足夠的真空而不損壞或蹋癟，管路布置應防止發生由于空氣造成的阻塞。

粗濾器必須大于100目，不能使用細濾器與紙質細濾器因其容易產生阻塞而導致阻力過高及壓力波動而損壞濾清器。建議使用金屬絲編制的濾網口10～150目，過濾精度一般只有150um，主要過濾燃油中較大的顆粒和分離燃油中的“自由水分”

油水分離器須采用透明的油杯，因其容易觀察預警所以被廣泛使用。推薦使用帶有安全報警的透明油杯，且在明顯位置處標示每天作業完后應及時排除油水分離器中的水與油箱底部的沉淀水分與雜質。

三、冷卻系統

工程機械的冷卻系統主要由散熱器、風扇、散熱器的排布方式及風扇的位置組成。

1.散熱器的選擇

市場上常用的散熱器主要由鋁質與銅質兩種材料制造而成的散熱器，因銅質散熱器的散熱效果比鋁制散熱效果好，雖然價格較高但良好的散熱效果是高檔產品的首選。

在空間允許的情況下，應選擇正面面積大、厚度薄、正方形的散熱器芯。因為散熱器正面面積大相匹配的風扇直徑就可以放大而轉速可以降低，這樣風扇消耗的功率和噪音就會降低。散熱片的最佳密度為3片/10mm，越密阻力越大，越容易阻塞。一般可以通過計算確定散熱器的面積也可以估算其散熱面積；正面面積=0.35～0.42㎡/100kW

水箱散熱器應通過減震器固定在車體上，防止水箱因車體的劇烈震動及熱脹冷縮時應力過大產生裂紋；防止熱空氣再循環降低冷卻效果，應在水箱周圍安裝密封的襯隔板組成的密閉的散熱室。

2.風扇的設計

風扇的選擇

（1）吸風和排風風扇：對行走速度較高的設備，當發動機安裝在設備前端時，選擇吸風風扇可以很好地利用迎面風增強冷卻效果；當發動機安裝在后端時，一般選擇排風風扇。對于行走速度不高的設備，可以選擇吸風風扇，也可以選擇排風風扇。一般來說，由于吸風風扇利用溫度較低的空氣冷卻水箱，效率要明顯高于排風風扇。

（2）風扇轉速和直徑：消耗功率相同的情況下，低速、大風扇的冷卻效果和噪聲要明顯好于高速、小風扇。另外，選擇風扇時要注意風扇的葉尖線速度不要超過4200～5000m/min。

（3）風扇到散熱器芯的距離：吸風大于50mm，排風大于80～100mm。

（4）風扇到發動機的距離：在風扇支撐彎矩（7NM）許可的情況下，應盡量遠，但風扇墊塊厚度一般不允許超過75mm。

（5）安裝風扇時禁止使用彈性防松墊圈，防止風扇法蘭因集中應力損壞。

3.導風罩的選擇

（1）常用導風罩有三種：箱式、環式、喉口式。

（2）導風罩和散熱器之間一定要密封。

（3）風扇葉尖和導風罩之間的間隙一般為風扇直徑的1.5%～2.5%；

（4）風扇在導風罩中位置：吸風，2/3在里，排風，1/3在里。

溫度控制：發動機的正常工作溫度為71～990C，由節溫器控制。要求安裝水溫表和報警裝置；

4、散熱系統的布置

（1）傳統散熱系統布置

傳統的散熱系統布置一般將風扇安裝在發動機上，將水散、液壓油散熱器、空調散熱器、空-空中冷器前后布置。優點：成本低；缺點：風阻大，容易堵塞，容易過熱，不好布置；采用吹風風扇時很難避開發動機和消聲器的熱輻射；采用吸風風扇時發動機對風扇氣流的阻力比較大。

（2）獨立散熱系統

將一部分或全部散熱器布置到一個不受發動機影響的地方，風扇由液壓馬達驅動。優點:①布置靈活；②遠離發動機的熱輻射；③可以根據水溫控制風扇轉速，降低功率損耗；④保養方便。

四、進氣系統設計

因為大多數的工程機械在非常惡劣的環境下作業，這樣不得不將周圍的灰塵與顆粒吸入發動機進行燃燒。由于灰塵是氣缸套、活塞、活塞環、氣門和氣門導桿的基本磨損源，因此對于一個好的發動機安裝并獲得長的壽命來說，仔細選擇空氣濾清器是至關重要的。常用進氣系統的形式：目前只有兩級干式空氣濾清器被用于工程機械、礦山機械、采木機械和農業機械的發動機上。

1.進氣系統設計的必要性

（1）灰塵是內燃發動機部件磨損的基本原因，而大多數灰塵是通過進氣系統進入發動機的。

（2）水會損壞/ 阻塞空氣濾清器濾芯，并且可能使發動機和進氣系統發生腐蝕。

（3）進氣溫度高意味著進入發動機的空氣密度下降，這將導致排煙增加、功率下降、向冷卻系統散熱量增加、發動機溫度升高。

2.容灰量計算應參考《內燃機空氣濾清器性能試驗方法》(JB/T 9747-2005)主要根據濾清器廠家提供的容灰量，確定每小時濾清器應達到容灰量；

3.設計時還應該考慮如下因素

（1）過濾性能-濾清效率至少99.9%。

空濾應具有足夠的容灰度以提供合理的濾芯更換周期

（2）進氣阻力-系統裝備所有選裝附件后，發動機最大進氣流量條件下，在發動機增壓器進氣口測得的進氣阻力不得大于發動機技術參數表上規定的限值。

（3）進氣口位置-應避免吸入雨、雪、發動機排氣和來自散熱器、冷卻器、機艙的熱空氣以及路面飛濺灰塵等污物。正常作業時進氣溫升最大不得超過20℃。

⑷阻力指示裝置-推薦安裝高質量的阻力指示裝置，它在空濾被阻塞到進氣阻力達到發動機規定的最大限值時發出警告，以便及時更換或清理濾芯。

五、排氣系統

排氣系統主要由隔熱罩、柔性連接管及消音器構成。各部位設計注意一下要求：

1.排氣系統的作用

（1）必須消減發動機產生的排氣噪聲以滿足法規和客戶對噪音要求。

（2）由于發動機排出的廢氣對人體有害，必須把它們排到遠離駕駛艙進氣口的地方。

2.降低排氣噪聲，通過下述下述兩種方法

（1）利用反射元件；

（2）利用吸收/分散元件吸收或消弱聲波能量。

工程機械要求的噪聲為12 到18 分貝；

3.隔熱罩的設計應注意

如果排氣系統有可能碰到人員或其他部件，則應該安裝合適的隔熱罩以防止人員受傷或部件損壞。為減少消聲器和排氣管熱量輻射到其他容易損壞的部件上（膠管、電線、接頭等）也需要隔熱罩。

4.柔性結構的設計應該注意

排氣系統的設計必須能承受系統的熱脹冷縮，必須允許發動機的振動和移動；如果排氣管路很短且固定在發動機上，可以不需要柔性連接管；如果排氣管路很長且固定在車架上，必須有柔性管部分，盡量減少排氣系統、增壓器、排氣歧管的應力；柔性管的長度一般為300～600mm；一般來說，柔性管只在垂直方向帶柔性，而不能壓縮或延伸，柔性管不能作為彎管或補償管路之間的不對中。這樣容易因發動機振動造成管路斷裂。

六、結語

動力系統是當代工程機械的核心，其運行狀況是否良好及效率的高低及使用壽命均取決于動力系統的初期設計。