集裝箱正面調(diào)運起重機熱平衡試驗方法研究

覃俊林

（柳州汽車檢測有限公司發(fā)動機試驗室，廣西 柳州545000）

0 引言

集裝箱正面調(diào)運起重機（以下簡稱“正面吊”）是專為20英尺和40英尺國際標準的集裝箱而設(shè)計，廣泛應(yīng)用于港口碼頭堆垛以及短距離搬運。正面吊散熱性能毋容置疑是關(guān)系到整機性能的重要指標，機器能否在高溫地區(qū)炎熱的工況下正常使用就是看其散熱系統(tǒng)散熱能力的優(yōu)劣，散熱系統(tǒng)溫度過熱是不利于發(fā)揮機器的應(yīng)有性能，甚至嚴重時會縮短機器的使用壽命，達不到應(yīng)有的設(shè)計使用年限，因此對正面吊散熱系統(tǒng)進行熱平衡試驗驗證是十分有必要的。現(xiàn)以某型號正面吊散熱系統(tǒng)為例，介紹熱平衡試驗是如何開展的。

1 該型正面吊散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

現(xiàn)有某型正面吊散熱系統(tǒng)由兩部分組成，分為主散熱器和副散熱器，設(shè)計散熱能力可適應(yīng)整機在環(huán)境溫度不高于45℃的高溫地區(qū)工況下正常工作，在整機上的布置如圖1和圖2所示。主散熱器采用發(fā)動機直接驅(qū)動風扇直徑為860 mm、最高轉(zhuǎn)速為2 100 r/min的吸風式冷卻風扇，風扇布置于發(fā)動機與散熱器之間，為單層疊加散熱器，用于冷卻水、空-空中冷和變矩器油。副散熱器布置于車體右側(cè)，副散熱器采用液壓馬達驅(qū)動直徑為816 mm、最高轉(zhuǎn)速為1 700 r/min的吹風式冷卻風扇，用于冷卻液壓油和橋油。

圖1 主散熱器結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 副散熱器結(jié)構(gòu)布置圖

2 正面吊熱平衡試驗方法

2.1 試驗條件

（1）正面吊樣機所有零部件及整機應(yīng)按要求裝配、檢驗調(diào)試完成，處于正常工作狀態(tài)并達到出廠驗收標準，應(yīng)符合《GB/T 16905-1997集裝箱正面吊運起重機試驗方法》規(guī)定[1]。

（2）試驗環(huán)境要求：試驗場地應(yīng)平整、堅實、地面坡度不大于3%的場地進行，試驗環(huán)境溫度要求在21.1～45℃，無霧，無雨雪天氣，風速不大于4 m/s，試驗前對正面吊樣機進行預(yù)熱。本文正面吊熱平衡試驗時環(huán)境溫度22.8℃，風速2.7 m/s，多云天氣，符合試驗環(huán)境要求[1，2]。

（3）試驗使用的儀器在試驗前應(yīng)進行校準，測試準確度應(yīng)符合GB/T21153規(guī)定[3]。

2.2 試驗樣機處理

（1）要將發(fā)動機冷卻液全部排空更換為冷卻水，水的比熱容確定方便于后續(xù)的溫度換算。

（2）采用全開節(jié)溫器，使冷卻液全部流過水散，不能直接將節(jié)溫器移除。

（3）因副散熱器是液壓馬達驅(qū)動，需將液壓馬達的溫控轉(zhuǎn)速控制線切斷，使風扇轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)計的最高轉(zhuǎn)速。

2.3 測點布置

根據(jù)試驗需求布置測點，具體試驗測點布置如表1所示，還可以依需求附加測試各散熱器進出口流量、壓力等測試項，本文就不再擴展介紹。

表1 熱平衡測點布置表

2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及采樣率

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個熱平衡試驗系統(tǒng)的重要組成部分，此次測試使用T型熱電偶+CSM熱電偶測量模塊+接入HBM公司的e-DAQ可移動式動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀CAN口，如圖3所示。發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷率直接通過同軸電纜從OBD車載診斷口接入數(shù)據(jù)采集儀CAN口即可采集，測試系統(tǒng)搭建方便，數(shù)據(jù)采集高效且準確。e-DAQ數(shù)據(jù)采集儀是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的核心，內(nèi)部整合信號調(diào)理各電路，將熱電偶傳感器測到的非電信號轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過信號的采集、放大、整波、AD數(shù)模轉(zhuǎn)換等調(diào)理處理，可以將計算機不能識別的模擬信號轉(zhuǎn)化為可以識別的數(shù)字信號，并記錄存儲。試驗前需用標定軟件TCE測試系統(tǒng)進行標定調(diào)試。為了便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理和采集精度要求，將T型熱電偶、轉(zhuǎn)速、發(fā)動機負荷率的采樣頻率設(shè)置為5 Hz，必要時也可設(shè)置成其它頻率。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.5 試驗工況設(shè)計

為保證正面吊的熱平衡測試強度和重負荷作業(yè)要求，設(shè)計制定了試驗循環(huán)運行工況圖，如圖4所示，正面吊熱平衡循環(huán)運行順序：

（1）正面吊從A處抓起額定載荷為70%重的集裝箱，以標準載荷運行狀態(tài)沿路徑1退行至X處。

（2）由X處沿路徑2前行并轉(zhuǎn)至B處。

（3）在B處把集裝箱舉升到最大高度，然后降到地面，再把集裝箱載荷上升到運行狀態(tài)。

（4）由B處沿路徑3退行并轉(zhuǎn)至Y處。

（5）由Y處沿路徑4前行并轉(zhuǎn)至A處。

（6）在A處把集裝箱舉升到最大高度，然后降到地面，再把集裝箱載荷上升到運行狀態(tài)。

（1）～（6）為一次循環(huán)，其轉(zhuǎn)彎半徑大小應(yīng)適應(yīng)整機的轉(zhuǎn)向要求，并不間斷的進行操作和運行，過程中要滿足一小時12次的循環(huán)試驗要求[4]。

圖4 試驗循環(huán)運行工況圖

熱平衡試驗中正面吊的循環(huán)次數(shù)n、運行距離L0、起升干高度如表2所示。

表2 測試運行工況表

2.6 試驗時間

試驗時間視各散熱器進口溫升是否達到熱平衡而定，當測試水散進口、變矩器油散進口、液壓油散進口溫度最終曲線平穩(wěn)，波動以及溫差規(guī)律、穩(wěn)定則結(jié)束測試，一般測試時間不小于120 min，圖5為正面吊熱平衡測試現(xiàn)場。

圖5 正面吊熱平衡測試現(xiàn)場

2.7 數(shù)據(jù)取值

考慮到每一個循環(huán)中操作動作的改變和油門的變化各個測點的溫度會有規(guī)律變化，選取數(shù)據(jù)段范圍按照循環(huán)時間的整數(shù)倍取溫度曲線且時間不低于10 min的平均值作為測試數(shù)據(jù)。

2.8 試驗結(jié)果

對該型正面吊進行熱平衡試驗，測試數(shù)據(jù)換算到45℃的環(huán)境溫度下的溫度情況，如表3所示。

表3 測試換算溫度表

從換算之后的測試數(shù)據(jù)可以看出，在45℃的環(huán)境溫度下，水散進口熱平衡溫度低于100℃，液壓油進口熱平衡溫度低于85℃，變矩器油散進口熱平衡溫度小于120℃，空-空中冷散出口溫度低于80℃，橋油散進口溫度小于100℃，各個散熱器的溫度均低設(shè)計值。該型正面吊整機散熱系統(tǒng)取得了預(yù)期的散熱性能滿足設(shè)計要求，能夠適應(yīng)環(huán)境溫度45℃的高溫地區(qū)工況。

3 試驗過程的關(guān)鍵點

3.1 試驗時發(fā)動機更換使用完全打開的節(jié)溫器

節(jié)溫器作為發(fā)動機冷卻水循環(huán)的一個調(diào)節(jié)裝置，在散熱能力能滿足發(fā)動機要求的前提下，通過調(diào)節(jié)節(jié)溫器打開程度控制通過水散和小循環(huán)的冷卻液流量，從而調(diào)節(jié)冷卻液通過水散所傳遞到空氣的熱量，保證發(fā)動機工作時內(nèi)部水溫處于最佳的溫度。因而在導(dǎo)熱量一定的情況下，導(dǎo)熱介質(zhì)的流量與溫差成反比，測試中要使通過散熱器的介質(zhì)流量穩(wěn)定在最大的狀態(tài)下，得到穩(wěn)定的溫差，所以在測試中要使用全打開的節(jié)溫器，但不能拆掉節(jié)溫器。

3.2 試驗時切斷副散熱器風扇溫控線

副散熱器是靠液壓馬達驅(qū)動的，能夠根據(jù)流經(jīng)散熱器油溫高低實時動態(tài)的調(diào)整轉(zhuǎn)速的功能，使液壓油油溫和橋油溫能夠保持在最佳的工作溫度，但是熱平衡測試時是不允許的，在進行熱平衡測試時希望得到設(shè)計的最大散熱能力，就是要把風扇轉(zhuǎn)速固定到最大設(shè)計散熱能力工況時的轉(zhuǎn)速，因此需要切斷風扇溫控線。

4 結(jié)束語

正面吊的散熱系統(tǒng)熱平衡試驗是一項試驗過程比較繁瑣，技術(shù)細節(jié)要求比較高，試驗過程中影響測試精度的技術(shù)點較多。結(jié)合正面吊的使用工況特性研究確定試驗條件，樣機試驗前的處理，制定試驗循環(huán)工況以及對測試數(shù)據(jù)的分析處理等每個測試環(huán)節(jié)的把關(guān)，從而完成散熱系統(tǒng)熱平衡測試，成功驗證了在高溫地區(qū)工況下該型正面吊散熱系統(tǒng)性能能夠滿足設(shè)計要求。