基于ANSYS 的打磨車(chē)機(jī)器間散熱優(yōu)化研究

宋燾，蔣宏斌，劉軍，唐海斌

（寶雞中車(chē)時(shí)代工程機(jī)械有限公司株洲分公司，株洲 湖南 412003）

PGM-48 打磨車(chē)是我國(guó)于1994 年開(kāi)始從美國(guó)HTT 公司引進(jìn)的一款48 磨頭打磨車(chē)。打磨車(chē)的機(jī)器間主要由主動(dòng)力單元（CumminsKTA38 主發(fā)動(dòng)機(jī)、KATO 8P6-1500 主發(fā)電機(jī)、分動(dòng)箱及液壓泵）、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)水冷、液壓油風(fēng)冷）、油箱（柴油箱、走行液壓油箱、打磨液壓油箱）、車(chē)體（構(gòu)架、蒙皮）等組成。打磨車(chē)在作業(yè)過(guò)程中，機(jī)器間溫度會(huì)逐步上升伴隨門(mén)把手發(fā)燙等現(xiàn)象，在炎熱的夏季尤為明顯，這會(huì)對(duì)打磨車(chē)機(jī)器間防火和操作安全產(chǎn)生重大影響。

PGM-48 打磨車(chē)機(jī)器間內(nèi)、外布置如圖1、圖2。

圖1 PGM-48 打磨車(chē)機(jī)器間內(nèi)布置

圖2 PGM-48 打磨車(chē)機(jī)器間外布置

本文對(duì)打磨車(chē)機(jī)器間作業(yè)過(guò)程中的熱現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，在此基礎(chǔ)上提出改善散熱的方法，同時(shí)，對(duì)優(yōu)化前后的機(jī)器間布置進(jìn)行ANSYS 仿真分析。

1 熱分析理論基礎(chǔ)

在熱分析中，物體與外界的熱量交換主要包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種基本方式。

熱傳導(dǎo)可以定義為兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間，由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循付里葉定律：式中，qn為熱流密度（W/m2），k 為導(dǎo)熱系數(shù)（W/m2-℃），“-”表示熱量流向溫度降低的方向。

熱對(duì)流是指固體的表面與它周?chē)佑|的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對(duì)流可以分為兩類：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來(lái)描述：qn=h·(TS-TB)，式中，h 為對(duì)流換熱系數(shù)（或稱膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等），TS為固體表面的溫度，TB為周?chē)黧w的溫度。

熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過(guò)程。物體溫度越高，單位時(shí)間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無(wú)須任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上，在真空中的熱輻射效率最高。在工程中通常考慮兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬—波爾茲曼方程來(lái)計(jì)算：式中，q 為熱流率，ε 為輻射率（黑度），σ 為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，約為A1為輻射面1 的面積，F(xiàn)12為輻射面1 到輻射面2 的形狀系數(shù)，T1為輻射面1 的絕對(duì)溫度，T2為輻射面2 的絕對(duì)溫度。由上式可以看出，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。

2 打磨車(chē)機(jī)器間熱源分析

打磨車(chē)機(jī)器間熱源很多，主要是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)水散熱系統(tǒng)、走行液壓系統(tǒng)、打磨液壓系統(tǒng)工作時(shí)所產(chǎn)生的。打磨車(chē)機(jī)器間熱量傳遞的三種基本方式，熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射是并存的。機(jī)器間作為整車(chē)動(dòng)力的來(lái)源，基本上以這三種方式將熱源熱量傳遞到四周。其中以熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)作為最主要的傳熱途徑。PGM-48打磨車(chē)機(jī)器間熱源分析表如表1。

表1 PGM-48 打磨車(chē)機(jī)器間熱源分析表

一般按經(jīng)驗(yàn)整套動(dòng)力單元總成的機(jī)械效率取85%，K38發(fā)動(dòng)機(jī)組的額定功率為1000KW，其損失的功率為150KW，損失的能量經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣、液壓散熱系統(tǒng)后再到機(jī)器間空氣中按經(jīng)驗(yàn)取1%的傳遞效率，即額定工況下機(jī)器間發(fā)熱功率為1.5kW。

3 打磨車(chē)機(jī)器間散熱分析

打磨車(chē)機(jī)器間是通過(guò)（油、水）散熱器冷卻扇由車(chē)外向車(chē)內(nèi)注入冷空氣與工作中機(jī)器間熱源傳遞、聚集的熱空氣形成對(duì)流，沿著機(jī)器間兩側(cè)百葉窗不斷地排走，以達(dá)到熱平衡。

培養(yǎng)兒童獨(dú)立的性格并不是一味地要求兒童自己去完成任何事，而要做到：凡是他們自己能夠想的，應(yīng)當(dāng)讓他自己想，一時(shí)想不起或者不能夠完全想到的，我們可以間接地幫他想；小孩子是好動(dòng)的，我們應(yīng)當(dāng)給他動(dòng)的東西，要他自己去動(dòng)，自己去做。以發(fā)展兒童的獨(dú)立性為前提，兒童的好奇心才能被更好地激發(fā)出來(lái)。

4 改善打磨車(chē)機(jī)器間散熱的對(duì)策

打磨車(chē)機(jī)器間雖設(shè)有發(fā)動(dòng)機(jī)水冷、液壓油風(fēng)冷兩套散熱系統(tǒng)，但機(jī)器間相對(duì)來(lái)說(shuō)是個(gè)密閉的空間，通過(guò)水冷風(fēng)扇、油冷風(fēng)扇從機(jī)器間外部吸入的冷空氣，經(jīng)水冷散熱器、油冷散熱器加熱后，像“暖氣”一樣進(jìn)入機(jī)器間內(nèi)部，這樣通過(guò)空氣對(duì)流所降低的熱量是有限的。改善機(jī)器間溫度高首先要降低從機(jī)器間外部吸入冷空氣的溫度，對(duì)策有以下兩方面。

4.1 加裝排氣扇，熱源處增強(qiáng)局部散熱

按上述熱源分析知，油、水散熱器冷卻扇帶入機(jī)器間的加熱空氣是主要的發(fā)熱因素，在兩熱源附近增開(kāi)兩臺(tái)0.75kW的排氣扇即可滿足如圖3 所示（按分析額定工況下機(jī)器間發(fā)熱功率為1.5kW，兩臺(tái)排氣扇即可滿足需求）。

圖3 打磨車(chē)機(jī)器間加裝排氣扇示意圖

4.2 開(kāi)設(shè)百葉窗，增大通風(fēng)面積

由于機(jī)器間發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器與走行油散熱器均采用頂部吸風(fēng)、車(chē)側(cè)排風(fēng)散熱形式，機(jī)器間在長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)過(guò)散熱器的熱風(fēng)加熱后，溫度升高較快。通過(guò)增加車(chē)側(cè)百葉窗面積減少車(chē)側(cè)排風(fēng)阻力加快機(jī)器間氣體流通速度，方案實(shí)施過(guò)程中只對(duì)蒙皮進(jìn)行切割，對(duì)車(chē)體梁結(jié)構(gòu)不改動(dòng)，對(duì)車(chē)體強(qiáng)度無(wú)影響，對(duì)車(chē)輛運(yùn)行無(wú)安全風(fēng)險(xiǎn)如圖4 所示。

圖4 打磨車(chē)機(jī)器間增開(kāi)百葉窗示意圖

5 ANSYS 建模與仿真分析

5.1 打磨車(chē)機(jī)器間的ANSYS 建模及參數(shù)設(shè)置

為了便于分析機(jī)器間溫度高的原因，將圖1 的PGM-48打磨車(chē)機(jī)器間內(nèi)布置進(jìn)一步簡(jiǎn)化，只考慮各部件所占空間體積大小，即可如表2 所示。采用ANASYS 軟件對(duì)打磨車(chē)機(jī)器間建立模型如圖5 所示。

表2 打磨車(chē)機(jī)器間模型主要部件體積

圖5 打磨車(chē)機(jī)器間的ANSYS 模型

仿真模型建好后，主要元件模型參數(shù)確定如表3 所示。

表3 打磨車(chē)機(jī)器間模型主要元件參數(shù)

5.2 機(jī)器間仿真與分析

對(duì)機(jī)器間熱量分布進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間120s，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為0.02s，機(jī)器間內(nèi)熱量分布的仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 打磨車(chē)機(jī)器間熱量分布模型

由圖6 分析得出，百葉窗以熱源為中心布置，若熱源不集中，可針對(duì)熱源分開(kāi)開(kāi)百葉窗。以發(fā)動(dòng)機(jī)為例，可圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)最熱部分（包括排氣管）為中心兩側(cè)進(jìn)行開(kāi)窗。百葉窗越大越有利于通風(fēng)，在尺寸限制的前提下，若要增加通風(fēng)面積，建議以熱源為中心，盡量在高度方向增加而不是長(zhǎng)度方向加長(zhǎng)。百葉窗高度中心線控制在熱源中心線附近，或者稍微偏下，絕不可過(guò)高。

5.3 機(jī)器間改進(jìn)后仿真與分析

表4 打磨車(chē)機(jī)器間模型新增元件參數(shù)

對(duì)加裝了排氣扇的新模型進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)不變，仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7 打磨車(chē)機(jī)器間改進(jìn)后熱量分布模型

由圖7 分析得出，根據(jù)之前經(jīng)驗(yàn)，在機(jī)器間過(guò)熱位置（即通風(fēng)效果差的區(qū)域），可在高溫區(qū)安裝強(qiáng)排風(fēng)風(fēng)扇，仍然是以熱源為中心布置（一邊一臺(tái)），將有效降低機(jī)器間外部吸入冷空氣的溫度并加快機(jī)器間內(nèi)部氣體流通速度，從而改善機(jī)器間散熱。

6 施工改造及驗(yàn)證

6.1 百葉窗安裝的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案

將新增百葉窗從車(chē)外裝入蒙皮開(kāi)孔處，在機(jī)器間內(nèi)部將百葉窗與梁進(jìn)行焊接，如圖8 所示，電焊實(shí)施8～10cm 段焊、30～35cm 均勻布置。

圖8 打磨車(chē)機(jī)器間增開(kāi)百葉窗后

6.2 風(fēng)機(jī)安裝的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案

因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)過(guò)道寬度約600mm，為減少風(fēng)機(jī)對(duì)機(jī)器間內(nèi)部空間的占用，選擇將風(fēng)機(jī)安裝機(jī)器間靠走行司機(jī)側(cè)過(guò)道旁，如圖9 所示。

1 車(chē)和3 車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)間各設(shè)風(fēng)機(jī)4 臺(tái)，按圖9 位置安裝，整車(chē)8 臺(tái)風(fēng)機(jī)。

圖9 打磨車(chē)機(jī)器間增加風(fēng)機(jī)后

結(jié)合實(shí)際選型后的風(fēng)機(jī)功率參數(shù)，如表5 及圖10 所示。

圖10 打磨車(chē)機(jī)器間選用的邊墻風(fēng)機(jī)

表5 打磨車(chē)機(jī)器間邊墻風(fēng)機(jī)參數(shù)

6.3 方案實(shí)施驗(yàn)證

通過(guò)先改造打磨車(chē)一車(chē)機(jī)器間（三車(chē)暫不改），然后實(shí)際試車(chē)比對(duì)得出，改造后的一車(chē)機(jī)器間溫度相對(duì)三車(chē)更低，上述方案能有效降低機(jī)器間外部吸入冷空氣的溫度并加快機(jī)器間內(nèi)部氣體流通速度，從而改善機(jī)器間散熱。

7 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)打磨車(chē)作業(yè)過(guò)程中機(jī)器間溫度高進(jìn)行理論和仿真分析，仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符，得出如下結(jié)論：以熱源（水冷風(fēng)扇與油冷風(fēng)扇附近）為中心布置，靠近熱源兩邊機(jī)器間蒙皮上各裝1 臺(tái)強(qiáng)排氣扇增強(qiáng)局部散熱，能夠顯著改善打磨車(chē)作業(yè)過(guò)程中機(jī)器間散熱。以熱源（水冷風(fēng)扇與油冷風(fēng)扇附近）為中心布置，兩邊機(jī)器間原百葉窗高度方向靠下部位置再各開(kāi)設(shè)一排百葉窗，能夠增加通風(fēng)面積，改善機(jī)器間散熱。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，按上述方案對(duì)原PGM-48 打磨車(chē)機(jī)器間實(shí)施改造后，機(jī)器間散熱性能大有提升。