机械毕业设计（论文）-发动机测功实验台散热系统设计【全套图纸UG三维】.doc

题目：发动机测功实验台散热系统设计专业：车辆工程学生： （签名） 指导教师： （签名） 摘要随着汽车行业的飞速发展，汽车的速度越来越高，对于发动机的要求也越来越高，发动机的发展水平成为衡量汽车工业发展水平的重要标准。在发动机的研制和学习过程中，发动机台架试验是不可缺少的重要环节。通过台架试验获得的实验数据可以是人们更准确的了解发动机的各项性能，便于对发动机的学习和改良。为了确保发动机试验台测试数据的真实性和准确性，需要是发动机在运转的时候保持在一个稳定的温度范围。试验台的冷却系统成为了保障实验顺利进行的重要组成部分。关键词：汽车；发动机；台架试验；冷却系统全套图纸，加153893706Subject：Engine dynamometer test rig cooling system designAbstractWith the rapid development of the auto industry, the speed of cars more and higher, for the requirement of the engine more and more is also high, the engine development level measured as the auto industry development level of important standard. In the engine development and the learning process, diesel engine test is indispensable important segment. Through the bench test of the experimental data can obtain more accurate understanding of the people is the engine of various performance, and is convenient for learning and improvement of the engine. In order to ensure that the engine test bench test data the authenticity and accuracy, need is in operation of the engine stay in a stable temperature range. Test cooling system become the guarantee the experiment goes well important component.Keyword：Car；Engine；Bench test；Cooling system目录1绪论11.1课题研究的背景和意义11.2台架试验的国内外发展现状11.3发动机试验台的散热需求32发动机试验台冷却系统的总体设计52.1电涡流测功机的散热52.2发动机的散热53发动机冷却系统的设计73.1发动机散热的计算73.2冷却水循环量的计算83.3板式换热器的选择83.3.1已知条件83.3.2计算平均对数温差：93.3.3计算换热量：93.3.4计算角孔流速:93.3.5计算放热系数93.3.6计算理论换面积103.3.7选择合适的板式换热器103.4膨胀水箱的设计113.5放气阀的设计133.5.1自动放气阀143.5.2手动放气阀153.6过滤器的设计163.7阀门的设计173.7.1球阀173.7.2电磁阀193.8法兰的设计203.9弯头的设计223.10三通的设计233.1140/15接头设计243.12水箱的设计253.13水泵的设计273.13.1离心泵流量计算273.13.2离心泵扬程计算283.13.3离心泵功率计算283.13.4离心泵的选择284系统的安装304.1安装说明304.2操作方法325结论33致 谢34参考文献35IV1 绪论汽车发动机是汽车的心脏，是现在汽车的主要动力来源。随着汽车工业的飞速发展，对发动机的要求越来越高，各大汽车厂商也都一直致力于汽车发动机研究。发动机台架试验是发动机研发与学习过程中不可或缺的部分。1.1 课题研究的背景和意义随着汽车行业的飞速发展，发动机的转速和功率越来越高，热负荷也随之增大，对发动机的冷却和润滑系统的可靠性提出了更高的要求。而影响可靠性的最主要因素之一就是机油温度。机油温度过高，机油粘度及稳定性降低，氧化变质加剧，机油压力偏低，易造成烧轴瓦、烧曲轴、缸套拉伤等故障。实验室台架试验的发动机是直列六缸发动机，其功率为63kW，转速为5500rmin。在对发动机进行实验时，经过持续高负荷的运转之后，发动机出现过热甚至“开锅”现象。经过仔细研究发现：试验室中拆掉了发动机的冷却风扇，外接冷却水循环的管径过大，管路太长，弯头过多，容易在冷却水管道内产生气堵，使得发动机的冷却效果大大降低，机油很快就达到了温度要求的上限，无法顺利完成实验，不便于科研教学。发动机台架冷却系统是保证发动机正常工作的重要组成部分，在发动机性能试验时，由于试验工况多，试验时间较长，经常是持续大负荷试验，试验过程中发动机的水温、机油温度会不断地升高，如不加以控制就不能保证发动机的长期运转。现有的冷却系统已无法满足发动机的冷却需求，为了保证发动机的正常工作，同时保证各个参数得到精确测量，必须有效地控制水温和机油温度，因此我们对台架冷却系统进行重新设计，其主要包括两个保障系统：水温恒温控制系统，机油恒温控制系统。这两个系统是两个完全独立的冷却系统，虽然它们的进水来自同一根水管，但各自的进水开关是由各自的测控仪进行控制，其温度也是通过控制各自调节阀的开度来设定，实现恒温控制，从而使机油及冷却液温度保持在一个试验温度要求范围之内，保证了科研和教学试验任务的顺利完成1 蒋受宝,蒋绍坚,曾红武.发动机台架试验冷却系统的设计. 小型内燃机与摩托车,2007, 36(3):51-53.。1.2 台架试验的国内外发展现状发动机测试技术是衡量汽车工业发展现代化程度的重要标准，汽车工业的发展离不开发动机测试技术的发展，发动机台架试验设备是进行发动机性能实验的重要设备。实验设备的水平直接影响到测试数据的准确性，发动机台架实验的结果关系到发动机研发过程中的设计与修改，这对发动机性能的提高有重要作用。发动机试验台架早期多应用水力测功机，水力测功机没有控制器，所有的负荷调整全靠手动调节，通过调节油门的开启来实现对转速和扭矩的控制，所有操作都是手动进行，通过加重磅锤的重量来实现扭矩的增大，以此来进行扭矩测量，然后从仪表上读取扭矩的大小，完全靠手动调节和控制的实验，很难形成一个稳定的工况2 蚩小霞. MC68HC908单片机在发动机台架试验中的应用研究. 西南林学院硕士学位论文. 2005。随着电子工业的发展和微处理技术的广泛应用，发动机台架试验所用的设备也在不断的改进，测量精度、可靠性和灵活性都有了很大的提高。尤其是自动化技术的不断更新，单片机技术的应用，仪表的自动化、智能化程度提高。现在的测功机都有一套自动调节和控制的系统，可以进行恒定转速、恒定扭矩下控制发动机的运转。我国早期的试验台控制系统仅处于半自动化，虽然可以实现对数据的采集和处理，但系统的控制能力、稳定性和扩展性都有一定的局限性。我国从90年代开始展开这方面的工作，许多科研机构和企业研发机构致力于这方面的研究，相继开发了一系列具有较高水平的测控系统。杭州奕科机电技术有限公司开发出了一系列成套的发动机台架试验控制系统EI MO300N系列，在国内有广泛的应用。上海内燃机研究所研制了ETS3型发动机试验控制系统，为我国的发动机行业测控技术做出了很大的贡献。辽宁工学院与长春一汽化油器厂联合研制了基于STD工控机的发动机台架试验的数据采集系统。江苏理工大学开发了微机控制的水力测功器的综合测试系统。上海交通大学研发了J114集散式柴油测功系统。北京工业大学研制了基于集散型控制系统的发动机试验台。国外从70年代末就开始了发动机台架试验的研究，许多发动机生产商和研究单位相继开发了一系列的发动机自动控制系统和设备。较为先进的比如大众公司从75年起就开始研制程序控制的发动机试验台。奥地利的AVL公司研制出了一流的发动机测控系统，它的硬件和软件都是作为一个整体设计的，控制台将操纵台、测试技术和自动控制融为一体，微机系统是控制台的核心，承担全自动和半自动的誓言，包括调节、数据处理和监控，由外部存储将试验程序输入给计算机，借助简单的指令以对话的方式通过键盘来建立和更改发动机的试验程序。图1-1为奥地利AVL公司的发动机测试系统。图 11 AVL公司的发动机测试系统1.3 发动机试验台的散热需求冷却系统在保证发动机正常工作的时候有着重要的作用。现代汽车发动机多采用水冷散热，通过水循环运动和散热器的换热作用带走发动机工作时产生的热量，散热状况的好坏直接影响水温的好滴，从而对发动机的工作有这重要的影响。在发动机工作过程中，燃气通过汽缸盖壁和汽缸壁将热量传递给冷却水。由于冷却水的温度提高，在同样负荷下，燃烧室内壁温度将有所提高。温度提高将改善燃油的气化条件，能明显缩短滞燃期，改善燃烧过程。图1-2为某车的试验结果，显示出了发动机冷却水温度对经济性的影响。冷却水从50增加到85，可以提高经济性约3%。前苏联研究表明，冷却水和润滑油的温度每提高10，发动机有效效率可以提高3.54.0%。较高的水温使燃油的经济性提高，但冷却水温过高，由于燃烧室和燃气温度升高，使发动机充气效率下降，各缸进气量会减少，从而使燃烧过程延长或者恶化，反而会使发动机功率下降，油耗增加。所以冷却水要维持在适合的温度以保证发动机的正常工作3 卢广锋,郭新民,孙运柱等.汽车冷却系统水温对发动机性能的影响.山东内燃机.2002,01:29-33。研究表明发动机冷却水的温度在85最合适，所以发动机的冷却水进水温度应该保持在8085。图 12 燃油经济性-冷却水温度曲线2 发动机试验台冷却系统的总体设计汽车发动机通常选择水冷散热，由冷却液带走发动机的一部分热量，然后通过散热器和风扇由空气将这些热量排进大气。实验室的发动机与汽车上的发动机一样，也采用水冷散热的方式，不同的是实验室属于密闭环境，散热能力远不如行驶中的汽车，并且实验室的发动机做功几乎全部通过测功机转化为热能，所以试验台的散热器不能仅仅通过风冷散热。根据实验室的环境，可以通过一个水塔，不断的向发动机的水循环系统中注入冷水，同时带走一部分热水。这样就弥补了实验室中的散热器散热不足的缺点。通过查阅相关资料，测功机的工作时出水温度要求低于55，冷却水压在0.40.1MPa。发动机的冷却水温要求在8085，冷却水压力在0.30.4MPa。所以发动机和测功机不能共用一套冷却水循环系统。测功机的冷却水温度要求较低，可以直接从水池接入冷却水，通过控制冷却水的流量控制测功机的水温。发动机的散热可以通过板式换热器来进行发动机冷却水和水池冷水的热交换。1211112122.1 电涡流测功机的散热电涡流测功机所吸收的功率产生的热量极少部分通过外壳自然散去，绝大部分的热量集中在内部的导磁环组件上。在测功机的导磁环的后部开有多条供冷却水流动的槽，来自外部水池的冷却水流过水槽与导磁环组件进行热交换，被加热的水经出水管流回水池，经水塔散热后可循环使用。在冷却水出水口接入一个温度传感器，在进水口用电磁阀。控制中心通过温度传感器测的出水温度控制电磁阀的开度来控制冷却水进水量。2.2 发动机的散热发动机的散热总体形式就是：发动机冷却循环的热水和水塔的冷水通过板式换热器进行热交换，在发动机的出水口接入温度传感器，在冷却水的进水口接入电磁阀。同测功机一样，控制中心通过温度传感器测得的温度控制电磁阀来控制进水量。由于发动机的冷却水循环水泵是通过发动机曲轴带动的，发动机在不同的工况，转速不一样，所以发动机的出水压力不稳定，板式换热器的材料又非常薄，所以发动机的出水口不能直接接入板式换热器。为了控制换热器的进水压力，发动机的出水管道先接入一个膨胀水箱，当系统内压力上升到设定值时，自动放气阀打开，膨胀水箱通过自动泄压阀放出一部分空气，另外也可以通过手动放气阀可以随时放弃。通过这种方式来保持进入板式换热器的水压恒定。此外膨胀水箱上部还应该有冷却液注入口。发动机冷却系统的循环水温度在80以上，易形成水垢，这些水垢如果直接进入板式换热器容易造成换热板的阻塞。所以在发动机的出水口和板式换热器之间需要接入一个过滤器。板式热交换器固定安装在机架上，用管道与上方的膨胀水箱连接。机架的上方安装控制电器箱，其面板上设有温控仪和控制按钮。机架地步有四个万向轮，可以方便的移动到任何地方。系统原理图如图2-1所示图21 发动机水温调节装置原理图3 发动机冷却系统的设计22233.1 发动机散热的计算发动机冷却系统散走的热量QW收到很多复杂因素的影响，很难精确计算，初步估计QW可以用下列的经验公式：QW=AgeNehn3600(kJ/s) (3-1)式中：A-传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，对于汽油机：A=0.230.30；对于柴油机：A=0.180.25ge-内燃机燃料消耗率（kg/kWh）Ne-内燃机功率（kW）hn-燃料低热值（kJ/kg）如果内燃机还有机油散热器，传入冷却系统的热量，应该在（1）式中计算的热量QW值增大5%10%。一般把最大功率Nemax工况作为冷却系统的计算工况，但应对最大扭矩Memax工况进行验算。在额定工况的时候，汽油机ge可取0.3000.340 kg/kWh，汽油机的低热值可取43100 kJ/kg，将此值代入公式（1）可得：汽油机Qw=(0.850.10)Ne(kJ/s)对于压缩比较低、燃烧室不紧凑的汽油机，传给冷却系统的热量多，QW应取上限，即QW=（1.001.10）Ne(kJ/s)；对于高压缩比汽油机，可取QW=（0.850.95）Ne(kJ/s)。考虑到发动机试验台应适应发动机的不同工况，QW应取最大值进行计算QW=1.10Ne(kJ/s)发动机功率已知为63kW，所以QW=69.3kJ/s。3.2 冷却水循环量的计算冷却水循环量计算公式如下：Vw=QWtWWCW （3-2）式中：tW-冷却水在内燃机中循环是的容许温升，对于现代强制循环冷却系，可取tW=612；W-水的比重，可取近似值W=1000kg/m3；CW-水的比热，可取近似值CW=4.187kJ/kg。在设计过程中Vw应取最大值，所以tW取6。带入数值计算得：Vw=2.76L/s3.3 板式换热器的选择1233.13.23.31233.13.23.33.3.1 已知条件换热器选型时应该按照最大散热条件进行计算，发动机的冷却水温度为8085，冷却水的压力为0.30.4MPa。综合上面的计算结果，可以得到以下已知条件：热介质进出口温度：Th1=85，Th2=80；流量：Qh=10m3/h；压力损失 ：Ph=0.1MPa。冷介质进出口温度：Tc1=20，Tc2=80；流量：Qc=10m3/h；压力损失 ：Pc=0.1MPa。查询有关数据可以得到有关物理数据：密度：h=c=1000kg/m3；比热：Cph=4.195kJ/kg，Cpc=4.188kJ/kg；导热系数：h=67.45103W/m，c=59.89103W/m；运动粘度：vh=4.061106Pas；vh=13.07106Pas；普兰特常数：Prh=2.98；Prc=9.52。3.3.2 计算平均对数温差：T=Th1-Tc2-(Th2-Tc1)lnTh1-Tc2-(Th2-Tc1)=22.133.3.3 计算换热量：Wq=qhhCphTh1-Th2=58.26kW3.3.4 计算角孔流速:Wl=4QD2=1.06m/s3.3.5 计算放热系数努赛尔数：Nuh=0.0083，Nuc=0.0294放热系数：h=Nuhhde=1515.15；c=Nuccde=4761.90；传热系数：K=1/(1h+1c+rp+rn+rc) (3-3)其中：rp板片热阻 0.0000459m2/W； rn热介质污垢热阻 0.00001720.0000258m2/W； rc冷介质污垢热阻 0.000028520.0000602m2/W。将数值带入公式（3），得到：K=10003.3.6 计算理论换面积Fm=Wq/(KT) （3-4）带入数值计算得：Fm=2.633m2。3.3.7 选择合适的板式换热器查阅相关资料，经过比较选择丹佛斯钎焊板式热交换器。板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。板式换热器是液液、液汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占 地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换 热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。根据理论换热面积和换热量等数据，查阅丹佛斯换热器的各型号的参数，选择型号为B3-095-30-3.0-H的钎焊板式换热器。该换热器有关参数如下：设计压力： 3.0MPa试验压力： 4.5MPa设计温度： -196+200换热面积：2.66m2重量：17.96kg图 31 钎焊板式换热器3.4 膨胀水箱的设计膨胀水箱在水温升高的时候，可以用来储存水的膨胀体积，防止系统压力过大而损坏某个部件。在系统水温降低的时候又可以补充水的冷却收缩体积。膨胀水箱可以作为控制系统压力的定压点。膨胀水箱的容积选择与系统的水容量和水的膨胀系数有关，设系统中的管道和设备内的总水量为Vs，当系统的水温由t1上升到t2时，体积由Vs上升到Vs+V，水的密度由1上升到2。根据质量守恒原理可以得到下列公式：Vs1=Vs+V2 （3-5）其中Vs系统内的水量，L；1谁在温度t1时的密度，kg/m3；2谁在温度t2时的密度，kg/m3；用膨胀水箱的容积V，代替公式（1）中的V，得到：V=12-1Vs （3-6）水在4时的密度最大，为1000 kg/m3，系统的水温最高为85，这时的密度为0.969 kg/m3。带入公式（5）：Vmax=0.033Vs经过计算估计，冷却系统中的水量在0.5m3以下，安全起见以0.5m3计算，得到Vmax=0.0165m3查阅膨胀水箱的相关资料，选择高320mm，直径为248mm 的膨胀水箱。如图3-2，图中1的位置是加注冷却水的管口，2的位置是压力表安装位置，3的位置是放气管道的位置，4是水位计的安装位置，5是膨胀水箱出水口，6是进水口。图 32 膨胀水箱结构图图 33 膨胀水箱3.5 放气阀的设计当膨胀水箱内的压力超过限定压力时，需要通过释放一部分空气来打到降压的目的，在图3-2中位置3安装放气管道，官道上安装两个放气阀。一个是手动放气阀，使用普通的球阀，平常处于关闭状态，在特殊情况下打开，可是迅速释放膨胀水箱中的压力，使膨胀水箱中的压力迅速打到大气压力。另一个是自动放气阀，安装在手动放气阀之前，有一个设定的压力值，当膨胀水箱中的压力超过设定的压力值时，自动放气阀自动打开，释放一部分气体，直到膨胀水箱中的压力回到设定压力值时再次闭合。手动放气阀和自动放气阀在系统中位置如图3-4所示。图 3-4放压阀安装示意图3.43.53.43.53.5.1 自动放气阀安全阀在系统中起安全保护作用，当系统压力超过限定值时，安全阀打开，将系统中一部分气体排入大气，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不会因为压力过高而发生故障。安全阀又称为溢流阀。典型的安全阀有：活塞式安全阀、球阀式安全阀、膜片式安全阀。这三种安全阀都是通过弹簧提供控制力，调节弹簧的预紧力，即可以改变安全值的大小，这种安全阀又被成为直动式安全阀。在本系统中选择球阀式安全阀如图3-4所示。螺纹尺寸根据水管规格ND15，螺纹外径大小为18.5mm。根据冷却水的压力要求0.30.4MPa，将安全阀的安全值设定为0.4MPa。图 3-5 自动放压阀3.5.2 手动放气阀在为冷却系统注水的时候，需要排出大量的气体，这时候自动放气阀的排气速度已经达不到排气要求，所以需要在自动放气阀之后安装一个手动排气阀。手动放气阀在平常的工作状态是闭合的，当系统管路维修的时候，或者在冷却系统注水，排水的时候才会打开。本次设计的管路不需要特定的手动放气阀，采用普通的螺纹球阀作为手动放气阀。根据放气管路的尺寸，选择型号为Q11F的球阀，口径为DN15-80，材质为碳素结构钢Q235，公称压力为1.6MPa。图 3-6 手动放压阀（球阀）3.6 过滤器的设计过滤器是输送介质管道上不可缺少的一种装置,通常安装在减压阀、泄压阀、定水位阀或其它设备的进口端，用来消除介质中的杂质，以保护阀门及设备的正常使用。当流体进入置有一定规格滤网的滤筒后，其杂质被阻挡，而清洁的滤液则由过滤器出口排出，当需要清洗时，只要将可拆卸的滤筒取出，处理后重新装入即可，因此，使用维护极为方便4 王博. 新型D型螺栓双“O”形环过滤器快开盲板结构研究.北京化工大学硕士学位论文.2010。本冷却系统选用Y型过滤器。Y型过滤器具有结构先进，阻力小，排污方便等特点。过滤器安装在膨胀水箱出水口下面和发动机进水口之前，用来取出冷却液中的颗粒杂质和水垢，防止堵塞板式换热器和发动机机体的管路、水泵等。Y型过滤器的进出口径与膨胀水箱的出口管径一致，选择DN50的管径。由于冷却系统的冷却水压力为0.3MPa0.4MPa，Y型过滤器的公称压力可以选择最小的1MPa，完全可以满足使用要求。过滤网选择GB/T5330-2003标准规定的00385号滤网。过滤器的材质一般与所接管道的材质相同，冷却水的压力较低，也可以选用铜质的过滤器。如图3-7、图3-8所示图 3-7 过滤器图 3-.8 过滤器结构图3.7 阀门的设计系统使用的阀门有两种：一种是普通的球阀Q11F，另一种是电磁阀。3.63.73.7.1 球阀球阀在标准GB/T21465-2008阀门术语中定义为：启闭件（球体）由阀杆带动，并绕阀杆的轴线作旋转运动的阀门。主要用于截断或接通管路中的介质，亦可用于流体的调节与控制，其中硬密封V型球阀其V型球芯与堆焊硬质合金的金属阀座之间具有很强的剪切力，特别适用于含纤维、微小固体颗料等介质。而多通球阀在管道上不仅可灵活控制介质的合流、分流、及流向的切换，同时也可关闭任一通道而使另外两个通道相连。球阀的主要特点是本身结构紧凑，密封可靠，结构简单，维修方便，密封面与球面常在闭合状态，不易被介质冲蚀，易于操作和维修，适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，而且还适用于工作条件恶劣的介质，如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等，在各行业得到广泛的应用。球阀阀体可以是整体的，也可以是组合式的。球阀不仅结构简单、密封性能好，而且在一定的公称通经范围内体积较小、重量轻、材料耗用少、安装尺寸小，并且驱动力矩小，操作简便、易实现快速启闭，是近 十几年来发展最快的阀门品种之一。球阀是由旋塞阀演变而来的，它的启闭件作为一个球体，利用球体绕阀杆的轴线旋转90实现开启和关闭的目的。球阀在管道上主要用于切断、分配和改变介质流动方向，设计成V形开口的球阀还具有良好的流量调节功能。本系统的球阀全部选择Q11F型内螺纹直通式球阀，公称直径分别为DN15和DN40。公称压力为1.6MPa。图 38 球阀剖面图图 3-9 球阀3.7.2 电磁阀电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀是自动控制系统的重要组成部分。温度传感器将收集到的温度信息传递给控制中心，控制中心根据获取的数据计算决定是否需要冷却水进入发动机的冷却循环系统，通过控制电磁阀的开启和关闭来控制进入系统中冷却水的流量。所以电磁阀是自动控制系统保持冷却水温度的关键。电磁阀选择型号为2W-40N热水电磁阀，动作方式：直动式；型式：常闭；流量孔径DN40；CV值：29；使用流体粘度：20CST以下；使用压力01MPa；介质温度-580；使用电压：VC200V；阀体材质：黄铜锻造；油封材料：NBR。如图3-10所示。图 3-10 电磁阀3.8 法兰的设计法兰又叫法兰盘或凸缘盘。法兰是使管子与管子相互连接的零件，连接于管端。法兰连接或法兰接头，是指由法兰、垫片及螺栓三者相互连接作为一组组合密封结构的可拆连接，管道法兰系指管道装置中配管用的法兰，用在设备上系指设备的进出口法兰，法兰上有孔眼，螺栓使两法兰紧连，法兰间用衬垫密封，法兰分螺纹连接（丝扣连接）法兰和焊接法兰和卡夹法兰，法兰连接由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺母组成。垫片放在两法兰密封面之间，拧紧螺母后，垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使连接严密不漏，法兰连接是一种可拆连接。按所连接的部件可分为容器法兰及管法兰；按结构型式分，有整体法兰、活套法兰和螺纹法兰，常见的整体法兰有平焊法兰及对焊法兰，平焊法兰的刚性较差，适用于压力p4MPa的场合；对焊法兰又称高颈法兰，刚性较大，适用于压力温度较高的场合，法兰密封面的型式有三种：平面型密封面，适用于压力不高、介质无毒的场合；凹凸密封面，适用于压力稍高的场合；榫槽密封面，适用于易燃、易爆、有毒介质及压力较高的场合5 阳复建. 法兰数字化制造CAD系统的开发.兰州理工大学硕士论文.20115。图 311 法兰由于系统冷却水的压强在1MPa以下，所以选择带颈螺纹法兰。根据GB/T9115.1-2000，对于通径DN40的水管，管道外径为48.3mm，法兰的外径为150mm，螺栓孔中心圆直径为110mm，螺栓孔径为18mm，螺栓规格为M16，螺栓数目为4，密封面外径为70mm，密封面高度为2mm，法兰高度为32mm，法兰颈外径为118mm，法兰厚度为18mm，倒圆直径为5mm，法兰内径为49.5mm。对于通径DN50的水管，管道外径为60.3mm，法兰外径为165mm，螺栓孔中心圆直径为125mm，螺栓孔径为18mm，螺栓规格为M16，螺栓数目为4，密封面外径为99mm，密封面高度为2mm，法兰高度为34mm，法兰颈外径为118mm，法兰厚度为20mm，倒圆直径为5mm，法兰内径为61.5mm。图3-12为DN50的法兰结构图。图 312 法兰剖面图根据GB/T6070-1995，法兰内密封圈选择矩形密封圈，材质为橡胶。DN50法兰密封圈内径为55mm，矩形尺寸为44mm。DN40法兰密封圈内径为44mm，矩形尺寸为44mm。图3-13为DN50法兰的密封圈。图 313 法兰密封圈3.9 弯头的设计在管路系统中，弯头是改变管路方向的管件。按角度分，有45及90180三种最常用的，另外根据工程需要还包括60等其他非正常角度弯头。弯头的材料有铸铁、不锈钢、合金钢、可煅铸铁、碳钢、有色金属及塑料等。与管子联接的方式有：直接焊接（最常用的方式）法兰联接、热熔连接、电熔连接、螺纹联接及承插式联接等。按照生产工艺可分为：焊接弯头、冲压弯头、推制弯头、铸造弯头等。 弯头的选择应该与管件一致，材质的应该与管件相同或者略高于管件，因为弯头比管件承受力更多的压力和腐蚀。由于本系统的压力不大，冷却水也没太大的腐蚀性，所以选择跟管件一样的材质：合金结构钢45Cr。弯头的公称直径按照管件的尺寸选择DN15和DN40。弯头接口选择内螺纹，螺纹规格别根据管件的外径，根据GB/T14626分别选择12和112。弯头端部外径分别为33mm和62mm，最小壁厚分别为3.0mm和4.0mm。图3-14为DN15弯头的结构图。图 314 弯头剖面图图 315 内螺纹弯头3.10 三通的设计三通为管件、管道连接件。又叫管件三通或者三通管件，三通接头，用在主管道要分支管处。三通有等径和异径之分，等径三通的接管端部均为相同的尺寸；异径的三通的主管接管尺寸相同，而支管的接管尺寸小于主管的接管尺寸。三通是用于管道分支处的一种管件。对于采用无缝管制造三通来讲，目前通常所采用的工艺有液压胀形和热压成形两种。三通的选择同弯头一样，应该与管件一致，材质的应该与管件相同或者略高于管件。三通的材质选择合金结构钢45Cr。三通的公称直径按照管件的尺寸选择DN15和DN40。三通接口选择内螺纹，螺纹规格别根据管件的外径，根据GB/T14626分别选择12 和1 12。三通端部外径分别为33mm和62mm，最小壁厚分别为3.0mm和4.0mm。图3-16为DN15三通的结构图。图 316 三通剖面图图 317 三通3.11 40/15接头设计异径接头又称异径管俗称大小头，用于两种不同管径的连接。异径接头的材质与弯头和三通一样选择合金结构钢45Cr，40/15接头选择内螺纹接头，螺纹尺寸与管件外径一样分别为20mm和48mm。异径接头的尺寸如图3-18所示。图 318 40/15接头的剖面图图 319 异径接头3.12 水箱的设计水箱的作用是为冷却系统持续的提供冷却水，实验室使用的水箱是不锈钢水箱。不锈钢水箱是继玻璃钢水箱之后新一代水箱产品，其产品采用SUS304不锈钢板精工模压而成，造型美观、经济实用、主体以久不坏。不锈钢水箱与其它水箱相比，具有重量轻、强度高、耐腐蚀、耐高温、水质清洁，防渗，抗震，永不生青苔，安装方便，无需维修，便于清洗等诸多优点。不锈钢水箱常见的有方形组合式水箱，立式圆柱形水箱，卧式圆形水箱。采用SUS304、SUS316L、SUS444等不锈钢板，冲压成型，周边用钨极氩弧焊接，具有强度高、重量轻、成本低、环保卫生等特点。制造标准为国家建筑标准设计图集02S101。实验室采用方形组合式水箱，组合式不锈钢水箱由sus304食品级不锈钢板冲压成型并拼装焊接而成，具有蓄水能力强、水箱强度高、水箱本身的质量轻、耐腐蚀耐氧化、外形简约美观、对于在良好的环境下，使用寿命长、后期保养方便等优点。是最具有前景的水箱产品。标准冲压板块10001000、1000500、500500、20002000随意配装现场组装焊接，无需吊装设备。组合水箱是不锈钢水箱模压板、304不锈钢拉杆相应不锈钢水管系统，由氩弧焊工焊接拼装而成。规格是根据用户需要装配，规格从1吨到500吨。已知发动机最大散热量和测功机最大散热量分别为69.3kJ/和63kJ/s。计算时假设发动机全负荷运转，所有热量全部传入冷却水，管道内没有热量损失。查表可知在一定压强下，水的比热Cp=4.188kJ/kg，水的密度为1000kg/m3。根据公式QW=CPmt (3-6)假设室温下水的温度为25，在发动机运行一小时后，冷却水的温度不超过35，所以t=10。可以得到：m=QW3600CPt=11.37103kgV=m=11.37根据冲压板的规格，选择10001000的组合为12m3的水箱。图 3143.13 水泵的设计水泵是输送液体或使液体增压的机械，它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体，衡量水泵性能的技术参数有流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等；根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型6 成丽. 浅谈水泵的维护与检修. 中小企业管理与科技,2011,(21)7 谢泳,李勇.实用Auto CAD基础绘图教程.徐州.中国矿业大学出版社.20078 成大先.机械设计手册（第五版）第二卷.北京.化学工业出版社.2007:1550-16119 叶玉驹,焦永和,张彤.机械制图手册（第四版）.北京.机械工业出版社.200810 傅秦生,热工基础与应用（第二版）. 北京.机械工业出版社.2007:110-21911 吉林大学汽车工程系.汽车构造（第五版）上册.北京.人民交通出版社.2007:232-2436。离心泵是利用高速旋转的叶轮所产生的离心力输送液体的一种机械。它具有如下特点：流量大、均匀、可用阀门调节，压头随流量变化而变化，结构简单，价格低廉，安装容易，转速高，可直接连电动机，体积小，运转平稳，维护操作方便，效率为65%92%。3.83.93.103.113.123.133.13.1 离心泵流量计算前面计算的换热器的冷却水入口流量为2.76L/s。根据CW测功机说明书当冷却水温度为20时，冷却水流量为2.72LkW/h，发动机输出功率为63kW，所以测功机的冷却水流量为0.05L/s。所以Qmax=Q换热器+Q测功机=2.81L/s设流量安全值为1.2，所以Qe=1.2Qmax=3.37L/s3.13.2 离心泵扬程计算离心泵的扬程又称为泵的压头，是指单体重量流体经泵所获得的能量。测功机的冷却水压力最大为0.1MPa，换算为水柱为0.01m水柱。管道水压损失通常为150Pa/m，估计管路长度在10m左右，所以管路损失水压为1.5MPa，换算为水柱为0.15m水柱。通过换热器的说明书得知冷却水压力为3.0MPa，换算为水柱为0.31m水柱。测功机和换热器的冷却水进水口高度不超过1.3m。所以水泵的计算扬程最大为Hmax=1.77m。设扬程的安全值为1.2，所以He=1.2Hmax=2.12m3.13.3 离心泵功率计算根据公式Ne=HeQeg (3-7)水的密度为1000kg/m3，重力加速度为9.8N/kg，所以Ne=0.02kW3.13.4 离心泵的选择通过查阅相关数据选择ISW型卧式单级单吸离心泵。选择型号ISW40-100（I）型离心泵。相关参数：流量Q=3.47L/m，扬程H=12.5m，效率62%，转速2900r/min，电机功率1.1kW，允许气蚀余量2.3m。图 315图 3164 系统的安装44.1 安装说明发动机水温调节装置应尽量靠近发动机，单边连接水管的管道长度不应大于2m。发动机出水管直接往上连接膨胀水箱的进水口，不能先往下走，再往上连接形成U型管，否则有可能在管道内形成气阻，导致发动机冷却水无法形成循环，严重状态下可能导致发动机冷却水开锅。在在发动机出水管道末端与膨胀水箱连接之前的位置，安装一个温度传感器，温度传感器将测得的温度送入温控仪，温控仪根据发动机的出水温度来决定冷却水的流量。膨胀水箱上设有压力表和自动放气阀。当系统内的压力上升到设定值时自动放气阀开启，保证系统内部的压力稳定，另外还有手动放气阀可以谁是放气。此外膨胀水箱上部还有冷却水注入口。板式热交换器固定在机架上，用管道与上方的膨胀水箱连接。膨胀水箱和换热器之间的管道上装有一个Y型过滤器，防止冷却水中的水垢等杂质进