液压挖掘机动力系统热平衡试验研究

胡 鹏

（康明斯（中国）投资有限公司，北京 100102）

液压挖掘机已广泛应用于市政工程、交通运输、水利工程、农田改造、矿山开采以及现代化军事工程等机械化施工之中。

由于使用工况比较恶劣、工作负荷强度高及结构紧凑等特点，对挖掘机性能要求越来越高。而作为其动力系统的核心—发动机性能的好坏，将直接影响挖掘机性能。按照发动机热平衡的规律，发动机冷却系统的散热能力必须与之相匹配，才能使发动机维持在正常的油、水温度范围内安全地工作，冷却系统同时起到为液压系统散热的作用，散热强度非常大[1]。因此研究液压挖掘机的冷却系统热平衡，使发动机在适当的温度范围内工作，对保障液压挖掘机的长时间正常工作至关重要。

本文针对市场上液压挖掘机出现的高温现象，选择常用的21t液压挖掘机作为研究对象，通过理论分析影响散热性能的主要因素，进而提出改进方案——调整风扇和散热器之间的距离，并通过试验验证，证明改进方案可以有效地提高液压挖掘机的散热能力，并且提出了具体的设计指标。

1 研究背景

针对市场上某21t液压挖掘机开展测试工作，验证其在高负载以及高温工作条件下整机冷却系统的散热能力。测试液压挖掘机冷却系统配置情况如下。

1.1 测试工况

目前，我国液压挖掘机行业尚无热平衡试验的国家或行业标准，许多主机厂的热平衡试验都委托发动机生产厂家或发动机供应商来进行[2]。笔者参考国内主流发动机厂商的测试要求，并结合JB/T 6033-92《履带式推土机热平衡性能试验方法》制定了履带式液压挖掘机热平衡性能试验标准，主要内容如下：H模式10档，空调、大灯开，使用全开的节温器，测试时间不小于2h，全负荷工作，挖掘深度为最大挖掘深度的1/2，卸载高度为最大卸载高度的2/3，防冻液加满，液压油加至液压油箱的70%以上（工作装置油缸中含有约20%液压油），燃油量满足工作时间即可，挖掘卸载作业回转90°，每隔5min测量1次水温，直到整机达到热平衡状态（10min内温升不超过±0.5℃）。测量读数时尽可能在机器运行中进行，若在运行中不能测量时，须在停机后发动机转速降低至怠速时测量，测量时间不超过1min。

1.2 测试结果

根据以上工况，针对该款21t液压挖掘机进行热平衡测试，表1为热平衡状态数据经换算后的结果。

表1 热平衡测试结果

从表1的结果可以看出，发动机出水口温度和液压油温度都已经超过主机厂开发时的要求温度。冷却液温度过高将会造成柴油机充气系数的降低，燃烧不完全，输出功率不足，机油变质和烧损，零部件磨损加剧，进而影响发动机可靠性。液压油温度过高将会导致液压油黏度降低，泄漏风险增加，使液压元件产生热变形，影响系统性能。如何降低冷却液和液压油温度是解决液压挖掘机热平衡问题的关键。

2 理论分析

根据能量守恒定律，经过散热器和冷却风和散热器中流动的冷却介质交换热量时，冷却风带走的热量等于冷却介质散失的热量，在单位时间内有以下等式

式中Ca——冷却风的比热容，J/(kg℃)；

Cb——冷却介质的比热容，J/(kg℃)；

ma——单位时间冷却风质量，kg；

Mb——单位时间冷却介质质量，kg；

t1——散热器进风（冷却风）温度，℃；

t2——散热器出风（冷却风）温度，℃；

Ti1——散热器出口（冷却介质）温度，℃；

Ti2——散热器进口（冷却介质）温度，℃。

由式（1）可以看出，若要提高冷却系统散热能力，对于同一冷却系统理论上可以通过以下几种途径实现：①提高冷却介质的比热容；②提高单位时间内冷却介质流量；③提高冷却风的比热容；④提高单位时间冷却风质量；⑤降低散热器进风（冷却风）温度。

冷却风来自大气，比热容无法调整。冷却液和液压油等冷却介质也是确定的，比热容保持不变。由于整机布置的原因，冷却介质的流量受到发动机本体的水泵和液压油泵的影响，也视为保持不变。因此最简单的办法就是提高冷却风质量和降低散热器进风（冷却风）温度。

根据经验，提高冷却系统散热能力可以通过以下措施实现：①提高风扇转速；②增大风扇直径；③调整风扇与散热器芯体之间的距离；④减少风扇叶尖与导风罩的间隙；⑤减少冷却系统本体的阻力[3]。

风扇为发动机直接驱动，速比为0.82，提高转速需要调整发动机本体结构，操作比较困难；同时增加风扇直径将会导致风扇重量变化，风扇连接盘弯矩需要重新匹配计算；减少风扇叶尖与导风罩间隙的方法已经有文献介绍过，并取得良好的试验效果；而减少冷却系统本体阻力需要对内部流场进行CFD综合分析，因此本文仅从解决液压挖掘机使用过程中的问题入手，调整风扇与散热器芯体之间的距离进行试验验证，以确定不同风扇直径下合适的距离，为主机厂设计和售后服务提供改进方案和经验参考。

3 试验验证

在整机其他条件不调整的前提下，仅针对不同风扇到散热器芯体间距进行热平衡测试，不同间距的试验方案如表2所示。由于间距的调整，对风扇沉入值做出了相应的调整以保持和原机一致。

表2 不同间距试验方案

表2不同方案下热平衡测试结果，其中，方案1和方案3都超过限值的要求，故方案2通过测试。

从表3还可以看出，如果以方案2的间距为基准，随着风扇距散热器芯体间距的变大或者变小，均会影响热平衡结果。也就是说，在720mm风扇直径的条件下，风扇距散热器芯体间距在90mm左右是理想方案。

表3 不同方案下热平衡测试结果

表4 不同间距下热平衡测试结果

而风扇距散热器芯体间距小于50mm时，热平衡结果偏差较大，不推荐在设计时低于50mm间距进行布置。间距大于110mm同样会影响散热能力，但是影响的效果要小于50mm间距。即，较大的间距对热平衡的效果要比较小的间距略好。

为了进一步确认具体最佳间距的范围，再次选择了间距为80mm和100mm作为验证，表4为细化间距后验证的结果。从表4中可以看出，80～100mm的间距都满足热平衡要求，即风扇到散热器芯体间距的设计指标为风扇直径的11%～14%之间。

4 结 论

1）风扇到散热器芯体之间的距离和风扇直径有关，不能统一为某一定值。

2）通过试验验证结果可以得到，一般风扇到散热器芯体间距的设计指标为风扇直径的11%～14%之间。

3）风扇到散热器芯体之间的最小距离不能低于50mm。

本研究仅针对售后问题而做出的最简单的处理方式，通过调整风扇到散热器芯体之间的间距的确可以提高液压挖掘机的散热能力，为今后主机厂的设计提供一定的参考。

[参考文献]

[1]蒋丛华.小型液压挖掘机动力系统热平衡研究[D].长沙：中南大学，2007.

[2]吕 超，王 渠，刘 宾.液压挖掘机热平衡试验分析[J].建筑机械化，2009，30(2)：44-45.

[3]徐 威，李会超，夏 炎，等.液压挖掘机冷却系统热平衡改进[J].建筑机械化，2013，(3)：89-90.