某設備動力系統(tǒng)散熱器布置優(yōu)化

葛 巖 孫 余 倪 坤 劉 松

（1.江蘇徐工工程機械研究院有限公司，徐州 221004；徐州徐工基礎工程機械有限公司，徐州 221004）

連續(xù)墻施工設備動力系統(tǒng)由進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、發(fā)動機支撐和傳動部件等組成。本文以設備動力系統(tǒng)散熱器布置形式為研究對象，對已經(jīng)生產(chǎn)的設備進行測試分析。一方面，先分析設備的散熱器流場，借助Fluent 軟件分析該冷卻系統(tǒng)，找出該冷卻系統(tǒng)過熱的原因，并提出改進策略。另一方面，對改進后的結(jié)構(gòu)進行流場分析，以驗證該改進方案的可行性。

1 散熱系統(tǒng)布置形式及散熱能力不足的現(xiàn)象

連續(xù)墻施工設備動力系統(tǒng)布置如圖1 所示，其中冷卻散熱器布置在發(fā)動機前端。該散熱器由水冷散熱器、中冷散熱器及燃油散熱器3 部分組成。散熱器傾斜一定角度布置，留出上方和左側(cè)三角區(qū)域位置吸收外界冷氣，以冷卻散熱器內(nèi)部介質(zhì)，并通過熱量交換，將熱風從發(fā)動機側(cè)的斜下方吹出[1]。改進前的Fluent 仿真分析如圖2 所示。

圖1 散熱器布置結(jié)構(gòu)

圖2 改進前Fluent 仿真分析

產(chǎn)品試制出現(xiàn)散熱能力不足的情況，主要在于夏天施工時散熱器散熱能力不夠。當外界環(huán)境溫度達到35℃及以上時，發(fā)動機水溫超過允許溫度，且中冷散熱器的進氣歧管溫度升高，導致在同樣的增壓壓力下進氣密度不夠，發(fā)生發(fā)動機掉速現(xiàn)象，影響施工進度[2]。

2 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)對散熱系統(tǒng)能力不足的分析

通過計算散熱器額定散熱量，證明散熱器理論設計滿足發(fā)動機的需求，且散熱能力不夠并不是散熱器不匹配的問題。為了量化連續(xù)墻施工設備的散熱能力，并確定該設備的極限工作溫度，對發(fā)動機進行IQA 散熱能力測試，利用仿真分析該問題的根源[3]。

2.1 散熱能力測試

測試時環(huán)境溫度為19.5 ℃，目標使用環(huán)境溫度為46℃。經(jīng)過散熱能力測試，對于水冷散熱器，經(jīng)測試發(fā)動機最高出水溫度為82.3℃，因此極限環(huán)境溫度為100-（82.3-19.5）=37.2℃，而設計目標環(huán)境溫度要求＞46℃，不符合該設備的設計需求，與目標溫度相差8.8℃；對于中冷散熱器，發(fā)動機中冷進氣溫度為62℃，而設計目標為19.5+35=54.5℃，與目標相差62-54.5=7.5℃，設計與環(huán)境溫差為35℃，真實測試溫差為62-19.5=42.5℃。燃油進油溫度54.3℃，折合LAT 為46℃時的燃油溫度為80.8℃，而該設備要求燃油溫度≤71℃，同樣不符合該產(chǎn)品的設計要求，與目標溫度相差9.8℃。

2.2 散熱能力仿真分析

由表1 可知，水冷散熱器、中冷散熱器及燃油散熱器的實際模擬進風量均下降明顯，可見散熱器的進風情況較差。此外，燃油散熱器的風量需求在性能富余范圍之內(nèi)。經(jīng)過模擬，該散熱器具有一定的熱風回流情況，對散熱能力有一定的影響。水冷散熱器和中冷散熱器模擬風量與理論計算風量差距較大。水冷散熱器和中冷散熱器散熱能力降低較多，達到17%～20%的散熱器功率差值。

水冷散熱器和中冷散熱器設計富余量較小，當風量不滿足設計要求時，兩者的散熱能力下降幅度較大。設計環(huán)境溫度為46℃，而水冷散熱器實際允許工作環(huán)境溫度為37.2℃。

因為發(fā)動機進氣歧管降速溫度為80℃，所以中冷散熱器允許環(huán)境溫度為80-42.5=37.5℃。

當環(huán)境溫度升高時，燃油散熱器自身需求的散熱量相對較小，設計富余量較大。當燃油箱內(nèi)部燃油液位較高時，燃油箱自身存在一定的散熱能力，而燃油流量較小，外界環(huán)境溫度的升高對燃油散熱器的影響較小[4]。經(jīng)過仿真與測試結(jié)果的對比，該散熱器仿真結(jié)果與測試結(jié)果基本一致。

3 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的改進及分析

3.1 改進后結(jié)構(gòu)

由圖3 和圖4 可知，連續(xù)墻施工設備散熱性能不足的主要原因是吸風口的進風量不夠、靠近散熱器頂面的吸風面積大和散熱器底面幾乎無風量，影響散熱器性能的發(fā)揮。最簡單有效的改進措施是更換該設備配重，并將散熱器正對的位置開窗，使散熱器整個迎風面都有風進入。

圖3 改進后散熱器布置結(jié)構(gòu)

圖4 改進后Fluent 仿真分析

3.2 改進后仿真分析

由表2 可知，在配重上開洞后，增加了水冷散熱器、中冷散熱器及燃油散熱器的進風面積，使風量都有所增加，且基本滿足散熱器的散熱需求[5]。

表1 改進前模擬結(jié)果分析

表2 改進后模擬結(jié)果分析

4 結(jié)語

依據(jù)連續(xù)墻施工類工程機械結(jié)構(gòu)的設計特點，散熱器位于發(fā)動機前端的情況較多。通過構(gòu)建模型并進行流場分析可知，如果采用類似的布置形式，需要給散熱器留出足夠的進風通道，以充分發(fā)揮散熱器自身的散熱能力。