移动作业机械冷却系统的改进设计

谷　操，　董庆丽，　赵迎丰，　芦柯京

(中国北方车辆研究所，北京 100072)



移动作业机械冷却系统的改进设计

谷操，董庆丽，赵迎丰，芦柯京

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

从优化空间布置和降低能耗的角度出发，综合考虑了结构、温度和阻力的相互关系和影响，对某移动作业机械的冷却系统进行了改进设计.试验表明，改进后的系统的热力性能不低于原系统，而重量、体积和能耗等方面均有明显改善.

移动作业机械；冷却系统；散热器

某移动作业机械不仅具有挖掘和推土的功能，还能牵引大吨位的负载.其动力源是康明斯的6CTAA8.3-C240涡轮增压空空中冷发动机，行走部分主要包括变速箱及变矩器，举升翻斗的作业机构为全液压的驱动系统.其冷却系统主要包括水散热器、空空中冷器、变矩器油散热器和液压油散热器4种.冷却风扇采用液压马达方式进行驱动，并具有温控功能.温控策略是以水散热器进口温度、液压油散热器进口温度、变矩器油散热器进口温度和中冷器出口温度为控制点，根据功能及工作状态分析并确定温度控制的优先顺序为水温、液压油温、变矩器油温及中冷器出口温度，通过比例溢流阀对马达转速进行调节，从而控制风扇风量.该移动作业机械对冷却系统的散热需求如表1所示.

表1　移动作业机械的散热需求

续表1

1　原冷却系统的结构形式及性能

原冷却系统位于某移动作业机械尾部，其散热器部件采用了三层串联的方式.以空气流动方向为前后顺序，它们分别是空空中冷器和液压油散热器并列联成一层(两个散热器独立分开，通过螺栓安装连接)，放置在最前面，水散热器独自一层，放置在中间部位，后面是变矩器油散热器独自一层.冷却风扇位于车体内部向各个散热器部件吹风，冷空气依次经过空空中冷器和液压油散热器、水散热器、变矩器油散热器，最后流向车尾外部，其结构原理和布置形式如图1所示，产品如图2所示.

图1　原系统结构原理图

图2　原系统产品图

原冷却系统各部件的相关参数如表2所示.

该系统在作业工况和牵引工况中，其散热能力基本能够满足整个系统的要求.然而在实际使用过程中，产品外形尺寸偏大，安装空间狭小，因此，从优化空间布置和降低能耗的角度出发，对该移动作业机械的冷却系统进行改进设计.

表2　原系统各部件相关参数

2　改进设计

2.1改进设计思路

1)冷却系统各个介质在不同工况下的工作温度不同，要充分考虑如何利用冷却系统中冷却风经过各个散热器的温升梯度，以加强系统的冷却效果.

2)由于移动作业机械的液压系统和变矩器的发热工况不会同时出现最大值，因此可以考虑在满足散热要求的基础上，合理匹配散热器的结构布置和散热裕度.

3)用整体式焊接技术将4个分开独立的散热器设计成两个一体式的结构，减少原系统中空气流动的突扩和突缩次数，降低风阻.在风扇转速不变的情况下产生较多的风量，同时通过优化机构布局可以增加空气侧有效流通面积和传热面积[1].

2.2改进设计方案

根据以上对原冷却系统优化的设计思路，可以对该系统进行结构上的改进，改进方案如下：

1)将改进后的系统设计为两层串联方式，将空空中冷器和液压油散热器并联成一层放置在前方，水散热器和变矩器油散热器并联成一层放置在后方.风扇吹过的空气经过空空中冷器和液压油散热器，再经过水散热器和变矩器油散热器.这样不仅可以降低进入变矩器油散热器的冷空气温度，提升散热效果，而且消除了变矩器油散热器对水散热器的热辐射影响;同时也降低了系统风侧阻力.

2)将空空中冷器和液压油散热器设计成整体式结构，将水散热器和变矩器油散热器设计成整体式结构，这种铝板翅式焊接结构的整体式散热器设计技术在其他多种特种车辆上采用，能够实现增加散热器部件的传热面积、提升散热效果的目的，同时也使系统易于安装和维护保养.

3)因改进后的系统阻力下降，对冷却风扇的需求也发生了变化，在原系统马达不改变的基础上选择新风扇，功率和扭矩将比原系统低.

改进后的系统结构原理图如图3所示，冷却系统产品如图4所示.

图3　改进系统结构原理图

图4　改进系统产品图

通过改进设计，冷却系统各部件的相关参数如表3所示.

表3　改进系统各部件相关参数

3　试验对比验证

将改进后的冷却系统装在移动作业机械上，与装有原冷却系统的移动作业机械在相同时间、相同环境和相同工况下进行试验.在环境温度30 ℃的情况下，两台移动作业机械进行两类工况试验：一是作业工况试验，即在工作现场进行挖土、推土作业；二是牵引工况试验，在公路上牵引30 t的平板车运行.试验中对各个散热器部件的进口或出口温度进行监控和测量.作业工况试验中各个散热器部件的温度图如图5、图6所示，牵引工况试验中各个散热器部件的温度图如图7、图8所示.

图5　原冷却系统作业工况温度图

图6　改进冷却系统作业工况温度图

图7　原冷却系统牵引工况温度图

图8　改进冷却系统牵引工况温度图

经过数据整理，试验结果见表4.

表4　对比试验结果

首先，从表4的试验结果来看，这两种系统的散热能力都能够满足各个部件系统的使用要求，即水散热器的进口温度、中冷器增压空气出气温度、液压油散热器进油温度和变矩器油散热器进油温度符合该移动作业机械对冷却系统的散热需求(见表1).

其次，通过两种系统的温度对比，改进系统的各项试验温度比原冷却系统的略小或者相当，这表明改进系统的热力性能不低于原系统.

再次，改进冷却系统的总重减轻了15.7%、外型尺寸减小了10%，风扇功率降低了16.1%，比原冷却系统都有明显的改善.同时，改进冷却系统的结构也提升了安装和维护保养的方便性.

4　结　论

从优化空间布置和降低能耗的角度出发，综合考虑各个散热部件(包括散热器部件和风扇等)结构、温度和阻力的相互关系和影响，通过整体式焊接等技术对某移动作业机械的冷却系统进行结构和性能上的优化匹配设计.在符合移动作业机械散热需求的基础上，改进冷却系统的热力性能不低于原冷却系统，同时重量减轻了15.7%、外型尺寸减小了10%，风扇功率降低了16.1%，与原冷却系统相比有明显改善.

[1]谷操，姜红霞，芦柯京.某型车辆的散热器产品改进设计分析 [J].车辆与动力技术,2014，(1)：41-43.

Optimized Design for the Cooling System on the Mobile operating machinery

GU Cao,DONG Qing-li,ZHAO Ying-feng,LU Keng-jing

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072,China)

From the perspective of optimizing space layout and reducing energy consumption, the cooling system of a mobile operating machinery is improved by considering the relationship and mutual influence of the structure, temperature and resistance. Experimental results show that the thermal and resistance performance of the improved system is not worse than that of the original system, and the cooling system’s weight, volume and energy consumption have been improved obviously.

mobile operating machinery；cooling system；heat exchanger

1009-4687(2016)01-0051-04

2015-09-03.

谷操，(1969-)，男，研究员，主要研究方向为车辆传热系统技术研究.

U469.79；U464.138+.2

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