輪式裝載機(jī)散熱系統(tǒng)的測試評估方法研究

馮光金，熊倘毫，鐘科軍，賴凡

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司研究總院，廣西柳州545007）

輪式裝載機(jī)散熱系統(tǒng)的測試評估方法研究

馮光金，熊倘毫，鐘科軍，賴凡

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司研究總院，廣西柳州545007）

介紹輪式裝載機(jī)散熱系統(tǒng)的整機(jī)試驗測試評估方法，主要從測試方面進(jìn)行討論，就各散熱器的物理參數(shù)、風(fēng)速分布和低溫性能進(jìn)行針對性的試驗，分析在測試散熱系統(tǒng)可能出現(xiàn)的狀態(tài)，為散熱系統(tǒng)的設(shè)計和改進(jìn)從試驗方面提供必要的支撐，以優(yōu)化散熱系統(tǒng)，更有效的提高散熱系統(tǒng)效率和降低成本。

輪式裝載機(jī)；散熱系統(tǒng)；測試

散熱系統(tǒng)作為工程機(jī)械的重要組成之一，在實際使用中有很重要的作用，既要保證機(jī)械正常工作，又要調(diào)節(jié)各項介質(zhì)使其處于一個最佳的工作溫度，尤其對于輪式裝載機(jī)而言，散熱器多，其包含了水散、液壓油散、變矩器油散、空-空中冷器、空調(diào)冷凝器和燃油散熱器，對于設(shè)計人員而言，如何判定一款新設(shè)計散熱系統(tǒng)是否滿足要求有一定困難。本文分析散熱系統(tǒng)在實際使用中可能存在的風(fēng)險，就從整機(jī)測試方面針對輪式裝載機(jī)散熱系統(tǒng)的評估方法進(jìn)行討論，并提出相應(yīng)的評估方法，為散熱系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化提供支持。

1　評估相關(guān)內(nèi)容

本文主要從散熱器物理參數(shù)、散熱系統(tǒng)風(fēng)速和低溫性能等的可測試方面對散熱系統(tǒng)進(jìn)行評估，通過部分在測試過程中的實際運(yùn)用為散熱系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化提供部分參考和數(shù)據(jù)支持。

1.1散熱性能

作為散熱系統(tǒng)的核心要求，散熱性能是散熱系統(tǒng)的最重要的指標(biāo)，通過在一定條件下進(jìn)行的整機(jī)熱平衡試驗得到各散熱器在當(dāng)前條件下的進(jìn)出口熱平衡溫度，通過計算各散熱器的許用環(huán)境溫度［1］或者在設(shè)計環(huán)境溫度下的平衡溫度來評估散熱器是否滿足設(shè)計要求，有關(guān)于此方面的研究和相關(guān)文章已然有很多，具體方法本文不進(jìn)行深入討論。

1.2散熱器物理參數(shù)

除散熱性能和散熱器廠家提供的風(fēng)洞測試數(shù)據(jù)外，各散熱器的物理參數(shù)對散熱系統(tǒng)在整機(jī)上的使用有很大的影響，其中又以散熱器的阻力最為重要。為了解散熱器的物理參數(shù)，在熱平衡試驗結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行散熱器的物理參數(shù)試驗，主要針對各散熱器在整機(jī)上的流量和進(jìn)出口壓力進(jìn)行試驗，目的是為了解散熱系統(tǒng)是否與設(shè)計值相符。

對于水散而言，在開啟壓力水箱蓋的條件下進(jìn)行物理參數(shù)試驗，得到在發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速下的冷卻液流量和進(jìn)出口壓力，核對流量是否與發(fā)動機(jī)參數(shù)一致。另一重要參數(shù)則是發(fā)動機(jī)進(jìn)口的壓力，如果散熱器阻力過大，則有可能造成發(fā)動機(jī)進(jìn)水管負(fù)壓，使發(fā)動機(jī)水泵吸空，加速發(fā)動機(jī)水泵損壞，因此必須要求發(fā)動機(jī)水泵進(jìn)口壓力在開啟壓力水箱蓋的條件下是高于壓力水箱蓋的開啟負(fù)壓力。例如圖1為一款散熱器在整機(jī)上運(yùn)用的物理參數(shù)測試結(jié)果，由測試數(shù)據(jù)表明此散熱器在發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速的情況下，冷卻液的流量達(dá)到了343 L/min，但是水散進(jìn)口壓力值達(dá)到了-34.9 kPa，已經(jīng)超過了壓力水箱蓋的開啟負(fù)壓力，因此散熱器的阻力稍微偏大，不滿足整機(jī)要求。

圖1　一款散熱器在整機(jī)上運(yùn)用的物理參數(shù)測試

隨著排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，渦輪增壓發(fā)動機(jī)的使用越發(fā)普遍的情況下，空空中冷器對于發(fā)動機(jī)就顯得非常關(guān)鍵。為了滿足排放要求，同時提高發(fā)動機(jī)的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能，每個發(fā)動機(jī)廠家均會對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣壓力提出相應(yīng)的要求，因此空空中冷器的流量和阻力對于發(fā)動機(jī)而言就格外重要，必須要能滿足發(fā)動機(jī)的要求，以利于在保證排放要求的前提下提高發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。

對于液壓油散和變矩器油散，在特定工況下的流量是否與設(shè)計值一致也是散熱器評估的一項重要指標(biāo)，散熱器的阻力和背壓是否匹配合適均會對散熱器的流量及效果產(chǎn)生影響［2］，合適的散熱器應(yīng)該是在系統(tǒng)設(shè)計的背壓下保證有合適的流量，以保證散熱量和減小多余的能量損失，提高整機(jī)的性能。

1.3風(fēng)速分布及風(fēng)阻

散熱系統(tǒng)的另一個重要的性能則是風(fēng)速分布情況。指導(dǎo)散熱器、風(fēng)扇和導(dǎo)風(fēng)罩設(shè)計的資料有很多，但是在設(shè)計完成制造成樣機(jī)后，如何評估散熱系統(tǒng)和后罩甚至車架的匹配是一項很重要的工作，經(jīng)常會看到輪式裝載機(jī)的散熱器上會在某一處（通常是邊角處或中心處）比較容易積灰塵，長時間經(jīng)過油水混合后就會在形成堅硬的泥垢而無法清理，這是很多散熱器散熱性能老化的一種原因，其根本原因就是整套散熱系統(tǒng)的風(fēng)速分布不合理造成了風(fēng)速盲點，在局部形成無風(fēng)或者回風(fēng)的現(xiàn)象，因此在評估一套新散熱系統(tǒng)時，風(fēng)速分布是一項重要的試驗項目，不僅能了解實際的風(fēng)速與設(shè)計的風(fēng)速的偏差，同樣能找出整套散熱系統(tǒng)是否存在風(fēng)速盲點，為系統(tǒng)的改進(jìn)提供進(jìn)一步的參考依據(jù)。

在一種吹風(fēng)式散熱器的風(fēng)速測試中，按照如圖2進(jìn)行風(fēng)速分布測試，得到的在此散熱器和風(fēng)扇布局下的風(fēng)速等值初步分析如圖3所示，由圖3可見在散熱器中心點（與風(fēng)扇旋向有關(guān)）風(fēng)速非常低，成為了風(fēng)速盲點，此測試結(jié)果表明此種風(fēng)扇的風(fēng)速分布不均勻，有進(jìn)一步改進(jìn)的需要。

圖2　一種散熱器整體風(fēng)速試驗情況

圖3　散熱器風(fēng)速數(shù)據(jù)初步分析情況

散熱器風(fēng)阻作為另一個重要的參數(shù)，不僅會影響散熱性能，同時也影響到風(fēng)扇的效率和功率，具體表現(xiàn)為減小風(fēng)阻可以增大散熱器的通過風(fēng)速，提高散熱性能。但由于在整機(jī)上進(jìn)行試驗相對比較困難，因此更多是散熱器廠家在風(fēng)洞里進(jìn)行對比試驗，在此不進(jìn)行深入討論。

1.4低溫性能

在很多輪式裝載機(jī)的散熱系統(tǒng)里，水冷散熱器（通常為變矩器油散）作為一種散熱系統(tǒng)的優(yōu)化選項，不僅可以減少一個風(fēng)冷散熱器，優(yōu)化散熱系統(tǒng)中散熱器的布置，提高散熱系統(tǒng)性能，同時也可以提高散熱系統(tǒng)的維護(hù)性；但在具體實施時，因考慮到一些客戶的操作者不按規(guī)范要求，開機(jī)就進(jìn)行高負(fù)荷作業(yè)，容易造成油溫急劇升溫，高溫可能導(dǎo)致相應(yīng)零部件損壞，因此在布局水冷變矩器油散時必須考慮到低溫環(huán)境下啟動時可能出現(xiàn)的狀態(tài)，將水冷變矩器油散布置在發(fā)動機(jī)小循環(huán)和水泵之間或者獨(dú)立進(jìn)行布置，以避免水冷變矩器出現(xiàn)超溫干燒的情況［3］。在具體的試驗時應(yīng)在低溫環(huán)境和正常節(jié)溫器前提下，啟動之后隨即對變矩器進(jìn)行高負(fù)荷加載，同時采集水散進(jìn)口水溫和變矩器油散進(jìn)出口油溫，獲得在節(jié)溫器開啟前變矩器油散的進(jìn)出口溫度數(shù)據(jù)，在不合適的設(shè)計中就可能出現(xiàn)水冷變矩器油散超溫干燒的情況，因此在實際樣機(jī)上應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)試驗，以避免水冷變矩器出現(xiàn)超溫干燒的風(fēng)險，如圖4所示。

圖4　水冷變矩器油散出現(xiàn)超溫干燒試驗情況

1.5其他方面

除去可測試的項目之外，散熱系統(tǒng)的可維護(hù)性、布置合理性［4］和進(jìn)出風(fēng)側(cè)的熱風(fēng)隔離情況等均對散熱系統(tǒng)在具體使用有一定的影響，由于本文主要針對于測試方面進(jìn)行介紹，因此對于布局方面不進(jìn)行討論。

2　結(jié)束語

輪式裝載機(jī)的散熱系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)是很成熟的一項工作，常規(guī)評估僅以散熱性能為評估對象，本文就在在實際工作中通過測試方法在散熱器物理參數(shù)與整機(jī)的匹配、風(fēng)速和低溫性能方面進(jìn)行了一些討論，介紹了一些從測試方面對散熱系統(tǒng)評估的有效方法，為輪式裝載機(jī)的散熱系統(tǒng)改進(jìn)和提升提供必要的支持試驗，以優(yōu)化散熱系統(tǒng)和更有效地提高散熱系統(tǒng)效率和降低成本。

［1］陳諤聞.冷卻系的選擇和匹配［M］.東風(fēng)汽車股份有限公司柴油發(fā)動機(jī)公司，2001：2-3

［2］［美］W.M.凱斯，A.L.倫敦.緊湊式熱交換器［M］.宣益民，張后雷，譯.北京：科學(xué)出版社，1997.

［3］廖玉懂，王濤，張碧榮，等.水冷變矩器油散在裝載機(jī)散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.工程機(jī)械，2013，44（10）：7-10

［4］張碧榮，王濤，馮光金，等.高溫地區(qū)裝載機(jī)散熱系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計［J］.工程機(jī)械，2013，44（1）：34-37.

Research on Test and Evaluation Method of Heat Dissipation System of Wheel Loader

FENG Guang-jin，XIONG Tang-hao，ZHONG Ke-jun，LAI Fan
（Guangxi Liugong Machinery Research Institute of Limited by Share Ltd.，Liuzhong Guangxi 545007，China）

Introduce a method to estimate the cooling system on wheel loader，test the physical parameter about radiator，cooling wind velocity distribution，cold performance and analysis the bad performance on cooling system that may appear，give some supports for design and improve from test about cooling system，make cooling system more efficient and lower the cost to optimize cooling system.

wheel loader；cooling system；test

TH243

A

1672-545X（2016）08-0216-03

2016-05-16

馮光金（1988-），男，四川人，本科，助理工程師，研究方向：工程機(jī)械測試。