工程机械传动系统热特性研究

工程机械作为非道路用车辆,在我国经济和社会发展中发挥着重要作用。但近年来,随着国家节能减排工作的日益严格,尤其是对非道路移动机械强制施行国Ⅲ排放标准后,国产装载机存在的能耗高、产热大、效率低等缺点,就成为业界和研究人员需要迫切解决的问题,并且由于工程机械特殊的动力舱结构和作业方式等,使这些问题变得更为复杂与严峻。本文结合国家科技支撑计划项目“面向节能与安全的集成智能化工程机械装备研发”,以基础理论为指导,综合运用数值模拟和试验相结合的方式,对满足国Ⅲ排放标准的50型轮式装载机传动系统热管理的关键技术进行了研究。(1)利用测试的装载机整车性能试验数据,分析了V型铲装作业工况和高速跑工况下整机能量流及各系统的能量损失。通过对发动机转矩分配规律的研究,分析了液力变矩器在装载机上的实际动态特性,以此为基础建立了装载机传动系统动态仿真模型,经验证模型精度满足工程计算要求,可以有效模拟动力传动系统的运行状况。为提高轮式装载机传动系统性能,减少热量产生,利用遗传算法对V型铲装作业工况下装载机传动系统的主要参数进行了优化,优化后循环油耗下降3.0%,产热量减小3.8%,使系统“过热”问题得到一定程度的缓解。(2)根据传动系统散热要求,采用对数平均温差法和CFD数值仿真相结合的方式设计了装载机双循环冷却系统所需的板翅式油冷器,并通过散热器台架试验对其进行了性能测试及方法验证。研究了不同流动方式对H型、X-1型、X-2型和Z型四种油冷器内部流场的影响,通过提取的各微通道具体状态特征参数,分析了流场不均匀性与油冷器工作性能的关系,得出不同类型翅片的适宜流动方式。利用CFD仿真对流场中出现的斜角流动方式进行了详细分析,对比表明在矩形错齿翅片的四个主要结构参数中齿距影响作用最为显著。引入j/f因子对同一翅片结构参数下,三种主要流动方式的综合性能进行了评价,结果显示:平行流动性能最好,其次为斜角流动,垂直流动最差,为更好地发挥油冷器散热性能提供了理论依据。(3)以效能-传热单元数法为理论基础,推导了散热器表面空气流速分布不均匀系数与空气侧阻力特性之间的关系式。为降低压力损失,通过冷却风扇出风口不均匀系数来表征和预测散热模块内的空气分布状态,采用孤立翼型法对装载机用冷却风扇进行了变环量设计,在验证仿真精度的基础上,着重分析了不同结构参数对不均匀系数的影响,为风扇匹配选型及优化设计提供了参考。利用建立的风室模型对散热模块不同组合特征的阻力特性做了进一步研究。分析结果表明:变环量风扇在充分利用叶尖高速区的同时,也造成空气速度分布规律的不均匀,随着变环量系数的增加,气流均匀性提高,小轮毂比及风扇前弯处理都有利于气流状态的改善。(4)以装载机动力舱为研究对象,采用CFD仿真模拟了V型铲装作业工况下原冷却系统内部流场状态,在验证仿真模型准确性的基础上,对应用双循环冷却系统的动力舱进行了分析。为保证冷却空气流量不变,根据研究得到的风扇转速与系统体积流量的关系,确定将发动机曲轴与风扇传动比降为0.9。结合分析结果对安装有双循环冷却系统的实际样机进行了整车热平衡试验,通过对试验数据的处理分析表明,双循环冷却系统在满足装载机整机散热需求的基础上,比原散热系统能耗降低21.4%。