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工程機械熱管理系統(tǒng)設(shè)計方法論文
1熱平衡分析
熱平衡狀態(tài)下，各處溫度保持恒定不變，各系統(tǒng)的吸、放熱量相等。(1)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)Q0=Q1=P1，式中:Q0為冷卻液通過發(fā)動機時的吸熱量;Q1為冷卻液通過水箱散熱器時的放熱量;P1為水箱散熱器的換熱量。
(2)液力傳動散熱系統(tǒng)Q21=P2，式中:Q21為液力油通過液力散熱器時的放熱量;P2為液力散熱器的換熱量。Q21+Q22=Q2，其中Q22=∑KdiAdiΔtdi。式中:Q22為液力系統(tǒng)油箱、變速箱和輸油管路等表面的放熱量;Q2為液力變矩器的液力損失;Kdi、Adi和Δtdi分別為液力系統(tǒng)油箱、變速箱和輸油管路等表面的散熱系數(shù)、外表面面積和油與環(huán)境的溫度差。
(3)液壓傳動散熱系統(tǒng)Q31=P3，式中:Q31為液壓油通過液壓散熱器時的放熱量;P3為液壓散熱器的換熱量。Q31+Q32=Q3，式中:Q3為液壓系統(tǒng)的能量損失;Q32為液壓系統(tǒng)油箱、液壓缸和輸油管路等表面的放熱量。
(4)冷卻風(fēng)散熱系統(tǒng)Q4=Q1+Q21+Q31=P1+P2+P3，式中:Q4為空氣通過散熱器組時的吸熱量。雖然傳統(tǒng)設(shè)計方法存在對細節(jié)考慮不足的缺點，但其具有對問題表達方便以及計算過程簡單等優(yōu)點，對某些問題也不失準(zhǔn)確性，故仍作為設(shè)計和研究熱交換系統(tǒng)的基本方法，具有較大的使用價值。
2試驗研究
試驗研究是利用先進的物理試驗技術(shù)，對實際熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵部位的主要工作參數(shù)進行測量分析。任何理論計算方法都是建立在某些假定條件上的抽象方法，都有其適用范圍，偏離了其適用范圍，計算結(jié)果就會產(chǎn)生較大偏差。由于流體傳熱問題的復(fù)雜性，人們目前對某些方面的認(rèn)知還不夠深入和準(zhǔn)確，試驗研究仍是不可缺少的手段。試驗測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]84，88[7]20。
3流場的數(shù)值模擬分析
工程機械主要利用流體來完成傳熱，流動特征對傳熱效果和能量損失有著較大影響，合理設(shè)計流道是非常必要的。隨著計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)在傳熱方面應(yīng)用的不斷深入，利用數(shù)值模擬計算分析流場，可獲取大量的流動細節(jié)數(shù)據(jù)，有利于分析產(chǎn)生不良性能的原因�？衫肅FD技術(shù)對冷卻風(fēng)流場、散熱器中流體流動及傳熱特性、發(fā)動機冷卻水腔內(nèi)部流動、液力變矩器以及液壓元件內(nèi)部流動等進行分析。引入CFD技術(shù)可彌補傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足，并降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期，它已成為國內(nèi)外自主創(chuàng)新和自主設(shè)計的重要技術(shù)支持之一[5]8[6]4[7]20，501。例如冷卻風(fēng)流道由機罩、發(fā)動機、導(dǎo)風(fēng)罩、風(fēng)扇和散熱器組構(gòu)成，其中流動比較復(fù)雜，不同部位流態(tài)差別也較大。在設(shè)計機罩、導(dǎo)風(fēng)罩和風(fēng)扇等時，可以借助CFD軟件對流場進行數(shù)值模擬分析，由此對上述部件的結(jié)構(gòu)形狀進行優(yōu)化改進。利用冷卻風(fēng)流場的數(shù)值模擬結(jié)果，還可以計算出冷卻風(fēng)的平均集總參數(shù)，用于對整機熱管理系統(tǒng)的計算機仿真分析[10-11][12]092802-6。
3.1流場數(shù)值模擬分析
對流場進行數(shù)值模擬分析主要包括建立計算域、計算域網(wǎng)格劃分、流場數(shù)值模擬計算和計算結(jié)果分析。目前常用的CFD軟件有Fluent、STAR-CD和CFX等，由此進行數(shù)值模擬計算大多可以得到比較滿意的結(jié)果，其中準(zhǔn)確設(shè)定流體密度和黏度等物性參數(shù)以及邊界條件是獲得準(zhǔn)確計算結(jié)果的關(guān)鍵[7]507。計算結(jié)果分析包括以下內(nèi)容。
(1)流場分析觀察分析流速及壓強等物理量的大小及分布特點，分析流場中渦流、滯流、回流、卡門渦列等流動特征的位置和強度，分析它們對工作性能的影響。
(2)典型斷面主要參數(shù)的分析利用流場模擬計算結(jié)果，可計算出平均流速、平均壓強、流量和阻力等參數(shù)，進而可計算出流速系數(shù)和阻力系數(shù)等參數(shù)。據(jù)此分析流動參數(shù)與流道幾何結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作參數(shù)之間的相互影響，為設(shè)計高性能產(chǎn)品提供有價值的建議。
3.2裝載機冷卻風(fēng)流道的分析
針對XG953型裝載機，利用CFD技術(shù)計算了原結(jié)構(gòu)和幾個改進方案的冷卻風(fēng)流場。重點從流速場、壓力場、流量和風(fēng)阻4個方面進行比較分析，由此提出改善散熱效果的措施:
�、俜舛禄虮M量減小散熱器四周的間隙，避免熱風(fēng)回流;
②機罩后部靠頂部處開出風(fēng)口，以保證熱風(fēng)排出順暢;
�、圻M風(fēng)口采用風(fēng)阻較小的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其位置盡量靠近風(fēng)扇進口，以減小進風(fēng)風(fēng)阻。采用前兩個措施后，可增加冷卻風(fēng)有效流量約15.2%。采用某一改進方案，在高速跑車工況下，裝載機機罩出口冷卻風(fēng)速度分布如圖2所示。將機罩出口冷卻風(fēng)速度的計算值與試驗測量值比較發(fā)現(xiàn)，計算值與試驗測量值基本接近，表明采用數(shù)值分析方法能很好地解決實際問題。
4計算機仿真
工程機械熱管理系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，實際工作中它們之間相互影響，單純依靠傳統(tǒng)計算分析方法，不易設(shè)計出整體性能良好的熱管理系統(tǒng)。因此，借助先進的計算機系統(tǒng)仿真技術(shù)，對整機熱管理系統(tǒng)的工作特性進行模擬計算，無疑是解決這種復(fù)雜問題的有效手段。利用計算機仿真技術(shù)，可以計算出系統(tǒng)中各個部位的溫度、壓力和流量等參數(shù)的靜態(tài)和動態(tài)特性，可以分析各參數(shù)對各子系統(tǒng)的影響以及各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，有助于人們對系統(tǒng)更直觀、更全面、更深入的認(rèn)知，彌補傳統(tǒng)計算方法和試驗的不足�？捎糜谠摲矫娴姆抡孳浖蠩ASY5、Flowmaster、MATLAB/Simulink和20-sim等[14]。
4.1XG953型裝載機散熱系統(tǒng)仿真模型
筆者利用EASY5軟件構(gòu)建了改進后的XG953型裝載機散熱系統(tǒng)仿真模型，散熱系統(tǒng)包括發(fā)動機散熱、液力傳動系統(tǒng)散熱、液壓系統(tǒng)散熱和冷卻風(fēng)4個子系統(tǒng)，如圖3所示。
4.2仿真結(jié)果分析
在36℃環(huán)境溫度下，對裝載機在高速跑車工況下的熱平衡狀態(tài)進行了仿真計算與試驗測試，結(jié)果基本吻合(如表1和表2所列)。其中發(fā)動機冷卻水和液力傳動冷卻油的熱平衡仿真曲線如圖4所示。
5結(jié)語
在工程機械熱管理系統(tǒng)設(shè)計與研究中，集總參數(shù)計算分析主要是基于流體力學(xué)和傳熱學(xué)中的束流理論，計算分析平均流速、壓力、溫度、流量和換熱量等參數(shù);試驗研究是利用物理試驗技術(shù)，對實際系統(tǒng)的主要工作參數(shù)進行測量分析;流場數(shù)值模擬分析是利用計算流體動力學(xué)技術(shù)，計算系統(tǒng)中零部件的內(nèi)部流場，分析流動特征，研究流動參數(shù)與流道幾何結(jié)構(gòu)、尺寸以及性能參數(shù)之間的關(guān)系;系統(tǒng)的計算機仿真分析是對整機熱管理系統(tǒng)的工作特性進行模擬計算，研究工作參數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系。采用整體系統(tǒng)設(shè)計與研究思想，將集總參數(shù)計算分析、試驗研究、流場數(shù)值模擬分析和系統(tǒng)的計算機仿真分析有機地結(jié)合起來，建立一套比較完備的現(xiàn)代設(shè)計與研究方法，對整機熱管理系統(tǒng)設(shè)計改進具有很好的指導(dǎo)作用，可更有效地解決工程機械熱狀態(tài)不佳的問題，消除產(chǎn)品質(zhì)量隱患，提高其動力性、經(jīng)濟性、可靠性和使用壽命。
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