电传动推土机热管理系统CFD 仿真分析

梅娜，纪嘉树，李嘉颀，陈皓，闫伟

（1.250011 山东省 济南市 山东大学 能源与动力工程学院；2.300300 天津市 中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司）

0 引言

面对高标准的排放要求，传统的推土机在节能、减排方面仍然存在一些技术难题尚未攻克。电传动推土机更加环保，更加节能，可以缓解随着排放法规的不断更新、推土机生产企业所面临的节能减排压力。推土机是典型的循环式作业机械，工作环境比较恶劣，负荷随作业工况波动范围较大[1]、频度较高，且整体散热能力差，导致其长时间处于高温状态，有效的热管理系统能够提高电传动推土机的使用寿命，提高能源的利用率。

目前，国内如山推、徐工、三一重工、柳工等相继研制出具有节能减排效果的电传动工程机械样机。对工程机械行业而言，热管理技术仍需深入研究。宁源源[2]以山推 SD24E 型推土机为原型，搭建某电传动推土机MATLAB/simulink 模型，通过仿真分析优化该推土机的能量管理策略，提高了整机的燃油经济性；胡爱斌[3]对D320E 型履带推土机进行仿真分析，得出最大负载工况，在最大负载工况下对电传动系统进行分析，提出对电动机选型的改进建议；ENGBROKS[4]等考虑在低温工况下某插电式混合动力汽车的暖机过程，优化热管理系统控制策略，使热管理系统在保证发动机高效安全运行的同时，给乘员舱提供足够热量；李美静[5]在KULI 软件中搭建了某电动汽车整车热管理系统一维仿真模型，提出风扇转速和压缩机转速的智能控制策略，并对控制策略的有效性进行了验证；SHEN[6]等针对高温和高速工况设计了一种新型电动汽车电池热管理系统，搭建了某新能源汽车电池-空调热管理系统耦合模型，通过机舱优先控制策略和串联系统配置，提高了热管理系统的散热性能。

本文对电传动推土机热管理系统关键零部件进行参数化建模，搭建一维热管理仿真模型，建立某电传动推土机热管理系统正向设计方案。将相应部件的试验数据输入仿真模型，确定散热性能最佳的动力系统布置形式，并提出了当该电传动推土机处于高温工况下，为保证推土机的安全高效运行，对该电传动推土机热管理系统的改进方案。

1 构建电传动推土机热管理系统仿真模型

1.1 电传动推土机热管理系统介绍

电传动推土机热管理系统是一个多因素耦合作用的系统[7]，其中温度是影响系统寿命和性能的核心因素。电机和液力总成的温度对动力系统性能有很大影响，且推土机作业对象主要为较坚硬的土方石块等，难以预测的土壤结构使得作业条件比较恶劣[8]，电机及其控制器的热负荷比较大。液压系统过热即液压油工作温度过高,会直接影响系统及组件的动力性、可靠性以及机械作业效率。为防止电机过热，液压油温度过高，需要具备一套合理的热管理系统对动力系统和液压系统进行及时高效的冷却，保证电传动推土机处于安全可靠的运行状态。

1.2 热管理系统流动传热原理

（1）散热器换热量计算：

散热器液侧流动公式：

式中：ΔP——散热器进出口压降；K——流动阻力系数；ρcool——冷却液密度；vcool——流经散热器的冷却液平均流速。

散热器空气侧流动公式：

式中：Qv——散热器外侧空气体积流量；Arad——散热器迎风面积；vair——流经散热器空气平均流速。

散热器气-液热交换公式：

式中：Qrad——散热器换热量；A——散热器内部热交换面积；U——对流换热系数；Tin——散热器进口冷却液温度；Tout——散热器出口冷却液温度。

（2）散热系统冷却液循环量：

式中：Qw——散热系统散热量；Vw——冷却液循环流量；Tw——冷却液在电机系统进出口的温升；cpw——冷却液定压比热；γw——冷却液的比重。

（3）散热系统需求风量：

式中：Qw——散热系统散热量；Ta——空气进入散热器前后的温差；cpa——空气的定压比热；ρa——空气密度。

1.3 电传动推土机热管理系统CFD 仿真的边界条件设定

所设计的某电传动推土机热管理系统主要包括电机散热器、油散热器、电机、电机控制器、电子水泵、油泵、电子风扇等部件，包括2 个驱动电机、1 个液压电机和3 个电机控制器。电机及液力总成热管理系统主要由动力系统冷却回路和液压系统冷却回路2 个循环回路组成。

由电子水泵带动冷却液通过电机散热器对动力系统降温，油泵带动液压油通过油散热器对液压系统进行降温。冷却风扇的启闭由动力系统、液压系统的温度是否达到温度阈值决定，以环境温度45 ℃为基准。热管理系统的工作需求如表1 所示，热负荷最高的切土工况发热量如表2 所示。为简化模型设置，选取液压系统散热需求为定值12 kW。

表1 热管理系统的工作需求Tab.1 Working requirements of thermal management system

对电传动推土机散热器进行性能实验，将试验采集到的离散数据通过插值处理可得散热器散热量、冷却液流量、空气流速三者关系的Map 图。图1 为电机散热器换热性能Map 图，图2 为油散热器换热性能Map 图。

图1 电机散热器换热性能Map 图Fig.1 Map of heat transfer performance of motor radiator

图2 油散热器换热性能MapFig.2 Map of heat transfer performance of oil radiator

风扇参数设置：风扇控制流过散热器的风量大小，选用某公司冷却风扇，采用4 个风扇，直径为305 mm，风扇性能曲线如图3 所示。

图3 风扇试验数据Fig.3 Test data of fan

管道结构参数设置：实际进出热负荷部件的管路结构较为复杂，将实际的水腔管道简化为直管，选取主要的特征进行仿真，其中管路进出口接口的外径为25 mm，管路进出口接口的内径为20 mm。

1.4 搭建一维热管理系统CFD 仿真模型并分析

设计的电传动推土机有多组电机及控制器，可采用多种布置形式，目前常用的有串联和并联2种电机布置形式。电机串联布置，推土机作业过程中所有的电机及其控制器全部正常运行才能保证动力系统的顺利工作；并联布置的每一组电机及其控制器都可以独立运行，在推土机载荷较小时，可以使用部分电机进行工作，但是，并联布置形式的推土机动力系统的结构比串联的复杂，成本也更高。

为了获得散热性能最优的热负荷部件布置形式，在KULI 软件中搭建了如图4、图5 所示的串联和并联2 种布置形式的电传动推土机热管理系统一维CFD 模型，将相应部件的试验数据输入仿真模型，对电传动推土机热管理系统进行仿真分析。

图4 串联布置热管理系统一维CFD 仿真模型图Fig.4 One-dimensional CFD simulation model diagram of series arrangement of thermal management system

图5 并联布置热管理系统一维CFD 仿真模型图Fig.5 One-dimensional CFD simulation model diagram of parallel arrangement of thermal management system

在环境温度为45 ℃时，选取电传动推土机最恶劣的切土工况，对比串联、并联布置形式的热管理系统散热性能。在风扇转速为3 350 r/min 时，并联布置的热管理系统，电机冷却液入口温度为65 ℃，液压系统满足液压油入口温度＜65 ℃的要求。同等情况下，串联布置的热管理系统电机冷却液入口温度为68 ℃，超过了温度限值，表明并联布置的热管理系统整体散热性能优于串联布置的。

2 高温工况下热管理系统方案改进

前文所述的电传动推土机热管理系统能够满足一般工况下电传动推土机的散热需求，但在极端炎热的夏季，特别是国外部分地区工作时，环境温度可能高达50 ℃，工作条件非常恶劣。因此需要尝试在原有的电传动推土机热管理系统上进行改进，使得热管理系统能够在高温工况下安全工作。可以提出以下改进方法：（1）增加电机散热器进风量，即增大风扇转速；（2）增大电机散热器换热面积，即增大电机散热器尺寸。

随着电子风扇转速的增加，电传动推土机热管理系统受到冷却液流量、散热器散热能力的制约，散热量增大的趋势逐渐减缓，且风扇转速越高，风扇的功率越大噪声越高[9]，为了减少风扇功耗以及噪声污染，在满足散热需求的情况下应匹配较低的风扇转速。由于发动机舱的空间以及制造成本的限制，散热器的尺寸不宜过大。综合考虑上述因素，提出如表3 所示的4 种方案。

表3 电传动推土机热管理系统改进方案Tab.3 Improvement plan for thermal management system of electric drive bulldozer

4 种方案的仿真结果如图6 所示。由图6 可知：方案1，保持原电机散热器尺寸不变，风扇转速为4 120 r/min（增大22.9%）时满足热管理系统的散热需求；方案2，保持风扇转速为3 350 r/min 时，散热器尺寸增大35% 可以满足热管理系统散热需求；方案3，散热器尺寸增大10%，风扇转速为3 750 r/min（增大11.9%）时可以满足热管理系统散热需求；方案4，散热器尺寸增大20%，风扇转速为3 600 r/min（增大7.5%）时可以满足热管理系统散热需求。

图6 电机散热器尺寸与风扇转速关系曲线图Fig.6 Relationship between motor radiator size and fan speed

综合考虑风扇噪声、功率消耗，发动机舱空间布置、成本限制等因素，企业可以依据实际情况，参考图6 选取相应的改进方案，满足在高温工况下电传动推土机的散热需求。

3 结论

本文利用试验数据对电传动推土机热管理系统各零部件进行参数化建模，搭建一维热管理仿真模型，建立电传动推土机热管理系统。分析采用不同电机及其控制器布置形式的电传动推土机热管理系统的散热性能，依据仿真结果选取电机及控制器并联布置形式。考虑风扇性能、发动机舱空间布置等因素，提出4 种热管理系统改进方案，保证电传动推土机处于高温工况下的安全运行，为企业对热管理系统的改进设计提供了参考。