挖掘機冷卻系統(tǒng)風量影響因子試驗研究

劉恩亮，許錦錦，宋方真，李建華，呂 磊

（徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

冷卻系統(tǒng)是挖掘機重要的組成部分，在發(fā)動機和液壓介質散熱中起到重要作用。冷卻系統(tǒng)由散熱器、風扇、導風罩和部件之間圍成機艙內部流動空間組成，在冷卻系統(tǒng)中，進入到散熱器的進風量是冷卻性能的關鍵，在相同的條件下，進風量較大時，冷卻系統(tǒng)的散熱能力也會增強。因此，開展挖掘機冷卻系統(tǒng)風量影響因子的規(guī)律研究具有重要意義。

國內外許多研究人員對挖掘機冷卻系統(tǒng)風量進行研究，Dumas L.分析了客車進氣格柵相關參數(shù)如開口面積、位置等對冷卻部件氣流量的影響，通過在散熱器上方增加了擋板導流措施，散熱效率得到提高。Saab S.研究了發(fā)動機艙前端進氣格柵的開口面積對艙內的氣動性能和散熱性能的影響，結果顯示減小進氣格柵開口面積可以減小內流阻力，但對散熱性能產生了負面影響。王曉明利用CFD 方法研究不同進出口對汽車流場的影響，結果顯示汽車前端只有一個進出口的情況下不能滿足發(fā)動機艙內的散熱要求，增加輔助進風口滿足散熱需求。趙新明利用試驗方法建立發(fā)動機艙溫度場可視化圖形，在發(fā)動機艙蓋上增加通向外部的孔，艙內溫度明顯降低。陳義應用三維CFD 和一維KULI 耦合仿真方法對SUV車輛進行機艙內空氣動力學分析，調整了前方進氣格柵進氣區(qū)域的造型，有效增大迎風面的進氣量。目前，雖然CFD 仿真手段已經廣泛應用于工程分析上，但是工程機械車輛模型復雜，在仿真前處理方面的時間成本較大，因此，試驗研究顯現(xiàn)出了較大優(yōu)勢。

本文以某型挖掘機冷卻散熱模塊為對象，使用高精度葉輪測速儀，進行風場試驗，基于統(tǒng)計學的四因素多水平試驗方案，研究不同進風面積、不同進風位置、不同出風面積和不同出風位置下的風量變化情況，并繪制變化趨勢曲線，獲得各因子對風量的影響規(guī)律。

1 風場試驗

1.1 試驗介紹

挖掘機進出口示意圖如圖1 所示，進出風口根據(jù)研究面積大小及位置進行是否封堵或拆卸。空氣路徑為環(huán)境-進風門-機艙-散熱器-風扇-機艙-出風口-環(huán)境，因此在散熱器迎風面安裝葉輪傳感器來獲得風量，如圖2 所示，采用綜合測試系統(tǒng)采集主機采集各測點風速，試驗過程中觀察各測點速度變化曲線，取曲線穩(wěn)定時段的速度值。考慮設備振動問題，在車靜止狀態(tài)，調節(jié)發(fā)動機檔位，進行風場測試。

圖1 挖掘機進出口示意圖

圖2 葉輪傳感器布置

葉輪傳感器25 個，采集頻率7kHz，分辨率≤0.1m/s，誤差不高于±2%，綜合測試系統(tǒng)采集主機是集風速采集模塊、溫度采集模塊和CAN總線采集模塊等模塊于一體的綜合采集設備，配有采集與分析電腦及軟件1 套。

1.2 試驗方案

試驗方案見表1 和表2，其工況設置模型說明見圖1。本文的面積占比為占散熱器迎風面積的比例。

表1 進風面積和進風位置影響的試驗方案

表2 出風面積和出風位置影響的試驗方案

2 影響因子對風量的影響

2.1 風量計算方式

散熱器3 個芯體每個芯體所有測點的平均風速為芯體的進風速度，芯體進風速度與面積乘積為芯體進風量，3 個芯體的風量之和為總風量。以某一工況為例，風量計算方式見表3。

表3 某工況風量計算方式

2.2 進風面積對風量的影響

不同發(fā)動機轉速下的風量與進風面積關系如圖3，橫坐標為進風面積占比，縱坐標是風量百分比，風量百分比是以發(fā)動機轉速為1 750rpm、進風面積占比為85%時的風量為基準進行計算。

圖3 風量與進風面積關系

從圖3 可以看出，當散熱器正前方進風面積增加時，風量增加，進風面積占比在45%～50%后，風量增加變緩。當進風面積占比從26%增至43%時，風量增加10%～13%，增加較大，風量受進風面積影響較大。

2.3 進風位置對風量的影響

不同發(fā)動機轉速下的風量與進風位置關系如圖4，橫坐標為發(fā)動機轉速，縱坐標為風量百分比，進風面積占比26%時，風量百分比是以發(fā)動機轉速為1 750rpm、正前進風時的風量為基準進行計算，進風面積占比50%時，風量百分比是以發(fā)動機轉速為1 750rpm、正前全部進風+上部部分進風時的風量為基準進行計算，見圖4。

圖4 風量與進風面積關系

從圖4 可以看出，小進風面積時，正前方進風的風量比上部進風的風量高10%左右，大進風面積時，正前方進風的風量比上部進風的風量高15%左右，正前方進風效率最高，上部進風效率較低。

2.4 出風位置對風量的影響

不同發(fā)動機轉速下的風量與進風位置關系如圖5，橫坐標為發(fā)動機轉速，縱坐標為風量百分比，風量百分比是以發(fā)動機轉速為1 750rpm、上部出風時的風量為基準進行計算。

圖5 風量與出風位置關系

從圖5 中可以看出，上部出風時進風量最高，底部出風次之，后部出風最小。上部出風時的風量比后部出風高6%左右，出風位置影響相對較小。

2.5 出風面積對風量的影響

由于出風位置的影響相對較小，因此在研究出風面積影響的試驗方案中，采用多位置開孔調整出風面積大小，以使影響因子的范圍變大。不同發(fā)動機轉速下的風量與出風面積關系見圖6，橫坐標為出風面積占比，縱坐標是風量百分比，風量百分比是以發(fā)動機轉速為1 750rpm、出風面積占比為50%時的風量為基準進行計算。

圖6 風量與出風面積關系

從圖6 中可以看出，當出風面積占比增加時，風量增加，在出風面積占比為22%后，風量增加變慢。當出風面積占比從15%增至22%時，風量增加5%左右。因此當出風面積較小時，風量受出風面積的影響較大。

試驗時只統(tǒng)計了形狀規(guī)則并且尺寸較大的出風口面積，對各結構件之間的裝配間隙以及不規(guī)則的小出風口面積進行了忽略，因此挖掘機實際出風面積比統(tǒng)計的出風面積大，當機艙密封很好的機型時，出風面積與散熱器迎風面面積的比值建議增加。

3 結論

本文在挖掘機上進行風場試驗，研究影響因子進風面積、進風位置、出風面積和出風位置對風量的影響，得出如下結論。

1）風量隨進風面積的增加而增加，進風面積占比在45%后，風量增加速度變緩。

2）從不同位置進風時，正前方進風效率最高，上部進風效率較低。

3）風量隨出風面積的增加而增加，出風面積占比在22%后，風量增加速度變緩。

4）從不同位置出風時，上部出風時進風量最高，底部出風次之，后部出風最小。

本文的影響因子試驗研究，為挖掘機冷卻散熱模塊正向設計提供支持，進風面積在允許情況下應取散熱器迎風面積的45%及以上，并盡可能從散熱器正前方進風，出風面積在條件允許情況下應取散熱器迎風面積的22%以上，并盡可能從上部出風。