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总第 1 5 4期 2 0 1 6年第 2 期 机械管理开发 M ECHANI CAL M ANAGEM ENT AND DEVELOPM ENT 机械 分 析与 设计 T o t a l o f 1 5 4 No ． 2 2 O 1 6 T C 8 5液压挖掘机整体式散热器优化设计 原 涛 太原 工业 学 院机械 工程 系，山西太原0 3 0 0 0 8 摘 要 分 析 T C 8 5液 压 挖 掘 机 动 力 系 统 ， 由 油 冷 道 依 茨 De u t z B F 4 M 2 0 1 1 更 改 为 水 冷 Y a n ma r 4 TNV9 8 T 柴油机 ，出现柴 油机 水 温过 高 问题 ，对整 体 式 散 热 器 导 风 板 等 零件 结 构优 化 设 计 ， 合理调整散热器主要部件 。_Y - 程现场 测试数据表 明，新结构整体式散 热器整机热平衡 达标 ，成功 解决 了柴 油机过 热 问题 。 关键词 散 热 器 ；热 平衡 ；导风板 中图分 类 号 T U 6 2 1 文献标 识码 A 文章 编 号 1 0 0 3 ． 7 7 3 X 2 0 1 6 0 2 ． 0 0 4 2 ． 0 4 D o I 1 0 ． 1 6 5 2 5 ／ i ． c n k i ． c n 1 4 ． 1 1 3 4 ／ t h 。 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 1 5 引 言 T C8 5液压 挖 掘机 是 TE RE X 公 司近 年研 发 一 款结构 紧凑 型小半 径 回转 液压 挖掘 机 ， 为 了降 低采购成本 ， 动力系统 由油冷道依茨 De u t z B F 4 M 2 O 1 1更 改 为水 冷 Ya n ma r 4 TNV9 8 T 柴 油 机 。为 了便 于固定安装 ， 有效 节省挖 掘机平 台上部空 问 ， 将 油散和柴油机散热水 箱并联组 合在一 起 。散热 器采 用强 制风 冷方 式 ， 借助 柴 油机 风 扇冷 却 。研 发初期工程 的现 场测 试 ， 发 现存 在散 热器 水 温偏 高 ， 柴油机 过 热现 象 。国内大 部分 液 压挖 掘 机使 用工况相 当恶劣 ， 具 体表 现在 机 手重 操作 轻 维护 保养 、 台班时 间长 、 土方任 务重 、 设 备负 载变化 大 、 施 【 环境温度高 ， 经 常发生柴油机开锅现象 。 1 整体式散热器 的结构特征 国 产 T C 8 5液 压 挖 掘 机 总 重 8 ． 5 0 t ， 斗 容 0 ． 3 6 m。 。该机 型是 2 0 1 0年推 出的新 产 品 ， 具有 动力性好 ， 生 产效 率高 等特 点 。根 据 市场 需 求配 套 了 YANMAR 4 TNV9 8 T柴油机 ， 排量 3 ． 3 L， 功 率 5 3 k W ， 最大扭矩 2 3 6 N m。 工程 现场 反馈 ， 夏 季高温工 况 ， 经 常 出现柴 油机 过热 现 象 。研 发人 员通过计算 核 算 ， 认为 整体 式散 热 器设 计散 热 功 收 稿 日期 2 0 1 5 1 2 1 9 作者简介 原涛 1 9 7 1 一 ，男 ，山西晋城人，工学 学士，讲师，现就职于太原工业学院机械工程 系。 率可 以满足发动机和液压 系统散热要求 。 整体散热器由浙江台州浙江银轮生产 ， 由液压 油散热器 与柴油机 冷却水散 热器并 联而成 。采用 管带式结构 ， 优点是结构合理 、 散热效率高。使用冷 轧铜带和铜管等散热材料生产工艺 、 焊接工艺流水 线先进 。散热器前置 ， 通过托架与柴油机合为一体 。 使用一个 Mu t i l t - wi n g吸风式风扇 ， 最大限度缩小风 扇叶尖与导风圈间隙 6 mm。空气经过 右侧机罩进 风 口吸入发动机室 ， 先穿过空调冷凝器 ， 再进入散热 器 ， 穿过柴油机表面 ， 温升后带走热量。冷却水系统 包括水泵 、 管路水道 、 水箱 、 调温 器、 液 压油散热器 、 风扇 ， 冷却风道。水泵与液压油泵分别驱动 防冻液 和液压油 ， 在冷却系统 中强制循环 。 TC 8 5液压挖 掘机 由零 回转平 台放大设计 ， 液 压 系统油箱结构 紧凑 只有 1 8 0 L容积 ， 必须 匹配高 效强制冷却方式 才能有效控制 液压 油温升 。挖掘 机作业 时 ， 液压 系统发热量 主要来 源于液压 主泵 ， 是 系统油液温度 升高主要原 因 。液压 系统 最高温 升 如果过大 ， 容 易造成各液 压元件 密封性能 下降 。 液压 系统 在热 平衡 后 ， 油 散进 口最 高温度 必 须小 于 8 O℃ 。否则 在南方 高温工程 现场 ， 很容易发 生 挖掘机作 业 效率 下 降 ， 柴 油 机 开锅 等故 障 。研 发 初期把空调 冷凝 器前 置 ， 与散 热器 简单 叠 加在 一 起 ， 加大了空气流 动阻力 ， 穿 过散热 器表面空 气流 量和流速都 相应 减 少 ， 人 为 导致 散热 器散 热表 面 2 0 1 6年第 2期 原 涛 TC 8 5液压挖掘机整体式散热器优化设计 与气流温差减小 。 2 水 温过高原 因分 析 在工况 、 柴油机性能一 致条件 下 ， 水 温过 高 因 素主要有 冷却 水循 环 能力 、 单 位 有效 通 风量 、 散 热面积 。本次 降温 优化 设计 就 从 风扇 选 型 、 改 变 散热器散热面积 、 改 善系统 结构组成 以减少 风阻 、 增大进风量 4个方面进行 。 在设计冷却系统时， 柴油机最高出水温 都 明确规定小于 1 0 0℃ ， 环境 温度设 计值 。在 整 体式散热器空气侧温度效率 ￡定义为 e A T ／ T w 1 一 Td 1 1 式 中 △ 为空气通 过散 热器的温升。 △T 1 一 To 2 2 一 般取 1 0 3 0℃。 式 中 Q 为 系统 应散 走 总热量 ， k J ／ h ；Pa为 空气 的密 度 ， 1 ． 0 1 k g ／ m。 ；C p a为 空 气定 压 比热 容 ， 1 ． 0 4 7 k J ／ k g ℃ ；L 为进 人 散 热器 的水 的 温度 ， 一般 取 9 5℃ ；T o 为 进入 散 热器 的空气 温 度 ， 一般取 4 0℃。 整体式散热器散热量 Q 一 A P H ／ 3 6 0 0 2 5 2 5 0 1 0 5 3 ． 1 4 2 ． 7 l 0 。 ／ 3 6 0 0 3 9 k J ／ s 3 冷却液循 环量 Vm Q ／ z S t P C 一3 9 1 0 。 ／ l Z℃ 1 0 0 0 4 ． 1 8 7 0 ． 6 I n 。 ／ s 4 风扇供气 量 V a Q w ／ z t 。 P C。 一 3 9 1 0 。 ／ 3 o℃ 1 ． 0 1 1 ． 0 4 7 3 1 0 。 1 T I 。 ／ s 5 风扇供气 压力 P一 △PR △PL一 5 0 0 Pa o ． 4 5 0 0 P a一 7 0 0 Pa 6 风扇消耗功率 P r P ／ r ／ s 一7 0 0 P a 3 ／ 1 2 ． 1 k W 7 风扇转 速 厂 一 ／ 1 T Df 7 O m／ s 6 O ／ 3 ． 1 4 0 ． 4 6 2 8 8 0 r ／ rai n 8 水泵供水量 V w／ 田 6 O L ／ rai n 9 水泵压 力 P 1 ． 5 1 0 水泵消耗功率 4 3 PP Vp Pp ／ 7 一 1 0 ～ 。 1 ． 5 1 0 1 0 一 。 ／ 0 ． 60 ． 9 0 ． 3 k w 1 0 散热器计算 正 面 积 FR V a ／ v a 一 3 ／ 8 0 ． 3 7 5 m 1 1 水管数量 i V ／ v f R 0 ． 6 ／ 0 ． 6 0 ． 3 7 5 3根 1 2 散热器面积 F s Qw／ KR A t 一3 9 ／ 0 ． 1 5 3 ． 1 6 m。 1 3 At t Dt 。 9 2℃ 一 3 5 ℃ ， 公式 2 表 明， 通 过改 变 冷却 系统 结 构 ， 可 以 提高冷却风量 V a， 这 样就 能改变 △ 。进 气温 度 相 同工况下 ， 随着冷却 风量 V a提高 ， 通过 液压 油 散热器后 空气 温度 会 降低 。同样 工况 ， 只要 穿 过 水箱空气温度 明显降低 ， 就可能解决 开锅 问题 。 在冷却进 出风量 足够 工 况下 ， 根 据 冷却 系 统 热交换量 ， 可以确定油散 所需散 热面积 ， 散热功 率 P 。 应 等于系统 的发热 功率 P与油箱 、 管路等元 件 的散热功率之差 。冷却 器热交换 量等 于液压油 放 出热量 ， 能够达到液压油温平衡 。 液 压系统 释放热量计算 P2一 CQ p T z T 1 1 4 式 中 为 油液 的 出 口温 度 ； 为 油液 的进 口温 度 ； J D 为油的密度 ； Q为油的流量； C为油的 比热容。 式 中 C一2 0 0 0 J ／ k g k ； Q一 1 5 0 L ／ rai n； 户0 ． 9 t ／ m。 ； T2 ～T1 2℃ 。 得 P 8 k W 油散 的散热 面积计算 A P2 ／ k △ 1 5 式 中 忌为 油 散 的传 热 系数 ， 忌 一5 0 W／ 1 T I K； △ 为油和风之间 的平均 温差 △ 一 一丁 ； 丁 1 为液压油进 口温度； 为液压油出 口温度 ； T l 为 环境温度 ； 为冷却 风 出 口温度 △ 一 4 4℃ 一 2 5℃一 1 9℃ 。 计算得 出 A一8 ． 5 m 液压油冷却器主要性能参数 液压油液流量Q一 1 5 o L ／ mi n ； 风侧冷面积 S --1 5 r n z ； 液压油侧工作压力 户 一1 2 1 0 ～； 液压油侧压力降不大于 2 1 O ～。 3 冷却 系统优化设计 在不改变柴油机 、 风扇情 况下 ， 通过 以下 4个 2 0 1 6年第 2期 原 涛 TC 8 5 液 压挖掘机整体 式散热器优化设计 检测 M、 N、 H 处 风速 有 明显提 高 ， 表 明优 化设 计 对散热能力提升具有 明显改善 。 图 4 、 5优 化 设 计 前 后 散 热 器进 水 温 度 测 试 数据 。 一 i 曲 轴 皮带 轮 1 3 _m 帚 建 ； 1 3 0 m m , E ／ ． 3 _ b 一 T _l 一}一 l 】 d【 ≥ 手 鬻 _茹 午 一 ～ 一 ． 【 L 一 l 1． ． ．【_ 自 _ f f 一1 、 唧 一 V 1r u_ r 一一 一 ～ - - 一 ～ 一 1 I I 1 时间， m i n 图 4优化 设 计前 j { d享 嗣嚣蠡 知 e 乒． ．．．一 - fI 时间／ rai n 图 5 优 化设 计后 由图 4 、 5可以看 出， 优化后的新冷却系统 ， 在环 境温度 2 6℃左右工作能够达到热平衡时 ， 水箱进水 45 温度为 8 9℃ ， 比原机降低 9℃ ； 液压油散热器进油 温度为 8 0℃ ， 比原机降低 6℃ 。说明通过对新冷却 系统结构上优化设计 ， 提 高了整机散热能力。 国际通用 评价 柴 油机 散 热 能力 ， 一 般 采用 了 ATB 指 标 衡 量 ， 在 洋 马 随 机 文 件 中也 有ATB标 识该 机型资料 ， ATB ≥ 5 0℃ 。 ATB计算公式为 ATB A B C 式 中 A 为理论上冷 却液沸 腾温度 ； B为柴 油机水 箱进水温度 在节温器全开 的情况下 ； C为工程现 场环境温度 。 散热器水箱压力盖允许压力 0 ． 7 a r m， 此时取 A一 1 0 5 ℃ 。 从 图 5中可 以知道 ， 原机 ATB一1 0 5 8 9 3 0 4 6℃ ； 优化设计 ATB一1 0 5 7 5 2 6 5 6℃ 。 5 结语 优 化设 计 后 ， 整体 式 散 热 器 ATB值 增 大 了 1 0℃ ； 即同样环境 温度 ， 配备新整体式散热 器机型 的柴油 机工作温度 峰值 ， 比原机 型降低 1 0℃ 。通 过增设 导风板装 置 、 优 化散热器散 热面积 分配 、 增 加 风扇 叶 、 调整 空调 冷凝 器位 置 以及更 换 皮带 轮 等优化设计 ， 提 高 了系统 冷却 Qv a ， 实现 了冷却系 统热平 衡 。 编辑 赵琳琳 Opt i mi z a t i o n De s i g n o f Uni t a r y Ra di a t o r o f TC8 5 Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r Yua n Ta o De p t ．o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g，TI T，Ta i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 0 8 I- A b s t r a c t ] Th i s p a p e r a n a l y z e s t h e T C 8 5 h y d r a u l i c e x c a v a t o r p o we r s y s t e m b y t h e o i l c o o l i n g wa y a c c o r d i n g t o Mr ．D e u t z B F 4 M c h a n g e d t o wa t e r - c o o l e d Ya n ma r 4 TNV9 8 T 2 0 1 1 d i e s e l e n g i n e s ，a d i e s e l e n g i n e wa t e r t e mp e r a t u r e i s t o o h i g h，t h e i n t e g r a l s p a r e p a r t s s u c h a s r a d i a t o r wi n d d e f l e c t o r s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n d e s i g n，r e a s o n a b l y a d j u s t t h e r a d i a t o r ma i n c o mp o n e n t s ．En g i n e e r i n g f i e l d t e s t d a t a s h o ws t h a t t h e n e w s t r u c t u r e o f i n t e g r a l t y p e r a d i a t o r h e a t b a l a n c e o f t h e wh o l e ma c h i n e ，a n d s u c c e s s f u l l y s o l v e s t h e o v e r h e a t i n g o f t h e d i e s e l e n g i n e ． [ K e Y wo r d s ] r a d i a t o r ；h e a t b a l a n c e ； wi n d d e f l e c t o r 、 世照 、 世呱
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