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乐鱼体育直播在线:【修机】老司机用实例讲解挖掘机柴油机散热装置匹配设计方法

来源:乐鱼体育官网在线 作者:乐鱼体育官网入口 发布时间:2022-08-20 18:25:45
   

  挖掘机广泛采用水冷式柴油机,其散热介质为冷却液。柴油机运转中产生的热量传给冷却液,再通过水散热器将热量散入大气,达到柴油机热平衡。本文介绍挖掘机柴油机散热装置匹配设计方法。并介绍20t级挖掘机散热装置匹配实例。

  柴油机冷却系统主要由储水罐、缸体水套、水泵、水散热器、风扇、水管和温度调节装置等组成。挖掘机生产厂家选配柴油机后,柴油机缸体水套、水泵、温度调节装置均确定,挖掘机生产厂家只需根据其冷却系统散热量选配水散热器、风扇、导流罩等散热装置,并根据柴油机及挖掘机结构确定相关管路。

  挖掘机选配的柴油机,其热效率通常可达30%~40%,其余热量经过各种传热方式传递给柴油机冷却系统。柴油机冷却系统匹配的实质是实现能量平衡,该能量平衡应以柴油机最恶劣工况计算。柴油机最恶劣工况有2种,即最大扭矩工况和额定功率工况。最大扭矩工况时,柴油机转速较低,冷却液压力较低,缸体水套处可能形成气泡,使柴油机出现过热现象。挖掘机作业时,柴油机油门往往最大,并处于额定功率状态。柴油机处于额定功率时,比较符合挖掘机实际作业工况,冷却系统的水散热器、风扇、管路以柴油机应以额定功率作为计算工况。

  根据柴油机额定功率,可以初步计算出单位时间散热装置散发的总热量QW,可采用公式(1)计算。

  式中:QW——散热装置单位时间散热量,kW;Φ——柴油机冷却系统的热量占燃料热量的百分比,取值0.18~0.25;ge——柴油机燃油消耗率,kg/(kW.h);Pe——柴油机功率,kW;hn——燃料热值,柴油取41870kJ/kg。

  由于散热装置工作时受环境、柴油机结构、柴油机安装仓结构、液压系统散热等很多因素的影响,散热装置散发的总热量很难精确计算。在设计之初,为了简化计算,柴油机工作时需要散热装置单位时间散发的总热量QW可按0.65~0.9倍的柴油机额定功率计算。当挖掘机采用直喷燃烧型式和大缸径柴油机时,可以取偏下值。考虑到初始设计时的余量,可取0.7,或参照柴油机参数表给出的测试数值。

  冷却空气的需要量通常根据水散热器的散热量确定,而水散热器的散热量Va通常等于散热装置的散热量,具体计算公式如下:

  根据热平衡理论,计算散热装置所需要的冷却液的散热量VW可按公式(3)计算:

  根据冷却液的循环量、冷却空气通过量,选取几种不同芯片结构水散热器,利用FLUENT流体软件分别模拟分析出各种水散热器导热能力的强弱,通常是模拟温度传导时导热量,即导热系数K,再选取导热系数K的最大值,以此值作为所选水散热器的导热系数K。

  水散热器芯片结构不仅影响水散热器的导热系数K,而且影响空气流动阻力,进而影响风扇消耗的功率。另外由于挖掘机作业环境灰尘较多,容易造成芯子堵塞,会使散热性能大大下降。因此在满足散热量的前提下,应尽量增加散热芯片之间的距离。推荐工程机械水散热器散热芯片之间的距离为2.7~4mm。

  当确定水散热器芯片结构、芯片间距、翅高等参数后,导热系数K受环境温度和水散热器内冷却液压力影响较小,而受冷却风风速的影响较大。但研究结果表明,当风速超过10m/s时,导热系数K的增大很不明显,故在挖掘机初期设计中,通常取风速10m/s。则水散热器迎风面积S可根据冷却空气需求量Va除以风速V计算出来。

  平均温差△T由水散热器进水温度、水散热器出水温度、水散热器进风温度、水散热器出风温度计算或试验得出。

  考虑到经过水散热器各个位置的冷却空气流速不均匀、水散热器芯片还会蒙上尘土,且散热孔容易堵塞等情况,均可使其散热性能有所下降,实际散热面积A0应为1.2~1.3倍的计算散热面积A。

  在散热装置设计中,若挖掘机水散热器、液压油散热器、柴油机中冷器采用叠加结构,上述方法可分别计算出水散热器、液压油散热器和柴油机中冷器各项参数,然后求和,可得挖掘机整机散热器参数。

  根据水散热器的正面尺寸、整机尺寸、风扇与水散热器的相对位置确定水散热器导风罩的直径,从而确定风扇的直径。由于风扇产生的噪声与风扇转速有关,因此风扇叶尖线m/s以下,根据这一要求选择合适的风扇转速及风扇传动机构的传动比。

  挖掘机用柴油机的风扇通常采用轴流式吸风扇,风扇的转速、叶型必须设计合理,并与整机系统阻力相匹配,以使工作点在风量曲线的高效区,同时避开喘振区,如图1所示。图中1为风量曲线为柴油机机罩对风速的阻力曲线为风扇静压效率曲线的交点A为匹配点,该点所对应的风扇风量应满足冷却空气的需要量,而且该交点应位于风扇静压效率较高区域,以使风扇能够稳定工作,远离喘振区。

  风扇安装在导风罩内,风扇导风罩通常固定在柴油机上,其安装结构如图2所示。风扇未进入导风罩的轴向距离A是风扇叶片厚度的1/3~1/2时,散热效果最佳。导风罩与风扇之间的径向间隙B不能大于2.5%的风扇直径,通常取15mm。

  由于气流中障碍物会影响到风扇的性能,风扇相对于柴油机前端面和风扇相对于水散热器芯片的距离对于散热装置的散热能力影响比较大。另外,水散热器芯片、冷却风扇之间的距离与风扇直径有一定的关系。对于吸风式风扇,当其直径大于600mm时,风扇端面与水散热器芯片端面之间的距离应为50~100mm,且在不发生干涉的情况下,尽量取大值。

  水散热器底部的冷却液经水泵加压后通过分水管压送到气缸体水套,再进入气缸盖水套内,冷却液吸收柴油机机体热量后经气缸盖出水孔流回水散热器。水散热器周围的空气由风扇的强力抽吸,空气流由前向后高速通过水散热器,热量不断地散发到大气中去,水散热器内的冷却液得到降温。冷却后的冷却液到水散热器的底部,冷却液如此不断循环,如图3所示。

  根据水冷柴油机冷却液循环特点,确定散热装置的管路数量和走向,根据挖掘机、柴油机、风扇、导风罩结构确定管路长度,根据冷却液的循环量确定管路的直径。根据挖掘机、柴油机、水散热器的位置和间隙,确定补水罐的位置和大小(补水罐的位置应高于水散热器)。

  为了验证挖掘机柴油机散热装置匹配设计方法的准确性,我们运用该方法对某公司20t级挖掘机散热装置进行匹配设计,该挖掘机及柴油机参数如表1所示。

  按照散热装置匹配设计方法计算出柴油机额定功率下水散热器和液压油散热器的各项技术参数,计算结果如表2所示。挖掘机水散热器、液压油散热器布置方式采用并联式。

  根据风扇匹配原理,选择风扇直径为750mm,风扇轮与水泵轮的传动比为0.95,风扇实际转速1850r/min,要求在最佳静压效率区,风扇风量不小于7.58m3/s。风扇风量、静压、静压效率的具体特性如图4所示。

  我们将该散热装置装配在挖掘机样机上进行柴油机热平衡试验,作业工况为挖掘坚实土壤,测试时环境温度为13.5°C。试验时分别在水散热器、液压油、冷却液散热器等处布置温度传感器。测试时待挖掘机各部位温度平衡测试结果如表3所示。

  挖掘机生产标准规定挖掘机工作环境温度极限为45°C,为了与测试标准对比,我们将是测试结果转换为标准规定的温度。从转换结果可知,挖掘机各部位温度均满足标准要求,说明该散热装置匹配合理,散热能力充足。

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