工程機(jī)械配套水冷傳動油散熱器的弊端及改進(jìn)措施

智偉，鄭恩華，孔彥軍

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧272073）

0 引言

隨著非道路機(jī)械排放法規(guī)的趨嚴(yán)，發(fā)動機(jī)相應(yīng)地增加了一些對尾氣的機(jī)外凈化技術(shù)，如EGR(發(fā)動機(jī)廢氣再循環(huán)技術(shù))，同時，為了滿足對效率和極限工況的要求，發(fā)動機(jī)的功率也在不斷升高，發(fā)動機(jī)的散熱量也在不斷增加。一般來說，裝載機(jī)發(fā)動機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)每升高一級，散熱量就會增加10%～30%，水散熱器和空-空中冷散熱器的尺寸就需要增加，再考慮液壓油散熱器和傳動油散熱器，它們需要的布置空間就會越大。目前，有些裝載機(jī)廠家為了降低成本，縮小安裝空間，把傳動油散熱器設(shè)計在水散熱器底部，與水散熱器整體連接，傳動油的冷卻通常由發(fā)動機(jī)的冷卻液來冷卻，傳動油散熱器可使用體積較小的板翅式散熱器，但這種散熱方式存在一些弊端，本文經(jīng)過對該散熱結(jié)構(gòu)的裝載機(jī)進(jìn)行測試和數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出改進(jìn)措施，為液力傳動的工程機(jī)械提供可參考的散熱方案。

某型號輪式裝載機(jī)，應(yīng)客戶要求，配套采埃孚WG200的變速箱，該變速箱由液力變矩器和定軸式變速箱組成，特別適配于輪式裝載機(jī)、推土機(jī)、平地機(jī)、叉車等，在整車剛啟動作業(yè)時，裝載機(jī)儀表臺提示傳動油溫度高，并且油溫升高很快。

1 散熱系統(tǒng)的分析

針對上述問題，開展了逐一的原因分析：1）按要求檢查了變速箱的傳動油液位，符合使用要求；2）觀察了變速箱底部吸油管口并無異物堵塞；變速箱精濾器保持清潔，并無堵塞，確保油路暢通；3）換了傳動油油溫傳感器，故障仍未消除，排除了油溫傳感器故障的可能性；4）測量了變矩器出口油溫及溫升時長、冷卻時長，如圖1及表1、表2所示。

圖1 裝載機(jī)在失速工況下傳動油溫升及冷卻耗時

表1 傳動油溫升高耗時表

表2 傳動油冷卻耗時表

通過表1、表2分析，變矩器油溫升高平均速度為0.435 s/℃，要快于變矩器的0.5 s/℃使用要求，而變矩器油冷卻速度為4.32 s/℃，慢于變速箱4 s/℃的要求。ZF推薦使用風(fēng)冷系統(tǒng)，以減少發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)對變速箱的影響。但該傳動油散熱器采用的是發(fā)動機(jī)冷卻液冷卻，且參與發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的節(jié)溫器起始開啟溫度為80 ℃，直到93 ℃完全打開。在此次測試中，根據(jù)儀表顯示的水溫，水溫始終未能達(dá)到節(jié)溫器完全打開的溫度，這將大大影響傳動油的冷卻。

發(fā)動機(jī)冷卻循環(huán)包括小循環(huán)及大循環(huán)，當(dāng)發(fā)動機(jī)剛啟動時，為了能快速加熱發(fā)動機(jī)的機(jī)油，發(fā)動機(jī)出水口處的節(jié)溫器關(guān)閉，冷卻液不經(jīng)過水散熱器直接在發(fā)動機(jī)內(nèi)部循環(huán)。當(dāng)溫度達(dá)到節(jié)溫器的初始開啟溫度（（80±2）℃），一部分冷卻液會流經(jīng)水散熱器，當(dāng)冷卻液溫度繼續(xù)上升，達(dá)到節(jié)溫器的全部開啟溫度（93 ℃）時，冷卻液全部流經(jīng)水散熱器，間接地冷卻傳動油散熱器。如果水冷傳動油散熱器是處在發(fā)動機(jī)冷卻循環(huán)的大循環(huán)中，由于節(jié)溫器未打開，水冷變矩器油散熱器未被冷卻，這將導(dǎo)致變矩器油溫快速升高，并有可能導(dǎo)致變矩器損壞，尤其在冬季或寒冷地區(qū)更是如此。

2 對傳動系統(tǒng)的分析

對散熱器的散熱性能測試之后，仍有必要對傳動系統(tǒng)進(jìn)行測試及分析。先介紹變矩器-變速箱的傳動油路原理：該變速箱與變矩器直接直接固聯(lián)在一起，無聯(lián)軸節(jié)，俗稱“雙變”。變速箱內(nèi)部安裝有內(nèi)置油泵，發(fā)動機(jī)飛輪通過一根獨立的長軸驅(qū)動油泵轉(zhuǎn)動，在距離變速箱底部10 mm處固定有過濾網(wǎng)，防止大顆粒雜質(zhì)吸入油泵中，亦可減弱裝載機(jī)在顛簸時對油液產(chǎn)生的晃動；油泵從箱體底部吸油后，傳動油流經(jīng)油泵后進(jìn)入精濾器（過濾精度為0.025 mm）,精濾器中含有旁通閥，防止精濾器被堵塞后造成變速系統(tǒng)沒油及損壞精濾器。被過濾后的油液經(jīng)過內(nèi)部油道，進(jìn)入固定在箱體上的變速操縱閥，由變速操縱閥上的壓力控制閥將工作壓力調(diào)定為1.6～1.8 MPa后，油路一分為二，一路通過電磁閥進(jìn)入控制換擋閥，另一路通過壓力控制閥進(jìn)入擋位閥，用來控制擋位離合器。壓力控制閥保證變速系統(tǒng)油路的最高工作油壓時，將溢出的傳動油輸入變矩器循環(huán)油路，作為其減速增扭、傳遞能量、轉(zhuǎn)換能量的介質(zhì)。一般采用6#液力傳動油，要求傳動油的最高工作溫度不超過120 ℃，以便具有適宜的黏度和良好的黏-溫特性；由于變矩器內(nèi)部的環(huán)形腔體中分布若干葉片，采用合金鑄鋁成型，為防止液流壓力過大對變矩器葉片及密封件造成損壞，在其進(jìn)、出口處配有安全閥，進(jìn)口處安全閥開啟壓力為0.85 MPa,出口處安全閥開啟壓力為0.50 MPa，保證變矩器內(nèi)腔油液有一定壓力，油液時刻能充滿變矩器內(nèi)腔，防止油液長時間高溫工作對腔體造成氣蝕，降低變矩器效率及縮短變矩器壽命。油液流經(jīng)變矩器，完成能量傳遞及轉(zhuǎn)換，溫度升高，在變矩器出口處將溫度信息通過傳感器顯示在裝載機(jī)操縱臺的儀表上，供操作者判斷變矩器工作是否正常；同時，傳動油通過管路流入傳動油散熱器，借助發(fā)動機(jī)冷卻液的對流冷卻，帶走大部分熱量，保持傳動油溫在80～90 ℃，經(jīng)冷卻后的傳動油流回變速箱，通過內(nèi)置油路對變速箱的齒輪和軸承進(jìn)行潤滑。隨后，通過各處間隙回到變速箱油底殼，完成油液的一次循環(huán)。變速箱液壓原理圖如圖2所示，傳動油散熱器及變矩器油壓測試數(shù)據(jù)如圖3所示，傳動油溫及壓力測試情況如表3所示。

圖2 變速箱液壓原理圖

圖3 傳動油散熱器及變矩器油壓測試數(shù)據(jù)

表3 傳動油溫及壓力測試表

依據(jù)測試數(shù)據(jù)得，變速箱在冷油狀態(tài)下，變矩器入口處壓力為0.93 MPa，高于變速箱安全閥的開啟壓力，安全閥一旦打開，部分油液會直接內(nèi)泄回變速箱油底殼，使?jié)櫥兯傧鋬?nèi)部齒輪、軸承等的油液減少，不利于變速箱的潤滑，傳動油亦會發(fā)熱。傳動油冷卻器的阻力高達(dá)0.50 MPa,說明散熱器和冷卻油管路的阻力過大，高于采埃孚變速箱0.2 MPa的要求，也不利于傳動油散熱器散熱。

3 結(jié)語

1）在為液力機(jī)械式工程機(jī)械匹配散熱器時，要充分考慮到變矩器-變速箱的散熱量，否則會造成傳動油散熱系統(tǒng)的過熱，當(dāng)采用將板翅式傳動油散熱器置于水散熱器的結(jié)構(gòu)時，一定要考慮發(fā)動機(jī)在寒冷地區(qū)剛啟車時，發(fā)動機(jī)節(jié)溫器的開啟溫度等因素，以免發(fā)動機(jī)在進(jìn)行小循環(huán)時，造成傳動油無法及時冷卻，為此，可將傳動油散熱器從冷卻液散熱器中移出，在發(fā)動機(jī)節(jié)溫器處引出循環(huán)水路，將水冷傳動油散熱器引入到發(fā)動機(jī)冷卻循環(huán)的小循環(huán)中，將傳動油散熱器串聯(lián)在發(fā)動機(jī)小循環(huán)回水口至發(fā)動機(jī)進(jìn)水口的管路中，安裝在整機(jī)后部的配重上，這樣不受冷卻液大小循環(huán)的制約（如圖4）。抑或在整車上有適當(dāng)空間時，可以考慮使用風(fēng)冷傳動油散熱器，采用多層散熱器布置，但會導(dǎo)致遠(yuǎn)離風(fēng)扇側(cè)的散熱器風(fēng)阻較大，進(jìn)風(fēng)溫度過高，以及散熱器系統(tǒng)維護(hù)不方便等弊端。

圖4 改進(jìn)后水冷傳動油散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2）要注意傳動油散熱器在下水室時，對發(fā)動機(jī)冷卻液造成較大的流動阻力，冷卻液流動緩慢，且由于下水室的氣體不易排出，會造成造成水泵的氣蝕，縮短水泵的使用壽命及降低水泵的可靠性，影響發(fā)動機(jī)的散熱性能。

3）在設(shè)計傳動油散熱器時，一定要注意減小傳動油散熱器的阻力，否則，會增加變矩器中壓力，造成變矩器為保證安全而開啟安全閥，傳動油內(nèi)泄回變速箱，導(dǎo)致潤滑變速箱的油液減少，使變速箱潤滑不良，影響變速箱的性能；為此，可減小散熱器芯體的部分阻力，換熱面通道的沿程摩擦阻力一般正比于流道的長度，在空間允許的情況下，盡可能增加流道數(shù)量，縮短芯體流道長度。

4）高溫油液在傳入到散熱器時，采用高壓膠管，傳動油的沿程壓力損失與管路長度成正比，針對一些大功率的設(shè)備，整體尺寸較大，管路較長，管路對傳動油的沿程壓力損失在設(shè)計液壓系統(tǒng)時要加以考慮；然后，管路中還會使用一些過渡連接接頭，在選取接頭規(guī)格時，要注意其通道的截面直徑，以及管路的直徑，確保滿足油液對管路的使用要求。

5）在新產(chǎn)品開發(fā)布置散熱器及其管路時，要為散熱器熱平衡測試時安裝各種測試接頭，留出安裝空間，保證接頭易于安裝和拆卸，方便測試。