基于ANSYS 的打磨車機器間散熱優化研究

宋燾，蔣宏斌，劉軍，唐海斌

（寶雞中車時代工程機械有限公司株洲分公司，株洲 湖南 412003）

PGM-48 打磨車是我國于1994 年開始從美國HTT 公司引進的一款48 磨頭打磨車。打磨車的機器間主要由主動力單元（CumminsKTA38 主發動機、KATO 8P6-1500 主發電機、分動箱及液壓泵）、發動機進排氣系統、散熱系統（發動機水冷、液壓油風冷）、油箱（柴油箱、走行液壓油箱、打磨液壓油箱）、車體（構架、蒙皮）等組成。打磨車在作業過程中，機器間溫度會逐步上升伴隨門把手發燙等現象，在炎熱的夏季尤為明顯，這會對打磨車機器間防火和操作安全產生重大影響。

PGM-48 打磨車機器間內、外布置如圖1、圖2。

圖1 PGM-48 打磨車機器間內布置

圖2 PGM-48 打磨車機器間外布置

本文對打磨車機器間作業過程中的熱現象進行理論分析，在此基礎上提出改善散熱的方法，同時，對優化前后的機器間布置進行ANSYS 仿真分析。

1 熱分析理論基礎

在熱分析中，物體與外界的熱量交換主要包括熱傳導、熱對流、熱輻射三種基本方式。

熱傳導可以定義為兩個物體之間或一個物體的不同部分之間，由于溫度梯度而引起的內能的交換。熱傳導遵循付里葉定律：式中，qn為熱流密度（W/m2），k 為導熱系數（W/m2-℃），“-”表示熱量流向溫度降低的方向。

熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對流可以分為兩類：自然對流和強制對流。熱對流用牛頓冷卻方程來描述：qn=h·(TS-TB)，式中，h 為對流換熱系數（或稱膜傳熱系數、給熱系數、膜系數等），TS為固體表面的溫度，TB為周圍流體的溫度。

熱輻射指物體發射電磁能，并被其他物體吸收轉變為熱的熱量交換過程。物體溫度越高，單位時間輻射的熱量越多。熱傳導和熱對流都需要有傳熱介質，而熱輻射無須任何介質。實質上，在真空中的熱輻射效率最高。在工程中通常考慮兩個或兩個以上物體之間的輻射，系統中每個物體同時輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬—波爾茲曼方程來計算：式中，q 為熱流率，ε 為輻射率（黑度），σ 為斯蒂芬—波爾茲曼常數，約為A1為輻射面1 的面積，F12為輻射面1 到輻射面2 的形狀系數，T1為輻射面1 的絕對溫度，T2為輻射面2 的絕對溫度。由上式可以看出，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。

2 打磨車機器間熱源分析

打磨車機器間熱源很多，主要是發動機排氣系統、發動機水散熱系統、走行液壓系統、打磨液壓系統工作時所產生的。打磨車機器間熱量傳遞的三種基本方式，熱傳導、熱對流、熱輻射是并存的。機器間作為整車動力的來源，基本上以這三種方式將熱源熱量傳遞到四周。其中以熱對流、熱傳導作為最主要的傳熱途徑。PGM-48打磨車機器間熱源分析表如表1。

表1 PGM-48 打磨車機器間熱源分析表

一般按經驗整套動力單元總成的機械效率取85%，K38發動機組的額定功率為1000KW，其損失的功率為150KW，損失的能量經發動機排氣、液壓散熱系統后再到機器間空氣中按經驗取1%的傳遞效率，即額定工況下機器間發熱功率為1.5kW。

3 打磨車機器間散熱分析

打磨車機器間是通過（油、水）散熱器冷卻扇由車外向車內注入冷空氣與工作中機器間熱源傳遞、聚集的熱空氣形成對流，沿著機器間兩側百葉窗不斷地排走，以達到熱平衡。

培養兒童獨立的性格并不是一味地要求兒童自己去完成任何事，而要做到：凡是他們自己能夠想的，應當讓他自己想，一時想不起或者不能夠完全想到的，我們可以間接地幫他想；小孩子是好動的，我們應當給他動的東西，要他自己去動，自己去做。以發展兒童的獨立性為前提，兒童的好奇心才能被更好地激發出來。

4 改善打磨車機器間散熱的對策

打磨車機器間雖設有發動機水冷、液壓油風冷兩套散熱系統，但機器間相對來說是個密閉的空間，通過水冷風扇、油冷風扇從機器間外部吸入的冷空氣，經水冷散熱器、油冷散熱器加熱后，像“暖氣”一樣進入機器間內部，這樣通過空氣對流所降低的熱量是有限的。改善機器間溫度高首先要降低從機器間外部吸入冷空氣的溫度，對策有以下兩方面。

4.1 加裝排氣扇，熱源處增強局部散熱

按上述熱源分析知，油、水散熱器冷卻扇帶入機器間的加熱空氣是主要的發熱因素，在兩熱源附近增開兩臺0.75kW的排氣扇即可滿足如圖3 所示（按分析額定工況下機器間發熱功率為1.5kW，兩臺排氣扇即可滿足需求）。

圖3 打磨車機器間加裝排氣扇示意圖

4.2 開設百葉窗，增大通風面積

由于機器間發動機散熱器與走行油散熱器均采用頂部吸風、車側排風散熱形式，機器間在長時間經過散熱器的熱風加熱后，溫度升高較快。通過增加車側百葉窗面積減少車側排風阻力加快機器間氣體流通速度，方案實施過程中只對蒙皮進行切割，對車體梁結構不改動，對車體強度無影響，對車輛運行無安全風險如圖4 所示。

圖4 打磨車機器間增開百葉窗示意圖

5 ANSYS 建模與仿真分析

5.1 打磨車機器間的ANSYS 建模及參數設置

為了便于分析機器間溫度高的原因，將圖1 的PGM-48打磨車機器間內布置進一步簡化，只考慮各部件所占空間體積大小，即可如表2 所示。采用ANASYS 軟件對打磨車機器間建立模型如圖5 所示。

表2 打磨車機器間模型主要部件體積

圖5 打磨車機器間的ANSYS 模型

仿真模型建好后，主要元件模型參數確定如表3 所示。

表3 打磨車機器間模型主要元件參數

5.2 機器間仿真與分析

對機器間熱量分布進行仿真，仿真時間120s，仿真步長設置為0.02s，機器間內熱量分布的仿真結果如圖6 所示。

圖6 打磨車機器間熱量分布模型

由圖6 分析得出，百葉窗以熱源為中心布置，若熱源不集中，可針對熱源分開開百葉窗。以發動機為例，可圍繞發動機最熱部分（包括排氣管）為中心兩側進行開窗。百葉窗越大越有利于通風，在尺寸限制的前提下，若要增加通風面積，建議以熱源為中心，盡量在高度方向增加而不是長度方向加長。百葉窗高度中心線控制在熱源中心線附近，或者稍微偏下，絕不可過高。

5.3 機器間改進后仿真與分析

表4 打磨車機器間模型新增元件參數

對加裝了排氣扇的新模型進行仿真，仿真參數不變，仿真結果如圖7 所示。

圖7 打磨車機器間改進后熱量分布模型

由圖7 分析得出，根據之前經驗，在機器間過熱位置（即通風效果差的區域），可在高溫區安裝強排風風扇，仍然是以熱源為中心布置（一邊一臺），將有效降低機器間外部吸入冷空氣的溫度并加快機器間內部氣體流通速度，從而改善機器間散熱。

6 施工改造及驗證

6.1 百葉窗安裝的現場實施方案

將新增百葉窗從車外裝入蒙皮開孔處，在機器間內部將百葉窗與梁進行焊接，如圖8 所示，電焊實施8～10cm 段焊、30～35cm 均勻布置。

圖8 打磨車機器間增開百葉窗后

6.2 風機安裝的現場實施方案

因為發動機兩側過道寬度約600mm，為減少風機對機器間內部空間的占用，選擇將風機安裝機器間靠走行司機側過道旁，如圖9 所示。

1 車和3 車發動機間各設風機4 臺，按圖9 位置安裝，整車8 臺風機。

圖9 打磨車機器間增加風機后

結合實際選型后的風機功率參數，如表5 及圖10 所示。

圖10 打磨車機器間選用的邊墻風機

表5 打磨車機器間邊墻風機參數

6.3 方案實施驗證

通過先改造打磨車一車機器間（三車暫不改），然后實際試車比對得出，改造后的一車機器間溫度相對三車更低，上述方案能有效降低機器間外部吸入冷空氣的溫度并加快機器間內部氣體流通速度，從而改善機器間散熱。

7 結語

本文對打磨車作業過程中機器間溫度高進行理論和仿真分析，仿真結果與實際情況相符，得出如下結論：以熱源（水冷風扇與油冷風扇附近）為中心布置，靠近熱源兩邊機器間蒙皮上各裝1 臺強排氣扇增強局部散熱，能夠顯著改善打磨車作業過程中機器間散熱。以熱源（水冷風扇與油冷風扇附近）為中心布置，兩邊機器間原百葉窗高度方向靠下部位置再各開設一排百葉窗，能夠增加通風面積，改善機器間散熱。經過現場試驗，按上述方案對原PGM-48 打磨車機器間實施改造后，機器間散熱性能大有提升。