工程機(jī)械配套水冷散熱器弊端及措施

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摘要：采用液力機(jī)械傳動(dòng)的工程機(jī)械均需要通過(guò)傳動(dòng)油散熱器為傳動(dòng)系統(tǒng)散熱，滿足整機(jī)的使用要求，文中以最常見(jiàn)的裝載機(jī)為例，介紹了目前傳動(dòng)油散熱器的特點(diǎn)及使用情況，通過(guò)實(shí)際案例揭示了水冷傳動(dòng)油散熱器在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)生的問(wèn)題，并且進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試。結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)，討論了水冷傳動(dòng)油散熱器出現(xiàn)過(guò)熱的原因，并且提出了相關(guān)的改進(jìn)措施。同時(shí)，提出在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用水冷傳動(dòng)油散熱器時(shí)需要考慮的部分因素。

關(guān)鍵詞：裝載機(jī)；水冷傳動(dòng)油散熱器；液力變矩器；壓力；溫度

引言

隨著非道路機(jī)械排放法規(guī)的趨嚴(yán)，發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)地增加了一些對(duì)尾氣的機(jī)外凈化技術(shù)，如EGR(發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)技術(shù))，同時(shí)，為了滿足對(duì)效率和極限工況的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也在不斷升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量也在不斷增加。一般來(lái)說(shuō)，裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)每升高一級(jí)，散熱量就會(huì)增加10%～30%，水散熱器和空-空中冷散熱器的尺寸就需要增加，再考慮液壓油散熱器和傳動(dòng)油散熱器，它們需要的布置空間就會(huì)越大。目前，有些裝載機(jī)廠家為了降低成本，縮小安裝空間，把傳動(dòng)油散熱器設(shè)計(jì)在水散熱器底部，與水散熱器整體連接，傳動(dòng)油的冷卻通常由發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液來(lái)冷卻，傳動(dòng)油散熱器可使用體積較小的板翅式散熱器，但這種散熱方式存在一些弊端，本文經(jīng)過(guò)對(duì)該散熱結(jié)構(gòu)的裝載機(jī)進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出改進(jìn)措施，為液力傳動(dòng)的工程機(jī)械提供可參考的散熱方案。某型號(hào)輪式裝載機(jī)，應(yīng)客戶要求，配套采埃孚WG200的變速箱，該變速箱由液力變矩器和定軸式變速箱組成，特別適配于輪式裝載機(jī)、推土機(jī)、平地機(jī)、叉車等，在整車剛啟動(dòng)作業(yè)時(shí)，裝載機(jī)儀表臺(tái)提示傳動(dòng)油溫度高，并且油溫升高很快。

1散熱系統(tǒng)的分析

針對(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)展了逐一的原因分析：1）按要求檢查了變速箱的傳動(dòng)油液位，符合使用要求；2）觀察了變速箱底部吸油管口并無(wú)異物堵塞；變速箱精濾器保持清潔，并無(wú)堵塞，確保油路暢通；3）換了傳動(dòng)油油溫傳感器，故障仍未消除，排除了油溫傳感器故障的可能性；4）測(cè)量了變矩器出口油溫及溫升時(shí)長(zhǎng)、冷卻時(shí)長(zhǎng)，如圖1及表1、表2所示。通過(guò)表1、表2分析，變矩器油溫升高平均速度為0.435s/℃，要快于變矩器的0.5s/℃使用要求，而變矩器油冷卻速度為4.32s/℃，慢于變速箱4s/℃的要求。ZF推薦使用風(fēng)冷系統(tǒng)，以減少發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)對(duì)變速箱的影響。但該傳動(dòng)油散熱器采用的是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液冷卻，且參與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的節(jié)溫器起始開(kāi)啟溫度為80℃，直到93℃完全打開(kāi)。在此次測(cè)試中，根據(jù)儀表顯示的水溫，水溫始終未能達(dá)到節(jié)溫器完全打開(kāi)的溫度，這將大大影響傳動(dòng)油的冷卻。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)包括小循環(huán)及大循環(huán)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，為了能快速加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油，發(fā)動(dòng)機(jī)出水口處的節(jié)溫器關(guān)閉，冷卻液不經(jīng)過(guò)水散熱器直接在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部循環(huán)。當(dāng)溫度達(dá)到節(jié)溫器的初始開(kāi)啟溫度（（80±2）℃），一部分冷卻液會(huì)流經(jīng)水散熱器，當(dāng)冷卻液溫度繼續(xù)上升，達(dá)到節(jié)溫器的全部開(kāi)啟溫度（93℃）時(shí)，冷卻液全部流經(jīng)水散熱器，間接地冷卻傳動(dòng)油散熱器。如果水冷傳動(dòng)油散熱器是處在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)的大循環(huán)中，由于節(jié)溫器未打開(kāi)，水冷變矩器油散熱器未被冷卻，這將導(dǎo)致變矩器油溫快速升高，并有可能導(dǎo)致變矩器損壞，尤其在冬季或寒冷地區(qū)更是如此。

2對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的分析

對(duì)散熱器的散熱性能測(cè)試之后，仍有必要對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試及分析。先介紹變矩器-變速箱的傳動(dòng)油路原理：該變速箱與變矩器直接直接固聯(lián)在一起，無(wú)聯(lián)軸節(jié)，俗稱“雙變”。變速箱內(nèi)部安裝有內(nèi)置油泵，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪通過(guò)一根獨(dú)立的長(zhǎng)軸驅(qū)動(dòng)油泵轉(zhuǎn)動(dòng)，在距離變速箱底部10mm處固定有過(guò)濾網(wǎng)，防止大顆粒雜質(zhì)吸入油泵中，亦可減弱裝載機(jī)在顛簸時(shí)對(duì)油液產(chǎn)生的晃動(dòng)；油泵從箱體底部吸油后，傳動(dòng)油流經(jīng)油泵后進(jìn)入精濾器（過(guò)濾精度為0.025mm）,精濾器中含有旁通閥，防止精濾器被堵塞后造成變速系統(tǒng)沒(méi)油及損壞精濾器。被過(guò)濾后的油液經(jīng)過(guò)內(nèi)部油道，進(jìn)入固定在箱體上的變速操縱閥，由變速操縱閥上的壓力控制閥將工作壓力調(diào)定為1.6～1.8MPa后，油路一分為二，一路通過(guò)電磁閥進(jìn)入控制換擋閥，另一路通過(guò)壓力控制閥進(jìn)入擋位閥，用來(lái)控制擋位離合器。壓力控制閥保證變速系統(tǒng)油路的最高工作油壓時(shí)，將溢出的傳動(dòng)油輸入變矩器循環(huán)油路，作為其減速增扭、傳遞能量、轉(zhuǎn)換能量的介質(zhì)。一般采用6#液力傳動(dòng)油，要求傳動(dòng)油的最高工作溫度不超過(guò)120℃，以便具有適宜的黏度和良好的黏-溫特性；由于變矩器內(nèi)部的環(huán)形腔體中分布若干葉片，采用合金鑄鋁成型，為防止液流壓力過(guò)大對(duì)變矩器葉片及密封件造成損壞，在其進(jìn)、出口處配有安全閥，進(jìn)口處安全閥開(kāi)啟壓力為0.85MPa,出口處安全閥開(kāi)啟壓力為0.50MPa，保證變矩器內(nèi)腔油液有一定壓力，油液時(shí)刻能充滿變矩器內(nèi)腔，防止油液長(zhǎng)時(shí)間高溫工作對(duì)腔體造成氣蝕，降低變矩器效率及縮短變矩器壽命。油液流經(jīng)變矩器，完成能量傳遞及轉(zhuǎn)換，溫度升高，在變矩器出口處將溫度信息通過(guò)傳感器顯示在裝載機(jī)操縱臺(tái)的儀表上，供操作者判斷變矩器工作是否正常；同時(shí)，傳動(dòng)油通過(guò)管路流入傳動(dòng)油散熱器，借助發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的對(duì)流冷卻，帶走大部分熱量，保持傳動(dòng)油溫在80～90℃，經(jīng)冷卻后的傳動(dòng)油流回變速箱，通過(guò)內(nèi)置油路對(duì)變速箱的齒輪和軸承進(jìn)行潤(rùn)滑。隨后，通過(guò)各處間隙回到變速箱油底殼，完成油液的一次循環(huán)。變速箱液壓原理圖如圖2所示，傳動(dòng)油散熱器及變矩器油壓測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示，傳動(dòng)油溫及壓力測(cè)試情況如表3所示。依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)得，變速箱在冷油狀態(tài)下，變矩器入口處壓力為0.93MPa，高于變速箱安全閥的開(kāi)啟壓力，安全閥一旦打開(kāi)，部分油液會(huì)直接內(nèi)泄回變速箱油底殼，使?jié)櫥兯傧鋬?nèi)部齒輪、軸承等的油液減少，不利于變速箱的潤(rùn)滑，傳動(dòng)油亦會(huì)發(fā)熱。傳動(dòng)油冷卻器的阻力高達(dá)0.50MPa,說(shuō)明散熱器和冷卻油管路的阻力過(guò)大，高于采埃孚變速箱0.2MPa的要求，也不利于傳動(dòng)油散熱器散熱。

3結(jié)語(yǔ)

1）在為液力機(jī)械式工程機(jī)械匹配散熱器時(shí)，要充分考慮到變矩器-變速箱的散熱量，否則會(huì)造成傳動(dòng)油散熱系統(tǒng)的過(guò)熱，當(dāng)采用將板翅式傳動(dòng)油散熱器置于水散熱器的結(jié)構(gòu)時(shí)，一定要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)在寒冷地區(qū)剛啟車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器的開(kāi)啟溫度等因素，以免發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行小循環(huán)時(shí)，造成傳動(dòng)油無(wú)法及時(shí)冷卻，為此，可將傳動(dòng)油散熱器從冷卻液散熱器中移出，在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器處引出循環(huán)水路，將水冷傳動(dòng)油散熱器引入到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)的小循環(huán)中，將傳動(dòng)油散熱器串聯(lián)在發(fā)動(dòng)機(jī)小循環(huán)回水口至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口的管路中，安裝在整機(jī)后部的配重上，這樣不受冷卻液大小循環(huán)的制約（如圖4）。抑或在整車上有適當(dāng)空間時(shí)，可以考慮使用風(fēng)冷傳動(dòng)油散熱器，采用多層散熱器布置，但會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)離風(fēng)扇側(cè)的散熱器風(fēng)阻較大，進(jìn)風(fēng)溫度過(guò)高，以及散熱器系統(tǒng)維護(hù)不方便等弊端。2）要注意傳動(dòng)油散熱器在下水室時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液造成較大的流動(dòng)阻力，冷卻液流動(dòng)緩慢，且由于下水室的氣體不易排出，會(huì)造成造成水泵的氣蝕，縮短水泵的使用壽命及降低水泵的可靠性，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱性能。3）在設(shè)計(jì)傳動(dòng)油散熱器時(shí)，一定要注意減小傳動(dòng)油散熱器的阻力，否則，會(huì)增加變矩器中壓力，造成變矩器為保證安全而開(kāi)啟安全閥，傳動(dòng)油內(nèi)泄回變速箱，導(dǎo)致潤(rùn)滑變速箱的油液減少，使變速箱潤(rùn)滑不良，影響變速箱的性能；為此，可減小散熱器芯體的部分阻力，換熱面通道的沿程摩擦阻力一般正比于流道的長(zhǎng)度，在空間允許的情況下，盡可能增加流道數(shù)量，縮短芯體流道長(zhǎng)度。4）高溫油液在傳入到散熱器時(shí)，采用高壓膠管，傳動(dòng)油的沿程壓力損失與管路長(zhǎng)度成正比，針對(duì)一些大功率的設(shè)備，整體尺寸較大，管路較長(zhǎng)，管路對(duì)傳動(dòng)油的沿程壓力損失在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)要加以考慮；然后，管路中還會(huì)使用一些過(guò)渡連接接頭，在選取接頭規(guī)格時(shí)，要注意其通道的截面直徑，以及管路的直徑，確保滿足油液對(duì)管路的使用要求。5）在新產(chǎn)品開(kāi)置散熱器及其管路時(shí)，要為散熱器熱平衡測(cè)試時(shí)安裝各種測(cè)試接頭，留出安裝空間，保證接頭易于安裝和拆卸，方便測(cè)試。

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作者：智偉 鄭恩華 孔彥軍 單位：山推工程機(jī)械股份有限公司