大型液壓挖掘機冷卻系統分析與設計計算

劉永杰，解 剛，汪允顯

（徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 2 2 1 0 0 5）

大型液壓挖掘機多使用于環境惡劣、粉塵大、溫度高的露天礦山開采，且長期處于大功率、高轉速、重負荷作業工況下。如果液壓挖掘機的發動機和液壓系統得不到有效的冷卻散熱，將直接影響到機器的經濟性和可靠性。

1 液壓挖掘機冷卻系統分析

液壓挖掘機冷卻系統一般采用發動機機械驅動和液壓馬達驅動冷卻風扇吸風散熱的方式。

1.1 機械驅動

依靠發動機曲軸前端皮帶輪的定傳動比驅動冷卻風扇的機械直驅式吸風散熱方式影響空間結構布局，雖然通過優化散熱器結構設計，改善風扇葉片數量、厚薄度、直徑和角度等措施，能夠在一定程度上提高冷卻系統的散熱效率，但風扇的轉速卻不能夠根據液壓挖掘機冷卻系統的實際散熱需求而靈活自由的改變，這種方式多見于30t級以下中小型液壓挖掘機。

1.2 液壓驅動

液壓驅動冷卻系統工作原理是電子控制器根據溫度傳感器采集的發動機水溫、氣溫和液壓油溫度信號，調節齒輪泵和比例控制閥電流，改變齒輪泵的斜盤擺角來控制泵的排量，進而通過比例控制閥來控制風扇葉片馬達轉速。

1.2.1 液壓馬達獨立驅動

水散熱器和液壓油散熱器并聯后再前置串聯中冷器放置，冷卻風扇布置在散熱器后側并通過液壓馬達驅動吸風散熱。因為擺脫了發動機機械直驅風扇，其結構布置不受到空間限制，風扇轉速也可以根據工況和環境需求而改變。只是，其冷卻形式還是從根本上改變不了水散和油散各自散熱需求，易過冷或過熱。并且，因為其布置方式相當于增加了散熱器芯子厚度，加大了空氣流動阻力，需消耗更多的功率，經濟性較差。考慮到空間結構和成本，該冷卻系統目前只在30～50t級中大型液壓挖掘機上使用。

1.2.2 液壓馬達和機械聯合驅動

水散熱器串聯中冷器后和液壓油散熱器并聯放置，水散熱器通過發動機直驅風扇冷卻，液壓油散熱器單獨依靠葉片馬達驅動風扇冷卻。該組合冷卻系統使液壓油散熱器和冷卻風扇布置不受空間限制，且液壓油散熱器冷卻風扇轉速也可以根據工況和環境需求而自由變化，風扇消耗功率少，經濟性較好。該冷卻系統已在國內市場上的70t級以上大型液壓挖掘機得到大量使用。

1.2.3 液壓馬達完全獨立驅動

水散熱器串聯中冷器后和液壓油散熱器并聯放置，冷卻風扇通過兩組液壓馬達分別驅動。水散熱器、液壓油散熱器和冷卻風扇布置不再受整機空間限制影響，冷卻風扇轉速可以根據工況和環境需求而靈活自由變化。風扇轉速低，噪音小，消耗功率少，經濟性和可靠性好，該冷卻系統也是未來大型液壓挖掘機冷卻系統發展的方向。

2 液壓挖掘機冷卻系統設計計算

大型液壓挖掘機散熱器一般采用鋁合金材質的板翅結構形式，冷卻風扇多采用PVC材質的直葉吸風式軸流風扇。在設計或選用散熱器和風扇時，通常以散入冷卻系統的熱量為原始數據來計算冷卻液循環量、冷卻空氣需求量、液壓油散熱量。

2.1 冷卻系統散熱量

冷卻系統散走的熱量QW，可以采用經驗公式1進行計算

式中 β— 發動機傳給冷卻系統的熱量占燃料總熱能的百分比，取0.18～0.25；

ge— 發動機的燃料消耗率，kg/（k W·h）；

P— 發動機功率，k W；

δ— 燃料的低熱值，k J/kg；κ— 安全系數，選取1.25。

對于液壓挖掘機來說，一般把最大轉速下的額定功率作為冷卻系統的計算工況功率，對最大扭矩的功率僅進行驗算。

2.1.1 冷卻液循環量

根據散入冷卻系統中的熱量，用經驗公式2可以算出冷卻液的循環Vs

式中 ρs—冷卻液的密度，kg/m3；

Cs— 冷卻液的比熱容，k J/(kg·℃）；

Δts—冷卻液在發動機內循環溫升，℃。

當環境溫度超過38℃時，環境溫度每上升6℃，冷卻液散熱量需修正增加1%。

2.1.2 冷卻空氣的需求量

根據散熱器的散熱量，冷卻空氣需求量通常根據經驗公式3計算

式中 ρk—冷卻空氣的密度，kg/m3；

Ck— 空氣的定壓比熱容，k J/（kg·℃）；

Δtk—冷卻空氣進、出散熱器的溫升，℃。

當環境溫度超過38℃時，環境溫度每上升6℃，發動機進氣溫度散熱量需修正增加1.5%。

2.1.3 液壓油散熱量

液壓系統的散熱量Qh可以按照經驗公式4計算

式中 Ph—液壓系統消耗功率k W；

λ—液壓系統效率，選取75%；

ρh—液壓油的密度，kg/m3；

Ch— 液壓油比熱容，k J/（kg·℃）；

Δth—液壓油與空氣的算術平均溫差，℃。

2.2 散熱器的設計

目前，大型液壓挖掘機的散熱器一般使用經濟實用的鋁合金材質，芯部多使用剛度和耐壓高的板翅式結構，其具有制造難度低，質量輕，導熱效率高等優點。選型散熱器設計時，需要考慮外形尺寸和散熱面積Sq，可以按照經驗公式5計算

式中 Ks—散熱器的傳熱系數；

ΔPk—散熱器空氣阻力。通過優化散熱器芯部結構設計，提高散熱器冷卻液的流速和通過散熱器的空氣流速，改善散熱器材質以及焊接制造質量等措施，可以改變傳熱系數Ks和空氣阻力ΔPk這兩項評價散熱器散熱性能的重要參數指標。

2.3 冷卻風扇的設計

目前，大型液壓挖掘機基本上采用直葉吸風式軸流風扇，設計原則是優選噪聲低、效率高的風扇。根據空氣動力學原理，風扇的流量隨著轉速的增大而增大且呈線性關系，消耗功率與轉速成3次方關系。所以應根據發動機和液壓系統的選型配置，散熱器芯子尺寸與結構形式，風扇廠家提供的性能曲線等條件，設計選擇風扇排量Qf、風扇靜壓Pst、風扇轉速Qf、風扇外徑D2、風扇效率ηf、葉片數量z、葉片寬度b、葉片安裝角θ、風扇內徑D1等參數。

選擇和設計冷卻風扇時，為使冷卻空氣順利通過散熱器并且把熱量帶走，主要依據風扇排量Qf和風扇靜壓PSt來確定風扇消耗功率Pw，可以按照經驗公式6計算

式中 Vk—冷卻空氣需求量，按式3計算；

PSt—冷卻風扇靜壓；

ηf— 冷卻風扇效率。

2.3.1 風扇性能曲線

風扇性能曲線是風扇靜壓PSt、風扇軸功率PW、風扇靜壓效率ηf與風扇排量Qf之間的關系曲線，如圖1所示。

圖1 風扇性能曲線

2.3.2 風扇性能工況點

以徐工XE900C液壓挖掘機為例，其采用Cumm ins電控QSK 15發動機，液壓馬達驅動完全獨立散熱方式，風扇外徑1 050mm。根據風扇性能曲線圖1可以看出，隨著空氣流量的不斷增加，系統空氣阻力沿著系統阻力特性曲線上升，直到該曲線與風扇曲線相交，交點即為冷卻系統風扇性能工況點。

對于液壓挖掘機的工況點，應該落在風扇性能曲線高效率和穩定工作區內，以防止冷卻系統吸風量不穩定，形成渦流異常噪音，影響冷卻系統散熱能力和增加發動機功率損耗。

3 結 論

大型液壓挖掘機的冷卻系統是一個相當復雜的系統，對冷卻散熱效果產生影響的因素有很多。只有經過對實際負載工況特點進行嚴格試驗和考核，并不斷的優化改進設計計算和匹配，才能使其擁有良好的經濟性和可靠性。 O

[1] 張 杰．簡述發動機冷卻系統設計及散熱量的計算[J]．裝備制造技術，2004，（2）：21-24．

[2] 劉越琪．汽車冷卻系中風扇的優選方法[J]．南京林業大學學報，2004，（3)：61-63．

[3] 呂 超，王 渠，劉 賓．液壓挖掘機熱平衡試驗分析[J]．建筑機械化，2009，（2）：44-45．

[4] 李亞東，楊 梅，陳柏余．液壓挖掘機獨立散熱控制系統的應用[J].建筑機械，2012（1）：94-97．