ZL50型轮式装载机散热系统过热现象试验研究

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1、试验研究试验研究 工程机械第 40 卷 2009 年 2 月由于能源短缺，节能已成为当前工程机械最紧迫的任务之一，开展装载机的节能技术研究已引起行业的重视 。装载机由发动机提供能量完成行驶和工程作业，车辆散热系统的任务是保证各工况下各系统工作温度在合适的范围内，使车辆在合理的热负荷状态下正常工作1-2。装载机散热系统的结构 、组合 、散热特征等均与其它车辆有明显的不同，装载机散热系统的温度特性直接影响着装载机的动力性 、经济性 、可靠性及排放环保性 。由于装载机使用条件恶劣，工况复杂，加上动力舱布置拥挤，散热条件差等3，致使其在炎热夏季时有系统 “过热 ”、“开锅 ”现象，严重影响了装载机正常

2、使用，而一般的解决办法大多是增加风扇转速 、水泵流量 、散热面积等4，但这样又会使风扇驱动功率增加，有些季节还会使系统“过冷 ”，导致能量的浪费 。充分利用柴油机输出能量，提高各系统效率，减小能量浪费，也是装载机节能的有效途径 。本文针对某 ZL50 型轮式装载机，结合散热系统出现 “过热 ”问题的特定情况，在各种典型工况下，对有关系统相应部位进行温度参数和压力参数试验测试，通过对试验数据的分析处理并结合理论计算，对整车能量系统各单元进行量化，得出其能量分布状态，对散热系统 “过热 ”现象及散热能力进行分析，找出过热原因并提出改进措施 。1 发动机能量流分析发动机输出能量来源于柴油的燃烧放热，

3、将化学能转化成机械能由曲轴输出 。曲轴输出能量大部分转化为传动系统的行驶机械能和工作装置作业机械能，部分转化为摩擦产生的热量，即传动系统生热和液压系统生热 。传动系统和液压系统产生的热量一部分由传动系统和液压系统本身散发，另一部分分别通过传动油和液压油带入到传动油散热器和液压油散热器中，实现对流换热 。发动机本身在燃烧过程中只有部分化学能转化成机械能由曲轴输出，部分以热能的形式由冷却水带入到水散热器中，部分由燃烧后的废气直接排放到大气当中，还有一些由机壳散发到空气中，最后部分为残余热量，包括发动机附件（水泵 、风扇及配气机构等）功率消耗 、缸内残余废气所含热量和供油系统功率消耗等 。发动机能量

4、流示意图如图 1 所示 。从图 1 可以看出，整个装载机散热系统的热源包括发动机冷却水散热器 、传动油散热器 、液压油散热器，还包括柴油机机体 、排气系统 、传动系统部件ZL50 型轮式装载机散热系统过热现象试验研究*王雪莲，秦四成，缪 雷，王剑鹏，郑雪松，王开宝（吉林大学机械科学与工程学院）* 基金项目：东北老工业基地振兴项目（发改办工业 20041488 号）!摘 要： 装载机散热系统温度特性直接影响装载机的动力性 、经济性 、可靠性及排放环保性，目前装载机散热系统性能研究已成为热点问题 。针对某 ZL50 型轮式装载机工作过程中出现的 “过热 ”现象，对装载机散热系统进行实车测试，并结合

5、理论计算，给出 ZL50 型轮式装载机工作介质工作温度特性及整车热负荷分布特征，对 “过热 ”现象及散热系统散热能力进行研究 。由分析可知，产生 “过热 ”现象的主要原因是散热系统没有在工作液体（传动油和液压油）规定工作温度范围内将相应系统产生的热量散发到空气中，生热与散热间的热状态不能满足要求，传动系统和液压系统散热能力不足，致使传动油和液压油温度随工作时间一直升高， “过热 ”严重 。进一步的研究目标是在不增加发动机驱动功耗前提下，对影响散热各因素进行理论与试验分析，从结构设计上对散热系统进行改进，提高系统散热效率，为车辆系统节能和智能冷却技术研究奠定基础 。关键词：装载机；散热系统；过热

6、；试验研究14 试验研究试验研究 第 40 卷 2009 年 2 月工程机械图 1 轮式装载机发动机能量流和液压系统部件等，需要冷却空气带走的热量很多 。2 试验方法为使试验符合装载机工作的真实情况，不对装载机做任何改动，通过实车工作进行测试，这样得出的数据符合真实状态 。2.1 试验条件试验对象为 ZL50 型轮式装载机，结合实际应用各工况条件和使用过程中出现过热问题，试验在夏季进行，具体试验工况为：高速行驶工况：发动机处于最大油门，挡位在行驶最高挡，路面状况为水泥路面 。铲土工况：铲装频率 23 s 左右一次，保证每次铲装载荷不低于额定载荷的 90%。铲装物料为沙子 。推土工况：使装载机铲

7、斗中有相当数量的物料，铲斗在地面推着物料行驶，并保证装载机在行驶中轮胎有一定的滑转，每次行驶距离不少于 50m或行驶时间不少于 5min。2.2 试验仪器及原理2.2.1 试验仪器温度测试仪器：热电阻温度传感器 、热电偶温度传感器 、KSL/C- 16XS1V1N型温度巡检仪 。压力测试仪器：压力传感器 、HMG2020 型压力数据记录仪 。2.2.2 试验原理温度传感器测试的温度值传给温度巡检仪，由温度巡检仪记录下温度数据再传给计算机并以数据库的形式存储与显示 。压力传感器测试的压力值传给手持式测量仪，由手持式测量仪将数据导入计算机的 HMGWIN软件中 。同时，监测发动机转速状态 、油门开

8、度及排气温度等 。测试点的选择应尽可能反映散热系统的实际状态 。温度测试点：传动油散热器进 、出口油温，液压油散热器进 、出口油温，水散热器进 、出口水温，发动机水套中水温，风扇与散热器模块的进 、出口空气温度，液压油箱内油温 、传动油箱内油温及环境温度 。压力测试点：液压系统 D32 多路阀进 、出油口压力 、转向液压缸无杆腔油压力 。3 试验结果3.1 工作介质温度特性图 2、图 3 和图 4 分别为由试验得出的发动机温度特性曲线 、散热器进出口温度特性曲线和空气温度特性曲线 。图 2 中装载机运行最初阶段水散热器进 、出口水温及发动机水套中水温均呈上升趋势，待机器处于稳定工作状态后，水温

9、在某一定值附近相对稳定，且各工况水温均在 90以下 。图 3 中装载机不同工况下传动油散热器及液压15 试验研究试验研究 工程机械第 40 卷 2009 年 2 月图 3 散热器进出口油温特性图 2 发动机温度特性油散热器进 、出口油温具有不同的特征 。传动油散热器在推土工况油温波动较大，油温较高，传动油温超过了 110，接近 120，传动系统油温过热 。这是由于推土时液力变矩器输出转矩大 、效率低，长时间工作在低效率区，产生的热量多，传动油温度比其他两种工况高，波动也比其他两种工况明显 。液压油散热器在铲土工况液压油温连续上升，并且升高的速度较快，实测液压油箱温度最大值为 105.3，装载机

10、持续工作 100 min 左右油箱温度就已经超过 100。随着工作时间增加，油温继续上升，不得不停机降温，液压系统过热严重，这是液压系统大负荷高频率循环作业造成的 。高速行驶工况传动油散热器及液压油散热器油温合理，系统工作正常 。图 4 中吹风式风扇进口空气温度受动力舱内空气温度和环境空气温度共同影响，不同工况下的风16 试验研究试验研究 第 40 卷 2009 年 2 月工程机械表 3 曲轴输出能量分配值 kW能量单元 推土工况 高速行驶工况 铲土工况传动系统生热 53.33 19.11 39.41传动系统本身散热 0.8 0.33 0.24传动油散热器散热量 44.79 18.67 31.

11、76传动系统残余热量 7.74 0.11 7.41液压系统生热 10.22 7.74 20.75液压系统本身散热 2.01 6.71 2.19液压油散热器散热量 8.20 1.01 8.47液压系统残余热量 0.01 0.02 10.09有用机械能 98.45 135.15 101.84表 2 发动机燃烧放热量分配值 kW表 1 各温度测试点平均温度值 温度测试点 推土工况 高速行驶工况 铲土工况传动油散热器进口 101.34 86.11 88.74传动油散热器出口 82.19 78.40 80.82液压油散热器进口 79.54 73.62 103.58液压油散热器出口 75.14 71.29

12、 93.44风扇前 47.65 52.83 50.80散热器组件后 87.58 83.82 81.29水散热器进口 85.59 88.8 87.35水散热器出口 77.38 82.8 80.74发动机水套中水温 82.23 85.01 80.56环境温度 28.79 29.70 33.76能量单元 推土工况 高速行驶工况 铲土工况发动机燃烧放热量 453.26 453.26 453.26曲轴输出能 162 162 162冷却水带走热量 113.92 105.179 115.87废气排放热量 155.95 155.65 154.30机壳散热量 1.66 1.72 1.45发动机残余热量 19.7

13、3 28.71 19.64图 4 空气温度特性扇与散热器组件的前后空气温度直接决定着系统散热效果 。推土工况风扇进 、出口空气温差较大，说明推土工况系统产生的热量较多，需要冷却空气散掉的热量较大 。3.2 能量流分布特性如表 1 表 3 所示，表 1 为各工况截取稳定时间段各温度测试点平均温度值 。表 2 为结合试验数据计算得到的发动机燃烧放热量分配值 。图 5 为发动机燃烧放热能量流分布图 。表 3 为结合试验数据计算得到的曲轴输出能量分配值 。图 6 为曲轴输出能量流分布图 。从图 5 中可以看出， 3 种工况发动机燃烧放热量分配特征基本相同，各能量单元所占比重大体相17 试验研究试验研究

14、 工程机械第 40 卷 2009 年 2 月图 7 ZL50 型轮式装载机散热系统图 5 发动机燃烧放热能量流分布图 6 曲轴输出能量流分布当 ,曲轴输出能量占 35%左右，废气带走热量占 34%左右，机壳散发热量微小，冷却水带走热量占 23%25%，残余热量也随之发生变化，表明不同工况下散热系统发动机温度特性直接影响着发动机的燃烧状态与工作性能，进而影响发动机的动力性 、经济性及排放环保性 。从图 6 中可以看出，在曲轴输出能量一定条件下， 3种工况装载机完成的有用机械能所占比例不同，推土工况传动油散热器散热占 27.65%，传动系统残余热量占 4.78%，致使传动油过热；铲土工况液压油散热

15、器散热比例不高，占 5.23%，液压系统残余热量比例过大，占 6.23%，致使液压油过热 。高速行驶工况系统散热特性基本合理 。传动系统和液压系统本身散热量所占比例均很小，表明相应散热器是系统散热的主要环节 。3.3 过热现象分析装载机散热系统的功用，就是把发动机系统 、传动系统和液压系统等所产生的工作热量，及时有效地散发到周围空气中，使发动机系统 、传动系统和液压系统处于可靠和有效的工作热状态 。本文研究的 ZL50 型装载机散热系统结构简图如图 7 所示，由水散热器和油散热器组成，其中水散热器和油散热器紧靠，且布置为两层，水散热器为管片式，油散热器为板翅式，三分之二布置为传动油散热器，三分之一布置为液压油散热器，散热系统通过 1个吹风式风扇冷却，冷却风先扫过发动机等部件，然后通过风扇 、水散热器 、油散热器流到周围环境中，完成热交换 。由试验结果可以看出， 3 种工况发动机冷却水温度均在 90以下，并处于平稳变化状态，说明水18 试验研究试验研究 第 40 卷 2009 年 2 月工程机械散热器工作正常，可以达到对发动机的冷却效果 。传动油最高温度发生在推土工况为 117.5，已接近120，由图 6 可知，推土工况和铲土工况传动系统有大量热量残留无法散出，继续工