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                液压机械:小型液压挖掘机冷却系统的研究

                2020-07-25 09:03:22

                随着我国经济的发展和现代化的建设速度加快,这几年对小型液压挖掘机的需求量快速增长,小型挖掘机技术上也日臻成熟、完善,而使用工况比较恶劣,由于工作时间长、任务重、作业环境差、粉尘多、温度高、维护保养不到位等原因,致使对挖掘机用柴油机的冷却系统的要求越来越高。液压油缸厂家


                挖掘机的冷却系统的效能取决于其使用条件和各部件的设计与匹配。为了使冷却系统和各部件得到合理匹配,本文分析了冷却系统的结构特征,并从理伦上分析了水温过高的原因,提出了冷却系统的具体改造方案,通过对某小型挖掘机冷却系统的改进,并经过试验证明方案的目标,采用现场测试方法来对冷却系统进行一定的改进来达到系统的要求。


                1、冷却系统的结构特征


                国产某小型液压挖掘机总重量4680kg,标准斗容量0.18m3。该机搭载YANMAR发动机,功率27.1kM,扭矩144Nm,排量2.19L。该挖掘机是21世纪初推出的新产品,具有动力性好,生产效率高的特点,但测试实验中也偶尔出现了发动机水箱温度偏高(俗称开锅)的现象,开始以为是发动机选型的问题,但参考国外其他机型及该发动机的技术资料,通过计算发现该机型的冷却系统散热功率完全满足系统的设计要求。


                该机的冷却系统由发动机水套、水泵、水散热、风扇、液压油散热器,冷却风道及相应的管路等组成,传热介质由水泵驱动,进行强行循环流动。冷却水流所流过的部件|——水泵、发动机水套、水散热器、调温器及管道等,构成了系统的冷却风道,这是世界上应用Z广泛的冷却系统之一。

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                该机采用发动机冷却水散热器(以下简称水箱)与液压油散热器同轴使用一个吸风式风扇,并前置空调冷凝器。空气在经过后备箱的进风口进入挖掘机后,通过液压油散热器才进入水箱,导致水箱器散热器散热表面与气流的温差减小;而两个散热器叠加在一起加大了空气的流动阻力,同时进入水箱散热器表面的空气流量和流速都相应的减少。


                2、水温过高的原因分析


                影响挖掘机散热性能的因素主要有散热器的散热面积、单位时间内散热器的通风量和系统和水循环性能。由于风扇、散热器的散热面积等部件都是固定不变,所以应从改善系统的结构组成以减少风阻、增大进风量等方面进行改进。


                在挖掘机冷却系统设计时,水箱散热器的进水温度,即发动机的出水温tw1,发动机出厂的随机文件中都有明确规定,为已知量;散热器的进气温度,即环境气温的设计计算值ta1,在设计任务书中,也有明确要求,也是已知量。由此,将散热器空气侧的温度效率  ε定义为:


                ε=Δta/( tw1 -ta1)


                式中Δta为空气通过散热器的温升,Δta= ta1- ta2。这样,冷却风量的计算公式就可写成


                Δta=Q/(3600pacp,a)


                式中Q——冷却系统应散走的总热量,kJ/h;


                pa——空气的密度,kg/m3;


                cp,a——空气定压比热容,kJ/(kg•℃);


                tw1——进入散热器的水的温度,℃;


                tw2——进入散热器的空气温度,℃。


                通过对公司式(2)的观察,在其他条件不变的情况下,如果能通过改变结构的方法提高冷却风量qv,a,这样就能改变Δta。在进气温度相同的情况下,随着冷却风量qv,a的提高,通过液压油散热器后空气温度会降低。由此可见,只要进入水箱的空气温度降低,在同样的的条件下,就可以解决开锅问题。


                3、冷却系统改造方案


                散热器是冷却系统的重要部件,散热器与风扇的位置如图1所示,在不改变发动机、风扇、水箱和液压油散热器的情况下,笔者考虑通过以下几个方面来进行改造。


                1)调整风扇叶与水箱之间的相对位置,相对位置的变化必然带来进入液压油散热器风速的变化,通过对测点的风速的测量,确定Z合适的位置。


                2)判断液压油散热器与水箱之间是否允许有间隙。两者之间如果有间隙,从间隙处必然会有空气进入,那么必然增大通过水箱的进风量。通过实验测量测点的风速,确定Z合适的间隙的距离。


                3)调整空调冷凝器的位置,将其向下调整或是向处移出一定的距离。由于散热器主要作用面在散热器的上部,将冷凝器下移或外移,必然会减少风阻,提高进入液压油散热器的冷却风量,对冷却效果有一定的改善作用。通过实验量测量的风速,确定冷凝的位置。


                4)通过对冷却系统的部件的改变,比如更换防护罩、风扇叶、皮带的带轮,甚至是改变液压油箱的大小、液压油散热器、水箱,这样可以提高整个冷却系统的冷却能力,但也会使整机的成本提高。


                当然,我们也可以通过对散热器进行优化设计,提高它的换热系数,降低散热器的风阻,对冷却风道进行一定的改进,比如改善挖掘机后备箱的布置,减少风道的死区,避免风扇附近出现热风回流的现象,对冷却系统的散热能力提高也有一定的效果。


                4、试验检验


                试验在环境温度30℃左右,发动机转速2325r/min下进行。试验时拆下空调冷凝器,图1右图为液压器的正面示意图。风速仪与液压油散热器端面的水平距离为15mm,M点为散热器中心位置,N点为油散热器内侧边缘处,H点为油散热器与水箱缝隙处。


                通过数据我们可以清楚地看出,通过对该机的结构改造后,在测点M、N、H处的风速得到了较大提高,说明我们的改造取得了一定的效果。


                改进前后水箱和液压油散热器的进水(液压油)温度试验数据,由图2、3可以看出,改进后的新机型,在环境温度30℃左右工作达到热平衡时,水箱的进水温度为80℃,比原机降低9℃;液压油散热器的进油温度为80℃,比原机降低6℃。说明通过对新机型结构上的改进,提高了整个冷却系统的冷却能力。在评价冷却系统的散热能力的时候,国外发达国家大多采用了ATB这个指标衡量,在发动机出厂的随机文件中都有ATB的明确标识。所以本文也引用了ATB作为衡量指标,通过查阅该挖掘机型的发动机资料,ATB》=50℃。


                ATB计算公式为


                ATB=(A-B)+C


                式中A为理论上冷却液的沸腾温度(A的取值与散热器水箱盖允许压力有关);B为发动机水箱的进水温度(在节温器全开的情况下);C为在测试时准确的环境温度。


                该挖掘机的水箱压力盖允许压力为0.7atm,此时取A=105℃。原机的ATB=105-89+30=46℃;改造后的ATB=105-80+31=56℃。


                改造后冷却系统的ATB地值增大了10℃;这就等效于在同样的环境温度下,配备新冷却系统的机型其发动机工作温度峰值比原机型降低10℃。通过调整风扇叶与水箱的相对位置、液压油散热器与水箱之间的间隙、空调冷凝器的位置以及更换皮带的带轮改进方案的使用,提高了冷却qv,a,成功的解决了发动机水箱温度过高的问题。


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