液壓挖掘機動力系統熱平衡試驗研究

胡 鵬

（康明斯（中國）投資有限公司，北京 100102）

液壓挖掘機已廣泛應用于市政工程、交通運輸、水利工程、農田改造、礦山開采以及現代化軍事工程等機械化施工之中。

由于使用工況比較惡劣、工作負荷強度高及結構緊湊等特點，對挖掘機性能要求越來越高。而作為其動力系統的核心—發動機性能的好壞，將直接影響挖掘機性能。按照發動機熱平衡的規律，發動機冷卻系統的散熱能力必須與之相匹配，才能使發動機維持在正常的油、水溫度范圍內安全地工作，冷卻系統同時起到為液壓系統散熱的作用，散熱強度非常大[1]。因此研究液壓挖掘機的冷卻系統熱平衡，使發動機在適當的溫度范圍內工作，對保障液壓挖掘機的長時間正常工作至關重要。

本文針對市場上液壓挖掘機出現的高溫現象，選擇常用的21t液壓挖掘機作為研究對象，通過理論分析影響散熱性能的主要因素，進而提出改進方案——調整風扇和散熱器之間的距離，并通過試驗驗證，證明改進方案可以有效地提高液壓挖掘機的散熱能力，并且提出了具體的設計指標。

1 研究背景

針對市場上某21t液壓挖掘機開展測試工作，驗證其在高負載以及高溫工作條件下整機冷卻系統的散熱能力。測試液壓挖掘機冷卻系統配置情況如下。

1.1 測試工況

目前，我國液壓挖掘機行業尚無熱平衡試驗的國家或行業標準，許多主機廠的熱平衡試驗都委托發動機生產廠家或發動機供應商來進行[2]。筆者參考國內主流發動機廠商的測試要求，并結合JB/T 6033-92《履帶式推土機熱平衡性能試驗方法》制定了履帶式液壓挖掘機熱平衡性能試驗標準，主要內容如下：H模式10檔，空調、大燈開，使用全開的節溫器，測試時間不小于2h，全負荷工作，挖掘深度為最大挖掘深度的1/2，卸載高度為最大卸載高度的2/3，防凍液加滿，液壓油加至液壓油箱的70%以上（工作裝置油缸中含有約20%液壓油），燃油量滿足工作時間即可，挖掘卸載作業回轉90°，每隔5min測量1次水溫，直到整機達到熱平衡狀態（10min內溫升不超過±0.5℃）。測量讀數時盡可能在機器運行中進行，若在運行中不能測量時，須在停機后發動機轉速降低至怠速時測量，測量時間不超過1min。

1.2 測試結果

根據以上工況，針對該款21t液壓挖掘機進行熱平衡測試，表1為熱平衡狀態數據經換算后的結果。

表1 熱平衡測試結果

從表1的結果可以看出，發動機出水口溫度和液壓油溫度都已經超過主機廠開發時的要求溫度。冷卻液溫度過高將會造成柴油機充氣系數的降低，燃燒不完全，輸出功率不足，機油變質和燒損，零部件磨損加劇，進而影響發動機可靠性。液壓油溫度過高將會導致液壓油黏度降低，泄漏風險增加，使液壓元件產生熱變形，影響系統性能。如何降低冷卻液和液壓油溫度是解決液壓挖掘機熱平衡問題的關鍵。

2 理論分析

根據能量守恒定律，經過散熱器和冷卻風和散熱器中流動的冷卻介質交換熱量時，冷卻風帶走的熱量等于冷卻介質散失的熱量，在單位時間內有以下等式

式中Ca——冷卻風的比熱容，J/(kg℃)；

Cb——冷卻介質的比熱容，J/(kg℃)；

ma——單位時間冷卻風質量，kg；

Mb——單位時間冷卻介質質量，kg；

t1——散熱器進風（冷卻風）溫度，℃；

t2——散熱器出風（冷卻風）溫度，℃；

Ti1——散熱器出口（冷卻介質）溫度，℃；

Ti2——散熱器進口（冷卻介質）溫度，℃。

由式（1）可以看出，若要提高冷卻系統散熱能力，對于同一冷卻系統理論上可以通過以下幾種途徑實現：①提高冷卻介質的比熱容；②提高單位時間內冷卻介質流量；③提高冷卻風的比熱容；④提高單位時間冷卻風質量；⑤降低散熱器進風（冷卻風）溫度。

冷卻風來自大氣，比熱容無法調整。冷卻液和液壓油等冷卻介質也是確定的，比熱容保持不變。由于整機布置的原因，冷卻介質的流量受到發動機本體的水泵和液壓油泵的影響，也視為保持不變。因此最簡單的辦法就是提高冷卻風質量和降低散熱器進風（冷卻風）溫度。

根據經驗，提高冷卻系統散熱能力可以通過以下措施實現：①提高風扇轉速；②增大風扇直徑；③調整風扇與散熱器芯體之間的距離；④減少風扇葉尖與導風罩的間隙；⑤減少冷卻系統本體的阻力[3]。

風扇為發動機直接驅動，速比為0.82，提高轉速需要調整發動機本體結構，操作比較困難；同時增加風扇直徑將會導致風扇重量變化，風扇連接盤彎矩需要重新匹配計算；減少風扇葉尖與導風罩間隙的方法已經有文獻介紹過，并取得良好的試驗效果；而減少冷卻系統本體阻力需要對內部流場進行CFD綜合分析，因此本文僅從解決液壓挖掘機使用過程中的問題入手，調整風扇與散熱器芯體之間的距離進行試驗驗證，以確定不同風扇直徑下合適的距離，為主機廠設計和售后服務提供改進方案和經驗參考。

3 試驗驗證

在整機其他條件不調整的前提下，僅針對不同風扇到散熱器芯體間距進行熱平衡測試，不同間距的試驗方案如表2所示。由于間距的調整，對風扇沉入值做出了相應的調整以保持和原機一致。

表2 不同間距試驗方案

表2不同方案下熱平衡測試結果，其中，方案1和方案3都超過限值的要求，故方案2通過測試。

從表3還可以看出，如果以方案2的間距為基準，隨著風扇距散熱器芯體間距的變大或者變小，均會影響熱平衡結果。也就是說，在720mm風扇直徑的條件下，風扇距散熱器芯體間距在90mm左右是理想方案。

表3 不同方案下熱平衡測試結果

表4 不同間距下熱平衡測試結果

而風扇距散熱器芯體間距小于50mm時，熱平衡結果偏差較大，不推薦在設計時低于50mm間距進行布置。間距大于110mm同樣會影響散熱能力，但是影響的效果要小于50mm間距。即，較大的間距對熱平衡的效果要比較小的間距略好。

為了進一步確認具體最佳間距的范圍，再次選擇了間距為80mm和100mm作為驗證，表4為細化間距后驗證的結果。從表4中可以看出，80～100mm的間距都滿足熱平衡要求，即風扇到散熱器芯體間距的設計指標為風扇直徑的11%～14%之間。

4 結 論

1）風扇到散熱器芯體之間的距離和風扇直徑有關，不能統一為某一定值。

2）通過試驗驗證結果可以得到，一般風扇到散熱器芯體間距的設計指標為風扇直徑的11%～14%之間。

3）風扇到散熱器芯體之間的最小距離不能低于50mm。

本研究僅針對售后問題而做出的最簡單的處理方式，通過調整風扇到散熱器芯體之間的間距的確可以提高液壓挖掘機的散熱能力，為今后主機廠的設計提供一定的參考。

[參考文獻]

[1]蔣叢華.小型液壓挖掘機動力系統熱平衡研究[D].長沙：中南大學，2007.

[2]呂 超，王 渠，劉 賓.液壓挖掘機熱平衡試驗分析[J].建筑機械化，2009，30(2)：44-45.

[3]徐 威，李會超，夏 炎，等.液壓挖掘機冷卻系統熱平衡改進[J].建筑機械化，2013，(3)：89-90.