工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

申金星，韓金華，舒領(lǐng)

(1. 工程兵學(xué)院, 江蘇 徐州 221300; 2. 解放軍理工大學(xué), 江蘇 南京 210007；3. 北方自動控制技術(shù)研究所，山西 太原 030006)

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工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

申金星1，韓金華2，舒領(lǐng)3

(1. 工程兵學(xué)院, 江蘇 徐州 221300; 2. 解放軍理工大學(xué), 江蘇 南京 210007；3. 北方自動控制技術(shù)研究所，山西 太原 030006)

摘要：在高原和高寒等極端氣候與自然環(huán)境下，常規(guī)的車輛冷卻系統(tǒng)難以滿足工程機(jī)械車輛的工作需求。因此熱交換和熱平衡技術(shù)應(yīng)用方面的研究顯示日益重要。研究了熱管理技術(shù)及其應(yīng)用，包括系統(tǒng)集成和關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)等。提出了工程機(jī)械的整機(jī)熱平衡技術(shù)方案。以某型軍用推土機(jī)為例，對其原有的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，應(yīng)用復(fù)合式散熱器與熱管理技術(shù)重新設(shè)計(jì)了其冷卻系統(tǒng)。利用FLOWMASTER流體力學(xué)仿真軟件進(jìn)行了原冷卻系統(tǒng)和改進(jìn)后的熱管理系統(tǒng)的性能模擬，結(jié)果表明新系統(tǒng)具有較高的散熱效率和使用良好熱平衡效果。也表明熱管理技術(shù)在軍用和民用工程機(jī)械上都有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng)；熱平衡；熱管理技術(shù)；模擬；工程機(jī)械

0引言

冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)的重要組成部分，冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)在整車設(shè)計(jì)里占有重要的地位。冷卻系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與可靠性直接關(guān)系到整車能否正常運(yùn)行。燃燒產(chǎn)生的熱量必須通過冷卻系統(tǒng)及時散發(fā)出去，才能保證發(fā)動機(jī)各部分工作在合適的溫度范圍內(nèi)，維護(hù)發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；增壓后的進(jìn)氣和用于再循環(huán)的廢氣，一般也需要冷卻才能最大限度的提高發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放水平；冷卻系統(tǒng)的耗能在發(fā)動機(jī)附件中是最高的，冷卻系統(tǒng)也是發(fā)動機(jī)一個主要的噪聲源。工程機(jī)械中需要散熱的部件很多，如發(fā)動機(jī)需要散熱，液壓泵需要散熱，變矩器需要散熱，空調(diào)需要散熱，這些都是要綜合考慮的因素。分析發(fā)動機(jī)在應(yīng)用配套中遇到的問題以及相應(yīng)解決方法，提高工程機(jī)械產(chǎn)品品質(zhì)，是當(dāng)前所面臨的一個十分緊迫的任務(wù)。

傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)一般采用風(fēng)扇定速比驅(qū)動結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由散熱器、風(fēng)扇、節(jié)溫器、水泵及管路組成，但該系統(tǒng)不能同時滿足發(fā)動機(jī)在低速和高速工況的要求。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作在低速大負(fù)荷時，要求冷卻量最大，而此時由于風(fēng)速較低系統(tǒng)的散熱量處于較低的狀態(tài)，因此就會造成冷卻液過熱；在低速小負(fù)荷時散熱量卻偏高，使發(fā)動機(jī)溫度過低?？梢哉J(rèn)為高原裝備持續(xù)高溫，主要是因?yàn)樵诎l(fā)展?jié)M足高機(jī)動性和惡劣環(huán)境條件適應(yīng)性等特殊要求的軍用工程機(jī)械過程中，散熱系統(tǒng)研究和發(fā)展沒有跟上其他技術(shù)發(fā)展的步伐。跟蹤國外的高新技術(shù)，立足我國的實(shí)際情況，研究解決高原工程機(jī)械目前存在的散熱問題，加快工程機(jī)械熱平衡技術(shù)的研究和應(yīng)用，對于提高工程保障能力，促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步等都具有現(xiàn)實(shí)意義。本文將首先在理論上對工程機(jī)械發(fā)動機(jī)的散熱情況及熱平衡影響因素進(jìn)行分析，然后討論在高原上實(shí)現(xiàn)整機(jī)熱平衡的解決方案，最后將某型輪式推土機(jī)為研究對象，分析其在高原地區(qū)發(fā)動機(jī)熱平衡能力不足的原因，結(jié)合發(fā)動機(jī)熱平衡當(dāng)前及未來可能的技術(shù)應(yīng)用，通過計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，提出改善高原軍用工程機(jī)械發(fā)動機(jī)熱平衡能力的技術(shù)措施。

1工程機(jī)械熱平衡技術(shù)研究

1.1　工程機(jī)械散熱不良分析

工程機(jī)械尤其是軍用工程機(jī)械，其散熱問題突出，可以認(rèn)為是幾個方面的原因造成的。

1) 為滿足裝備軍事上高機(jī)動性能要求，軍用工程機(jī)械的功率比大于民用工程機(jī)械20%以上。

以50裝載機(jī)為例，民用機(jī)械為確保其作業(yè)經(jīng)濟(jì)性，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，發(fā)動機(jī)功率不得超過120 kW，而我軍裝備的GJZ112裝載機(jī)發(fā)動機(jī)功率達(dá)到160 kW，發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)中的變矩器的散熱量相應(yīng)增加，裝備的熱負(fù)荷總量增大。

2) 傳統(tǒng)的散熱系統(tǒng)技術(shù)水平低，散熱器效率不高

風(fēng)扇、風(fēng)道、散熱器的匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)受到諸多因素的制約，簡單的采用增大散熱器散熱面積，調(diào)整散熱風(fēng)扇大小的方式達(dá)不到預(yù)期的效果。軍用工程機(jī)械在重載拖平車和爬長坡條件下裝備發(fā)動機(jī)近乎全功率輸出，變矩器低效、大扭矩、發(fā)熱量高，而系統(tǒng)的散熱能力幾乎到了極限，已無法滿足該工況下散熱強(qiáng)度的要求。

3) 是高原環(huán)境條件下空氣密度降低，水的沸點(diǎn)降低等都是機(jī)械系統(tǒng)散熱的不利條件。

4) 變矩器油散熱方式設(shè)計(jì)不十分合理。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想中，風(fēng)扇驅(qū)動是從發(fā)動機(jī)曲軸取力，而散熱器的設(shè)計(jì)一般是以最大扭矩下設(shè)計(jì)、以最大轉(zhuǎn)速下核算，或以最大轉(zhuǎn)速下計(jì)算、以最大扭矩工況核算，因此一般情況下冷卻系統(tǒng)不能同時滿足發(fā)動機(jī)在低速和高速工況的要求。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作在低速大負(fù)荷時，要求冷卻量最大，但是此時由于風(fēng)速較低系統(tǒng)的散熱量處于較低的狀態(tài)，因此就會造成冷卻液過熱；而低速小負(fù)荷時散熱量卻偏高，使發(fā)動機(jī)溫度過低；高速大負(fù)荷條件下，由于相應(yīng)的阻力增加，散熱量偏小使發(fā)動機(jī)過熱。軍用工程機(jī)械由于所要求的散熱量不僅僅是發(fā)動機(jī)功耗損失，而且還有液力變矩器的液壓油、變速箱油及剎車系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等產(chǎn)生的熱量，而散熱風(fēng)扇經(jīng)常處于低速運(yùn)行條件下工作，空氣帶走的熱量是有限的，因此要求散熱器散掉的熱量比車輛散熱器的散熱量要高得多。

1.2　解決熱平衡問題的癥結(jié)分析

針對軍用工程機(jī)械高速下?lián)Q熱量偏低的質(zhì)量問題，一般的解決方法都是將散熱器的散熱量提高。采用這種方法，當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷大時，散熱器可以傳遞出更多的熱量，發(fā)動機(jī)的水溫當(dāng)然就可以降低了。這種方法雖然能夠解決發(fā)動機(jī)在高速、大負(fù)荷下的冷卻問題，但還有一些問題無法解決，同時還會帶來新的問題。

1) 發(fā)動機(jī)從大負(fù)荷突然將至低負(fù)荷時，發(fā)動機(jī)從高轉(zhuǎn)速突降至低轉(zhuǎn)速，如車輛爬坡到坡頂轉(zhuǎn)為走平路時，冷卻水必定“開鍋”，增大散熱器的散熱量也不能解決這一問題。這是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題而造成的問題。傳統(tǒng)的車輛結(jié)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)中風(fēng)扇和水泵的動力都來源于發(fā)動機(jī)曲軸，即風(fēng)扇和水泵的做功多少都是由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速決定的，而冷卻系統(tǒng)的散熱量除了與散熱器的散熱量有關(guān)外，還與風(fēng)量及水流量直接相關(guān)。當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻水溫高時，需要大的散熱量，而此時若發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速往往較低，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速就小、水泵的流量也小，系統(tǒng)的散熱性能當(dāng)然會受到影響；當(dāng)發(fā)動機(jī)從高轉(zhuǎn)速突降至低轉(zhuǎn)速或零轉(zhuǎn)速時，雖然對發(fā)動機(jī)來說需要一段時間的持續(xù)的大散熱量，而此時風(fēng)量和水流量都會突然減小，因此必然會造成“開鍋”。

2) 一味地提高散熱器的散熱量會帶來發(fā)動機(jī)啟動困難、輸出功率下降、油耗增加、汽缸磨損加快等一系列問題。散熱器的散熱量的提高是整體的散熱量加大，即發(fā)動機(jī)高速和低速時散熱量都大，如果高速時散熱器的散熱量滿足要求，低速時散熱量往往就偏大。

3) 對于傳統(tǒng)的管片式散熱器來說，增大散熱量還會帶來體積和質(zhì)量增大的問題。采用雙波浪帶結(jié)構(gòu)也只能解決高速下和大負(fù)荷條件下的冷卻問題，而現(xiàn)有的雙波浪帶結(jié)構(gòu)散熱器其可靠性能否滿足軍用工程機(jī)械的要求還有待驗(yàn)證。

鑒于以上原因，傳統(tǒng)的解決發(fā)動機(jī)冷卻問題的方法實(shí)際上是不可行或不科學(xué)的。

1.3　工程機(jī)械熱管理技術(shù)

1) 熱管理技術(shù)

所謂熱管理技術(shù)，就是從整體角度，統(tǒng)籌發(fā)動機(jī)與整車關(guān)系，對各相關(guān)部件及系統(tǒng)進(jìn)行匹配、優(yōu)化與控制，來有效解決發(fā)動機(jī)過熱問題。不僅部件要好，且部件應(yīng)當(dāng)對特定用途的系統(tǒng)提供最佳總體性能。由過去重視局部問題解決，轉(zhuǎn)向重視從系統(tǒng)角度解決問題，這是觀念上的一個重大轉(zhuǎn)變。熱管理技術(shù)利用系統(tǒng)集成技術(shù)與理念，對熱管理系統(tǒng)零部件及總成進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)與制造，系統(tǒng)化配套。其中電子技術(shù)的應(yīng)用也使發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等由機(jī)械產(chǎn)品變?yōu)榫哂懈吒郊又档臋C(jī)械電子產(chǎn)品。

發(fā)動機(jī)熱管理技術(shù)的應(yīng)用研究主要包括系統(tǒng)集成技術(shù)和關(guān)鍵部件技術(shù)兩個方面。其中熱管理系統(tǒng)集成包括熱管理系統(tǒng)與熱管理對象集成、熱管理系統(tǒng)與整車集成等研究內(nèi)容，是在熱交換器、冷卻風(fēng)扇、水泵等熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵部件研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮熱管理對象及整車布置等要求，進(jìn)行熱管理系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和匹配優(yōu)化。發(fā)動機(jī)熱管理的系統(tǒng)集成，須同時考慮發(fā)動機(jī)、熱管理各子系統(tǒng)，以及發(fā)動機(jī)艙內(nèi)外的相互影響，是一項(xiàng)巨大的系統(tǒng)工程。熱流體分析是發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)和前提。系統(tǒng)集成技術(shù)包括熱流體分析技術(shù)、設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的匹配、優(yōu)化和控制，精密冷卻技術(shù)、可變高溫冷卻、發(fā)動機(jī)艙熱管理等。

2) 熱管理系統(tǒng)集成

熱管理系統(tǒng)集成技術(shù)，是熱管理研究的主要難點(diǎn)和核心關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)工程機(jī)械性能的要求，以及部件/系統(tǒng)使用工況和車用環(huán)境，在熱管理對象熱特性研究的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌熱管理系統(tǒng)與整車、熱管理對象的關(guān)系，設(shè)計(jì)和集成有效的熱管理系統(tǒng)，組織流動與傳熱過程，控制溫度變化范圍、勻化部件溫度水平、控制極限溫度，保證在不同季節(jié)、地區(qū)的各種車用環(huán)境和工況下，工程機(jī)械熱管理滿足要求。熱管理可從功能、能量、控制和硬件等幾個方面進(jìn)行系統(tǒng)集成。

功能集成。功能集成是通過各部件/系統(tǒng)之間共享資源，減少通風(fēng)及各種氣體回路、液體冷卻回路，推薦使用功能組件和標(biāo)準(zhǔn)件，減小硬件的種類和數(shù)量，特別是受時空限制的硬件數(shù)目等，使得系統(tǒng)既滿足動力系統(tǒng)整體熱管理的性能需要，又從各方面消除潛在的功能重復(fù)現(xiàn)象。

能量集成。能量集成是將各種熱能進(jìn)行綜合調(diào)配，盡可能回收廢熱，減小能量浪費(fèi)，提高能量利用效率。

1.4　推土機(jī)熱平衡系統(tǒng)初步方案

基于以上的介紹和分析，如果將軍用工程機(jī)械冷卻系統(tǒng)的控制脫離發(fā)動機(jī)傳動系統(tǒng)，而由水溫、油溫來控制，即將散熱器、風(fēng)扇、節(jié)溫器(或電子溫控開關(guān))、水泵、中冷器等作為一個整體進(jìn)行設(shè)計(jì)和匹配，運(yùn)用“熱管理”的理念，采用高性能的散熱器件，針對裝備的主要熱源—發(fā)動機(jī)冷卻液和變矩器傳動油的溫度實(shí)行目標(biāo)控制，從根本上解決高原軍用工程機(jī)械的熱平衡問題是可能的。

工程機(jī)械熱平衡的初步方案擬采用電控的液力馬達(dá)驅(qū)動的冷卻風(fēng)扇驅(qū)動系統(tǒng)，將風(fēng)扇的驅(qū)動從發(fā)動機(jī)脫離出來，使風(fēng)扇的驅(qū)動由水溫、液力變矩器油溫以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制，在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中將從系統(tǒng)角度考慮。統(tǒng)一設(shè)計(jì)并進(jìn)行統(tǒng)一的性能匹配實(shí)驗(yàn)；在系統(tǒng)中增加必要的液壓馬達(dá)、電子溫控開關(guān)、系統(tǒng)控制器等零部件，同時要對現(xiàn)有的整車安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改進(jìn)。在研究過程中，同時對其他相應(yīng)技術(shù)問題進(jìn)行比較全面的研究和開發(fā)。以下是高原工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)的初步組成和基本原理。

1) 方案的系統(tǒng)組成

如圖1所示，高原軍用工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)將由發(fā)動機(jī)冷卻液散熱器，中冷器散熱器，變矩器傳動油散熱器，冷卻風(fēng)扇，風(fēng)扇液壓馬達(dá)，風(fēng)扇液壓泵，熱管理系統(tǒng)控制模塊，溫度傳感器組成。

圖1　原冷卻系統(tǒng)原理圖

2) 系統(tǒng)的工作原理

軍用工程機(jī)械主要熱源包括:發(fā)動機(jī)冷卻液、發(fā)動機(jī)增壓空-空中冷、變矩器傳動油、液壓油等，為保證有效的散熱，每個熱源的散熱器將熱量直接傳到空氣中。發(fā)動機(jī)冷卻液和變矩器傳動油通過各自的散熱器由風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻達(dá)到散熱的效果，與傳統(tǒng)的形式不同的是，液壓馬達(dá)驅(qū)動的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由控制模塊根據(jù)冷卻后的水溫、油溫的參數(shù)調(diào)整，按造預(yù)先設(shè)計(jì)的程序，電控模塊根據(jù)傳感器的測定溫度，調(diào)整變量泵的供油量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速無級調(diào)整，將溫度控制在合理的范圍內(nèi)，達(dá)到熱管理的目的。根據(jù)高原軍用工程機(jī)械一般使用在海拔4000～5000m的實(shí)際情況,一般發(fā)動機(jī)冷卻液溫度控制在75℃～95℃,變矩器傳動油溫度控制在80℃～95℃,系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境溫度為-40℃～50℃。

2某型推土機(jī)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析

2.1　某型推土機(jī)散熱系統(tǒng)分析

推土機(jī)散熱系統(tǒng)的熱傳遞部件主要有水散熱器、空—空中冷器、油散熱器、風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)罩等。在高原惡劣的環(huán)境下，要求柴油機(jī)散熱系統(tǒng)的散熱能力能夠滿足柴油機(jī)在各種工況下的需要，當(dāng)工況和環(huán)境發(fā)生變化時，仍然能夠保證柴油機(jī)可靠地工作和維持最佳的冷卻水溫度。液壓油散熱器能夠滿足液壓系統(tǒng)各工況的要求，在最惡劣的環(huán)境下維持油溫在正常范圍內(nèi)。液力變矩器也需要得到充分的冷卻?？傊且笊嵯到y(tǒng)散熱性能好，消耗的功率小，啟動后能在短時間內(nèi)達(dá)到正常的工作溫度，拆裝維修方便，使用可靠，壽命長，成本低。

該型軍用推土機(jī)具備牽引重載平板車高速行駛功能，作為高原裝備要求滿足高原環(huán)境使用要求。

熱源主要有三方面構(gòu)成：發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷、變矩器熱負(fù)荷和液壓系統(tǒng)的熱負(fù)荷，風(fēng)扇由發(fā)動機(jī)曲軸直接驅(qū)動。實(shí)際使用中表現(xiàn)的問題主要是發(fā)動機(jī)過熱，尤其在高原環(huán)境更為突出。該機(jī)型的發(fā)動機(jī)選用的是康明斯公司發(fā)動機(jī)，額定功率是168kW。

從系統(tǒng)原理圖中可以看出，該型推土機(jī)散熱系統(tǒng)將變矩器油、液壓系統(tǒng)的熱量都先散到冷卻水中，然后通過水箱散熱器一起散發(fā)出去。這種結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)上相對比較簡單，將散熱都集中到了散熱水箱這一點(diǎn)。在研究車輛冷卻系統(tǒng)熱平衡特性中，為了研究這種散熱系統(tǒng)的散熱效果，在相關(guān)單位的配合下，在推土機(jī)、裝載機(jī)等不同機(jī)型上安裝了不同廠家的散熱水箱在鄭州等地進(jìn)行了試驗(yàn)。經(jīng)過大約半年多的試驗(yàn)研究，得到了各項(xiàng)性能參數(shù)。通過增大風(fēng)扇的功率和散熱水箱的散熱面積等措施，該散熱系統(tǒng)基本上是能夠滿足散熱要求，但是系統(tǒng)過熱的情況依然存在。需要指出的是：這僅僅是對在特定的環(huán)境下采用該種水箱散熱器所進(jìn)行的試驗(yàn)，只能說明在這種特定的環(huán)境下，選用此類散熱水箱是能夠或者不能解決散熱問題。限于試驗(yàn)時間和條件的限制，很多工況下的試驗(yàn)沒有進(jìn)行，尤其是一些具有代表性的惡劣工況。從試驗(yàn)的角度來看，對采用此種原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)能否通過改進(jìn)從根本上解決散熱問題，需要做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

從理論分析的角度，結(jié)合該散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實(shí)際應(yīng)用情況來看，該型推土機(jī)散熱系統(tǒng)還存在過熱問題的根本原因還是在于水熱系統(tǒng)的耦合。這造成變矩器油熱量不能交換到水路系統(tǒng)，變矩器油溫升高，熱負(fù)荷增大，對數(shù)溫差升高，水溫相應(yīng)升高，在假設(shè)水不沸騰的情況下，這是一個不會穩(wěn)定的換熱過程，油溫升高引起的水溫升高的惡性循環(huán)會不停止的繼續(xù)下去。事實(shí)上水溫在102℃報警后，系統(tǒng)會自保護(hù)停止工作，這種狀況在高原狀態(tài)下表現(xiàn)得尤為突出。通過校核計(jì)算，即使提高散熱器面積10倍，散熱系統(tǒng)將還會存在上述問題，不同的是惡性循環(huán)的周期延長而已。

2.2　原散熱系統(tǒng)特點(diǎn)與效果分析

為了研究這種散熱系統(tǒng)的散熱效果，在相關(guān)單位的配合下，在推土機(jī)、裝載機(jī)等不同機(jī)型上安裝了不同廠家的散熱水箱在鄭州等地進(jìn)行了試驗(yàn)。經(jīng)過大約半年多的試驗(yàn)研究，得到了各項(xiàng)性能參數(shù)。通過增大風(fēng)扇的功率和散熱水箱的散熱面積等措施，該散熱系統(tǒng)基本上是能夠滿足散熱要求，但是系統(tǒng)過熱的情況依然存在。需要指出的是：這僅僅是對在特定的環(huán)境下采用該種水箱散熱器所進(jìn)行的試驗(yàn)，只能說明在這種特定的環(huán)境下，選用此類散熱水箱是能夠或者不能解決散熱問題。限于試驗(yàn)時間和條件的限制，很多工況下的試驗(yàn)沒有進(jìn)行，尤其是一些具有代表性的惡劣工況。從試驗(yàn)的角度來看，對采用此種原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)能否通過改進(jìn)從根本上解決散熱問題，需要做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

從理論分析的角度，結(jié)合該散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實(shí)際應(yīng)用情況來看，該型推土機(jī)散熱系統(tǒng)還存在過熱問題的根本原因還是在于水熱系統(tǒng)的耦合。這造成變矩器油熱量不能交換到水路系統(tǒng)，變矩器油溫升高，熱負(fù)荷增大，對數(shù)溫差升高，水溫相應(yīng)升高，在假設(shè)水不沸騰的情況下，這是一個不會穩(wěn)定的換熱過程，油溫升高引起的水溫升高的惡性循環(huán)會不停止的繼續(xù)下去。事實(shí)上水溫在102℃報警后，系統(tǒng)會自保護(hù)停止工作，這種狀況在高原狀態(tài)下表現(xiàn)得尤為突出。通過校核計(jì)算，即使提高散熱器面積10倍，散熱系統(tǒng)將還會存在上述問題，不同的是惡性循環(huán)的周期延長而已。

2.3　散熱系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

要從根本上解決熱平衡問題，運(yùn)用熱管理的思維，采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，是一個較好的選擇。熱管理技術(shù)代表的是一種集成化的思想，目前，各種關(guān)鍵部件在國內(nèi)外基本都有成熟的產(chǎn)品，散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)際上可認(rèn)為是各部件產(chǎn)品的選型設(shè)計(jì)以及相應(yīng)控制策略的制定。

經(jīng)過試驗(yàn)與論證，采用了如圖2所示的復(fù)合散熱器。該散熱器最大的特點(diǎn)就是分離了油水散熱，冷卻水、變矩器油、液壓油都采用各自的散熱器，這是原散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的區(qū)別之一。該散熱系統(tǒng)將水熱解耦、風(fēng)扇由液壓馬達(dá)驅(qū)動，這是結(jié)構(gòu)上的區(qū)別之二。整個散熱系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將遵循從系統(tǒng)角度設(shè)計(jì)的原則和模塊化設(shè)計(jì)思想。改進(jìn)后推土機(jī)冷卻系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖2　復(fù)合散熱器及風(fēng)扇示意

圖3　新冷卻系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)中，風(fēng)扇由液壓馬達(dá)驅(qū)動之后，其轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)無關(guān)。一般采用變量液壓泵，通過改變斜盤的傾角來控制流量，從而控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的目的。水箱冷卻水的溫度、變矩器的油溫和液壓油的溫度是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制的信號。具體在什么情況下，什么溫度下，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速是多少，需要通過仿真分析和實(shí)際應(yīng)用來確定。

2.4　散熱系統(tǒng)的初步評價

經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、散熱系統(tǒng)元器件需要進(jìn)行校核計(jì)算，對散熱系統(tǒng)進(jìn)行初步的評價也是很有必要的。要評價散熱系統(tǒng)的優(yōu)劣，給出能夠反映散熱系統(tǒng)完善程度的量化指標(biāo)是基礎(chǔ)。這些量化指標(biāo)不僅要有科學(xué)性，而且還需要容易理解，能夠準(zhǔn)確方便的測定才行。當(dāng)前關(guān)于這些指標(biāo)雖然相關(guān)研究很多，但還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通常把下列幾項(xiàng)作為一個初步評價的指標(biāo)。

1) 功率系數(shù)

所謂功率系數(shù)是指冷卻風(fēng)扇的驅(qū)動功率與發(fā)動機(jī)額定功率之比，可用下式來表示：

式中：Pc為冷卻風(fēng)扇的驅(qū)動功率，P為發(fā)動機(jī)額定功率，單位都是kW。功率系數(shù)反映的是冷卻風(fēng)扇與散熱器匹配的程度。一般值越小，認(rèn)為匹配的程度越好，因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)消耗的功率越小了。坦克步兵戰(zhàn)車等車輛的散熱系統(tǒng)，其值在0.07~0.15之間。

2) 體積系數(shù)

體積系數(shù)是指發(fā)動機(jī)冷卻水的容積與發(fā)動機(jī)額定功率之比，用下式來表示：

其中：Vw為冷卻水的容量，單位是升；P為發(fā)動機(jī)額定功率，單位是kW。體積系數(shù)是反映水系完善程度的指標(biāo)，對于完善的車輛冷卻系統(tǒng)，它的值在0.1~0.18之間，軍用車輛趨于上限。

3) 有效阻力系數(shù)

有效阻力系數(shù)是散熱器空氣側(cè)的阻力與冷卻風(fēng)道的總阻力之比，阻力實(shí)際上就是壓降，可用下式來表示：

其中，Δpa、Δp分別是散熱器空氣側(cè)的阻力和冷卻風(fēng)道的阻力，對于軍用型冷卻系統(tǒng)，值一般在0.4~0.6之間。

4) 沸騰環(huán)境溫度(ATB)

指的是冷卻水達(dá)到沸騰時環(huán)境溫度，很多國家采用此指標(biāo)來評價冷卻系統(tǒng)的散熱能力。這是一個溫度指標(biāo)，一般軍用車輛取35℃~55℃之間。

當(dāng)然，系統(tǒng)的可靠性、可維修性、可操作性等，也都可以用來定性的評價散熱系統(tǒng)的散熱能力的一些補(bǔ)充。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)校核計(jì)算，冷卻風(fēng)扇在轉(zhuǎn)速為1000r/min時，液壓馬達(dá)的功率為23.7kW，即為冷卻風(fēng)扇的驅(qū)動功率。計(jì)算一下，采用熱管理的概念設(shè)計(jì)的推土機(jī)散熱系統(tǒng)的功率系數(shù)大約為0.14，在基本的范圍之內(nèi)。對于其他的指標(biāo)參數(shù)，一般都在上述范圍之內(nèi)，因此可以初步證實(shí)方案設(shè)計(jì)的合理性。但這只是一個經(jīng)驗(yàn)值，這是在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上給出的一個初步、定性的評價，要全面的評價還要做進(jìn)一步的工作。

當(dāng)前，評價散熱系統(tǒng)的方法有三種。一是野外實(shí)車試驗(yàn)(包括戰(zhàn)場使用)。這是最直接、最簡單的方法，但是周期會比較長，耗資也大，獲得全面的數(shù)據(jù)也有些困難，在某一種工況下，試驗(yàn)的可重復(fù)性差。二是進(jìn)行全系統(tǒng)的臺架模擬試驗(yàn)。這是近些年發(fā)展起來的新技術(shù)，采用這樣的方法評價起來比較全面，量化程度高，準(zhǔn)確可靠，但是對試驗(yàn)設(shè)備的要求十分苛刻。以上兩種方法，共同的一點(diǎn)就是試驗(yàn)都是建立在散熱系統(tǒng)的實(shí)物基礎(chǔ)之上。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第三種方法，計(jì)算機(jī)仿真。在實(shí)物還沒有建立起來之前，先建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和物理模型，借助于現(xiàn)在先進(jìn)的仿真技術(shù)，就能預(yù)先對將要建立的散熱系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的評估，這樣將會大大節(jié)省工程設(shè)計(jì)的時間、經(jīng)費(fèi)等。

2.5　散熱系統(tǒng)的熱平衡仿真分析

針對以上建立的散熱系統(tǒng)模型，在這里選用的是先進(jìn)的FLOWMASTER軟件來進(jìn)行仿真，這是目前眾多計(jì)算機(jī)仿真軟件中對于冷卻系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)十分適用的一款軟件。該軟件是FLOWMASTER International Ltd公司開發(fā)的流體仿真軟件。

1) 散熱系統(tǒng)仿真過程設(shè)計(jì)

仿真設(shè)計(jì)時分別對該型推土機(jī)的原散熱系統(tǒng)和采用熱管理理念進(jìn)行設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。先是建立仿真系統(tǒng)框圖程序。打開FLOWMASTER軟件，建立新文件。仿真框圖程序的建立如同其他仿真軟件一樣，十分方便。根據(jù)圖4，從文件庫中選出相應(yīng)的管道、泵、閥、缸、熱交換器等流體系統(tǒng)常用的元件。在圖4中，可以看到屏幕的左邊有一個一個的器件圖，將之拉入到框圖里面即可?？驁D中包含散熱水箱、雙變油換熱器、液壓油換熱器、冷卻風(fēng)扇、水泵等，按照實(shí)際的原理圖將它們連接起來，輸入個元?dú)饧臄?shù)值，一個仿真程序就建立起來了。箭頭的方向表示數(shù)據(jù)流的走向，相應(yīng)的框圖通過單擊其圖標(biāo)，能夠顯示所包含的程序以及輸入的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行修改。

圖4　原系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)框圖

同理，可以建立改進(jìn)后系統(tǒng)的仿真程序框圖，如圖5所示。

圖5　改進(jìn)后的散熱系統(tǒng)仿真框圖

2) 散熱系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

針對以上的框圖程序，仿真的環(huán)境有三組。一組是海拔100m，45℃環(huán)境下最大扭矩點(diǎn)工況下冷卻水溫度、變矩器油溫度；一組是海拔3700m，29℃環(huán)境下最大扭矩點(diǎn)工況下冷卻水溫度、變矩器油溫度；還有一組是海拔4500m，13℃環(huán)境下最大扭矩點(diǎn)工況下冷卻水溫度。圖6-圖7是推土機(jī)原散熱系統(tǒng)的部分仿真溫度變化曲線。

圖6　海拔100 m，45 ℃環(huán)境最大扭矩點(diǎn)工況冷卻水溫度

圖7　海拔3 700 m，29 ℃環(huán)境最大扭矩點(diǎn)工況冷卻水溫度

從圖6和圖7中可以看出，溫度變化也是一個陡然上升的趨勢，然后漸趨平緩，但是沒有不能穩(wěn)定。從以上的仿真分析可以看出，原散熱系統(tǒng)在適應(yīng)以上三種仿真環(huán)境時，冷卻水和變矩器油溫都是一個上升的趨勢，系統(tǒng)散熱處于一個不斷惡化的狀況，不能有效的保證系統(tǒng)良好的散熱。

圖8-圖9是推土機(jī)改進(jìn)后散熱系統(tǒng)的仿真溫度變化曲線，不僅有不同工況下最大扭矩點(diǎn)的情況，還有額定工況點(diǎn)的情況。

從圖8和圖9中可以看出，在海拔100m，45℃環(huán)境下，從仿真開始到溫度趨于平衡的過程后，額定工況點(diǎn)冷卻水的溫度是77℃，變矩器的溫度在103℃度；溫度變化趨勢也是一個上升的過程，但是經(jīng)過一段時間之后，系統(tǒng)的水溫和變矩器溫度最終趨于一個穩(wěn)定的值。

3結(jié)語

本文的工作表明，將熱管理技術(shù)應(yīng)用于推土機(jī)的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能夠極大改善推土機(jī)的熱平衡特性，提高其在復(fù)雜氣象條件及高原環(huán)境下的工作性能。通過采用FLOWMASTER軟件對對某型軍用推土機(jī)改造前和改造后的散熱系統(tǒng)進(jìn)行建模分析和仿真研究。仿真結(jié)果表明，采用熱管理理念、冷卻風(fēng)扇獨(dú)立驅(qū)動結(jié)構(gòu)的散熱系統(tǒng)，其散熱效果大大好于改造前傳統(tǒng)的散熱系統(tǒng)。因此，將熱管理技術(shù)用于解決高原軍用工程機(jī)械熱平衡問題，技術(shù)上是可行的。所以，運(yùn)用和推廣熱管理技術(shù)，以工程機(jī)械為切入點(diǎn)，開展熱管理技術(shù)及其應(yīng)用的實(shí)用性研究和推廣，提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性，具有相當(dāng)大的戰(zhàn)略意義。

圖8　海拔100 m，45 ℃環(huán)境額定工況點(diǎn)冷卻水溫度

圖9　海拔100 m，45 ℃環(huán)境額定工況點(diǎn)變矩器油溫度

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Design and Analysis of Thermal Management System for Bulldozer

SHEN Jin-xing, HAN Jin-hua, SHU Ling

(1. Engineer Academy of PLA ，Xuzhou 221300,Chins； 2. PLA University of Science and Technology，

NanJing 210007,China ；3. North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006,China)

Abstract:In the extremely cold plateall elimate and natural environment. it is hard to use the conventional cooling system to meet the demands of construction machinery. The study of heat exchanging and equilibrium technology looks to be in importance day by day, this paper studies the thermal management technology and its application in construction machinery including the system integration and key component technologies and proposes the scheme on thermal equilibrium of whole machine for the construction machinery. A bulldozer is taken as an example, and the original cooling system is studied experimentall. The compound heat radiator for its cooling system is redesigned based on thermal management technology. The thermal radiation simulation of the cooing system or thermal management system for the original system and modified system of the machine is accomplished by means of FLOWMASTER application software. The simulation results demonstrate that the modified heat exchanging system presents better heat dissipation efficiency. Therein this thermal management technology is applied to military and civil engineering.

Keywords:cooling system; thermal equilibrium; thermal-management technology; simulation; construction machinery

中圖分類號：TK323

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0196-05

作者簡介：申金星(1988-)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ萄b備保障與作戰(zhàn)應(yīng)用。