（农业机械化工程专业论文）zl50装载机冷却能力的智能控制研究.pdf

y6 0 1 6 1 1 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研 究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要 贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本 人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规 定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质 本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：游 导师签名：型灿 山东农业大学硕士学位论文 摘要 目前z l 5 0 型装载机是我国装载机行业功率较大的一种机型，也是主 要的机型之一。它采用的冷却方式仍然是由发动机直接驱动大功率的风扇 直吹散热器的方法来进行散热。这种传统的散热方式其冷却能力只随风扇 转速( 即发动机的转速) 变化而变化，不能随机器热负荷变化而自动调节。 机器工作环境温度低时，机器升温太慢。环境温度高、工作负荷大时，散 热能力又严重不足，影响了方簪工进度。 本课题研究的就是对z l 5 0 型装载机的冷却系统进行改造设计。把汽 车发动机上的一些成熟技术加以利用，结合z l 5 0 型装载机的具体结构特 点，改造了散热器的布置方式及节温器结构，减小了主风扇的叶片安装角 度，并加装了两个辅助电风扇。利用单片机对电风扇及电控节温器进行智 能控制，实现了装载机冷却能力随其散热需要而自动调节的功能，尤其较 好地解决了装载机在高温环境下，大负荷工作时散热能力严重不足的问 题。 国产工程机械因高温散热能力不足，造成频繁停机、间歇作业，是用 户反映最强烈的问题。长期以来，一直困扰着国内各生产厂家。但因各方 面的原因，一直没有好的解决办法。本项研究，可以较好地解决这个难题。 本课题研究缩短了装载机低温预热时间，提高了效率，增强了装载机 的冷却系统在不同情况下的适应能力，较好地改善了装载机的高温工作条 件，极大地提高了机器长时间持续工作的能力。在国产装载机及其他工程 机械上开发推广此项技术，具有重要意义。 关键词：工程机械，智能控制，冷却能力，单片机 z l 5 0 装载机冷却能力的智能控制研究 a b s t r a c t n o w a d a y sz l 5 0w h e e ll o a d e r i so n eo ft h e p r e d o m i n a n ta n dh i g h e f f i c i e n c yt y p e s i nt h ef i e l d i t s c o o l i n gs y s t e m i s e n g i n e d r i v e nh i g h e f f i c i e n c y f a nt h a tc o o lt h e c o o l i n gm a c h i n ed i r e c t l y t h ea b i l i t y o ft h i s t r a d i t i o n a lc o o l i n gs y s t e mc a no n l yv a r yw i t hr o t a t i o ns p e e do ft h ef a n ( i et h e r o t a t i o ns p e e do ft h ee n g i n e ) i tc a l ln o ta d j u s ta u t o m a t i c a l l yw i t hh e a tl o a do f t h em a c h i n e + t h et e m p e r a t u r er i s e ss l o w l yw h e nt h ew o r k i n gt e m p e r a t u r ei s l o w ；i t sc o o l i n gc a p a b i l i t yi si n s u f f i c i e n tw h e n t h ee n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r ei s h i 曲，w h i c h w i l lh a m p e rt h ep r o c e e d i n go f w o r k t h i sr e s e a r c hi sa ni m p r o v e m e n to n d e s i g n i n go fc o o l i n gs y s t e m ，w h i c h u t i l i z em a t u r et e c h n i q u ei nc a r c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r eo fz l 5 0w h e e lb l a d e ， w e c h a n g e t h ea r r a n g e m e n ta n ds t r u c t u r eo f r a d i a t o r , r a d i a t o rw i t hs c m ( s i n g l e c h i pm i c y o c o ) ，t h u s f u l f i l lt h e o b j e c t i v e o f a u t o m a t i c a l l ya d j u s t i n g t h e c a p a b i l i t yo fc o o l i n gw i t hn e e d ，e s p e c i a l l yw h e nw h e e ll o a d e rw o r ka th i g h t e m p e r a t u r e ，a v o i dd e f i c i e n c yo f c o o l i n ga b i l i t y f r e q u e n tp a u s ea n dd i s c o n t i n u o u sw o r kd u et o t h ec o o l i n gs y s t e ma r e m a i n c o m p l a i n sf r o mt h eu s e rt od o m e s t i ce n g i n e e r i n gm a c h i n e a n dh a sb e e n c o n f r o n t i n gt h e f a c t o r i e sf o r l o n g t i m e t h i sr e s e a r c hp r o v i d e da ni d e a l s o l u t i o nt ot h i sp r o b l e ma n d p r o c e e d s i nt h ed o m e s t i cr e s e a r c ho nt h i sm a a e n i n c o n c l u s i o n ，t h i s d e v i c er e d u c e s e n g i n ew a r m - u p t i m ea tl o w t e m p e r a t u r e ，i n c r e a s e s t h e r m a le f f i c i e n c y , b o o s t su pa d a p t a b i l i t yo fe n g i n e c o o l i n gs y s t e mi nd i f f e r e n tw o r k i n gs t a t u s i ti m p r o v e st h ew o r k i n g c o n d i t i o n f o rw h e e ll o a d e rw o r ku n d e rh i g ht e m p e r a t u r ea n ds i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e st h e a b i l i t yo f t h em a c h i n et ow o r kc o n t i n u o u s l yf o rl o n gt i m e i tw i l lb eo fg r e a t i m p o r t a n c e t o a p p l y t h i s t e c h n i q u e i nd o m e s t i cw h e e ll o a d e ra n do t h e r e n g i n e e r i n g m a c h i n e s k e y w o r d s ：e n g i n e e r i n gm a c h i n e ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，c o o l i n ga b i l i t y , s c m 2 山东农业大学硕士学位论文 1 概述 1 1 研究的目的和意义 1 1 1 装载机冷却系统的主要作用 装载机冷却系统包括发动机部分的水冷却、变矩器部分的油冷却和转 向工作装置的油冷却三大部分。它和一般的汽车冷却系统有很大的区别。 因为一般汽车仅仅是发动机的冷却。而且装载机冷却系统的工作环境和工 作条件也和汽车很不一样。汽车大多数时间是处于高速行驶状态，而装载 机大多原地或近距离作业，且作业环境往往很恶劣。装载机的冷却系统不 仅复杂，而且涉及面广，主要有以下几方面： 1 发动机冷却系统的作用 装载机上的发动机工作时，气缸内气体温度高达2 2 0 0 2 8 0 0 k 。与高 温燃气相接触的零件强烈受热，不加以适当的冷却会使内燃机过热，导致 充气效率下降，燃烧不正常( 爆燃、早燃等) ，机油变质和烧损，零件的 摩擦和磨损加剧。结果内燃机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶 化。但内燃机冷却过强时，柴油机工作粗暴，散热损失和摩擦损失增加， 零件的磨损也增加。也会使内燃机工作部件损坏。实践表明，内燃机经常 在过冷状态( 冷却水温4 0 - 5 0 c ) 下使用时，其零件磨损比正常工作温度 ( 8 0 9 0 ) 下运转时大好几倍。因此发动机冷却系的主要任务就是保证 内燃机在最适宜的温度状态下工作。 2 变矩器及工作装置的油冷却 变矩器作为装载机上的传动装置，其效率较低，( 由本身特性决定) ， 且因传递功率很大，故在工作过程中产生大量热量。装载机的转向及工作 装置的泵、阎、油缸在工作过程中因阻尼、压力等原因也产生大量的热量。 使得油温很快上升1 0 0 以上，甚至达1 2 0 。油温过高，使传动效率进 一步下降，油封迅速老化，机油变稀，甚至变质，机件磨损加剧，液压泵 齿轮间隙变大，效率下降，轴承内孔与轴承间隙变小甚至卡死，使用维修 成本增加。( 传动装置的正常工作温度8 0 c 左右，液压泵、阀的最佳工作 温度为5 0 4 ) 。故在装载机上除了有给发动机散热的水散热器外， 还安装有给传动及工作装置散热的油散热器。 z l 5 0 装载机冷却能力的智能控制研究 1 1 2 本课题研究的主要目的和意义 我国国内生产的装载机，在使用过程中暴露出来的最明显的问题，首 先是夏季工作时，发动机温度上升很快，尤其是变矩器及工作转向装置的 油温更是很快就上升到1 0 0 以上，甚至到1 2 0 。严重影响了装载机的 正常工作，有时甚至不得不停机休息，以便使机器的温度降下来。与国外 同类机型相比，持续工作时间明显偏短，工作效率明显偏低。也就是在这 种情况下，装载机的冷却能力严重不足。 其次，是冬季预热缓慢问题。因考虑到装载机夏季过热问题，常常把 装载机冷却系统的冷却能力设计得较强，尤其是风扇功率较大( 7 - 8 k w ) ， 这样必然造成冬季环境温度较低时，装载机起动后还需经过1 5 2 0 m i n 甚 至更长的时间，发动机水温及各部分的油温才达到较理想的范围。也就是 说这种情况下装载机的冷却能力又相对过剩。此时，风扇和水泵因受驱动 方式的限制，还在运转，不仅妨碍机器的升温速度，加剧机器低温磨损， 而且白白消耗掉发动机大量的有效功率。另外，发动机冷却系统中的传统 节温器节流阻力太大，影响发动机散热器的水循环流量，从而影响其散热 量。 本课题的研究，即对作为装载机主要的组成部分的冷却系统经过智能 化改造之后，取得了比较好的效果。装载机各部分的工作可靠性和稳定性 改善了很多，预热时间也明显缩短，而且通过改进某些部件，持续工作时 间延长，工作效率有了较大提高，燃油消耗率也有了一定降低，在国产装 载机上采用此项技术，经济效益和社会效益会非常可观。 1 2 国内外工程机械现状 1 2 1 国内工程机械现状 因为历史的原因，我国的工程机械行业，起步晚，基础薄弱。尽管经 过近几年的快速发展，但其整体水平仍然较低。近期发布的中国企业发 展报告( 2 0 0 2 ) 说，我国最大的工程机械集团年销售收入不足1 0 0 亿人 民币，而美国的卡特彼勒公司收入竟达2 0 0 亿美元，就连德国一家3 0 0 人 的小型生产企业的年收入也在1 6 亿欧元。这种实力差距表现在：一是技 术水平低，产品市场竞争力不强。在设计技术方面，国内c a d 覆盖率仅为 5 左右，多数产品根本不具备国际竞争力。二是技术开发和创新能力薄弱。 山东农业大学硕士学位论文 我国重点企业用于科研开发费仅占年销售额的2 左右，与发达国家1 0 的比例相距甚远。三是工程企业负担重，管理落后，各自为政，生产能力 难以形成规模，技术上难有创新，缺乏自己的知识产权。 基于以上原因，我国的工程机械技术含量低，不论在发动机技术，还 是传动工作装置等各方面均比较落后。尤其是工程机械的冷却系统仍然采 用传统的冷却方式：大功率风扇由发动机直接驱动，石蜡节温器、传统机 械式水泵等，使得机器的各项性能指标：可靠性、动力性、经济性等都比 较差。而且在日益重视空气、环保发展趋势下，其尾气排放问题也显得越 来越严重。国内有关上述方面的研究，也仅在汽车上有所涉及，工程机械 方面几乎是空白。 1 2 2 国外工程机械现状 国外工程机械电子化、信息化正在不断普及，目前几乎所有工程机械 都采用电控技术，以提高其使用性能。目前主要工程机械厂家( c a t 和小 松) 都采用了随工况改变发动机特性曲线的控制。如：c a td h p ( d u a lh o r s e p o w e r ) 转速感应型双马力系统，c a th e u i ( h y d r a u l i ce l e c t r o n i cu n i t i n j e c t i o n ) 电液控制燃料喷射系统和小松电子调整器等。 液力机械传动系统控制：c a t 采用可变容量变矩器 ( v a r i a b l e - c a p a c i t yt o r q u ec o n v e r t e r ) 。小松采用换档品质控制：电 子控制调压阀e c w v ( e l e c t r i cc o n t r o lm o d u l a t i o nv a l v e ) 、液压传动系 统：液压功率和发动机功率匹配充分利用动力全功率控制，如转速感应控 制e s s ( e n g i n es p e e ds e n s i n g ) 。 工程机械行走系统：转向系统的电操纵杆转向；有速度调整和带位移 反馈的两种形式。制动系统有a b s 防抱死系统等。 综上所述，国外在工程机械上采用了一些比较先进的技术，使得工程 机械的各项性能都比较好，而国内因为前述原因，使得国产工程机械还停 留在比较低的水平上，尤其面对装载机冷却系统存在的这些严重问题，各 个生产厂家及研究机构在这方面进行的研究也较少，到目前为止还没有好 的解决办法。随着科学技术的飞速发展，尤其是电子控制技术在汽车上的 广泛应用，车用冷却系统的发展趋势将是冷却能力的精确控制。有些技术， 在汽车上已得到广泛应用，但国内装载机上，还极少采用智能控制。而随 z l 5 0 装载机冷却能力的智能控制研究 着现代施工大型化的要求，新一代工程机械不仅需要实现集成化操作和智 能控制，而且需要它们能够组成基于网络的智能化机群坍同控制系统，以 获得项目施工的高效，在规定的时间内完成项目施工任务。因此，加快国 产工程机械的智能化研究，具有重要意义。 1 3 本课题的研究内容和技术指标 1 3 1 研究内容 1 散热器结构的改进研究 2 主风扇的改进及电动风扇造型研究 3 电控节温器的选用 4 发电机功率匹配 5 控制电路的设计研究 1 3 2 技术指标 1 较好解决z l s o 装载机过热问题，延长机器长时间持续工作能力。 2 机器低温预热时间缩短1 5 - 2 0 分钟。 3 装载机节能降耗效果明显。 1 4 研究方法和技术路线 1 4 1 研究方法 1 z l 5 0 装载机传统冷却系统的性f 毙$ t j 试试验 1 ) 冬季，从整机库中随机抽取z l 5 0 装载机样机一台，起动装载机， 测试此时机器预热时间。 2 ) 夏季高温环境下，z l 5 0 装载机大负荷工作时，测试水散热器及油 散热器的温度，测试其高温环境下的工作能力。 3 ) 测量传统节温器的节流损失。 利用比丘管法测定在发动机正常工作时，因蜡式节温器的节流作用造 成冷却系统的流量损失。 2 智能冷却系统的设计 1 ) 改进散热器的结构及布置方式 通过计算及试验确定油散热器的散热面积及布置方式。 2 ) 减少主风扇的叶片安装角度，加装电控风扇。 通过反复计算、试验确定主风扇叶片的最佳安装角度，确定电风扇驱 6 山东农业大学硕士学位论文 动电机的功率、转速、工作电流等：经过反复试验改进后选用最佳功率的 电机；确定电控风扇的尺寸、叶片造型及材料。同时要考虑适当增大发动 机上发电机的功率匹配，以满足因增加电控风扇耗电量而增加的功率需 要。 3 ) 电控节温器的选用 根据装载机发动机散热能力不足的特点，选用流动阻力小的电控节温 器。选用的节温器是利用电加热引起记忆合金变形而实现自控的电控节温 器。它通过记忆合金片转动节温阀，调节冷却水的循环路线。它的特点是 节流阻力小，易实现电控。 3 控制电路的设计 1 ) 硬件设计： 根据整体设计方案，确定设计内容： 一是单片机扩展部分的设计；二是功能模块的设计：a d 转换、信号 采集放大及输出驱动模块。 2 ) 软件设计 绘制程序流程图，合理分配片内r a m 和扩展e 2 p r o m 。 4 z l 5 0 装载机智能冷却系统的性能对比测试试验。 冬季测试低温预热时间，夏季测试高温环境下的持续工作能力。 1 4 2 技术路线 1 改进油散热器结构，通过减少油散热器散热管排数，使得油散热 器变薄，通风阻力变小。同时串联上辅助油散热器，并利用电风扇对其吹 风散热。 2 减小主风扇的叶片安装角度，可阻减少发动机的功率消耗。 3 将传统的节温器改为利用电加热引起记忆合金变形而实现自控的 电控节温器，这样可以极大地减少冷却水的流量损失。 4 利用单片机对电风扇及电控节温器实行智能控制。 控制原理：把从机器上用传感器采集的水温和油温信号转化为电信 号，再通过a d 转换成数字信号输入单片机对电风扇及电控节温器进行智 能控制。 2 冷却系统对装载机性能的影晌 z l 5 0 装载帆冷却能力的智能控制研究 2 1 概述 装载机的冷却系统在维持其发动机、 传动系及工作液压装置的正常工作方面， 发挥着极其重要的作用。 目前，z l 5 0 型装载机是我国装载机 行业功率较大的一种机型，也是主要的机 型之一。它采用的冷却方式是由发动机直 接带动的大功率的风扇直吹水、油散热器 进行散热，同时液压油的部分热量靠油箱 表面散去。 进进 水油 口口 出出 水油 口口 图2 1 传统冷却系统图 f i 9 2 - 1t r a d i t i o n a lc o o l i n gs y s t e m 其冷却系统由发动机冷却系统、传动系冷却系统和工作转向装置冷却 系统组成。发动机冷却系统用水作为冷却介质，传动系统和工作转向装置 冷却系统采用油作为冷却介质。通过水和油的循环运动和散热器的对流换 热作用带走工作中产生的热量。散热状况的正常与否，直接影响到水温和 油温的高低，从而对整个机器的工作产生重要的影响。 2 2 发动机冷却系统对其动力性和经济性的影响 发动机在工作中，零部件要承受很大的机械负荷和热负荷。柴油机气 缸内的气体温度可达1 5 0 0 - 2 0 0 0 ，汽油机可达2 0 0 0 2 5 0 0 。除机械负 荷产生应力外，热负荷也会在零件内引起热应力。由传热学原理可知，只 要同一物体内部各点或两个互相接触的物体间温度不同，就会通过热交换 引起一个温度补偿过程。在此过程中，一个物体的两个不同温度点之间将 产生热流量。在热流量的作用下，同时由于热传导条件的不同，在发动机 各零件内部会形成一定的温度场，零件中的每一点均可由该点的温度及其 周围的温度梯度来表示。 各零件的热应力，取决于温度和温度梯度，且可表现为不同形式。例 如，气缸套和活塞的最大热负荷受润滑条件的限制，温度超过2 4 0 。就 会因机油碳化，使活塞环胶结失去弹性并刮伤缸壁，磨损加剧；轻金属活 塞的热应力是受温度制约的，随着温度的增加，铝合金的强度将很快降低， 温度达到3 8 0 5 0 0 ( 2 以上，就不可能保证可靠运转，活塞与活塞环及缸套 8 山东农业大学硕士学位论文 间的配合间隙就会破坏，从而导致卡滞而引起严重故障。排气门的寿命同 样受温度的控制，由于材料和热处理方式不同，温度大于6 0 0 7 0 0 时， 钢的硬度便开始下降，因而不能防止凹痕的发生，将会因散热差产生高的 温度梯度，从而导致裂缝的形成等。上述是因发动机热负荷增大而引起发 动机过热将会产生的后果。此外，发动机过热还将使充气系数下降，燃烧 不正常( 早燃、爆燃等) ，机油易变质及烧损，使零件之间的摩擦和磨损 加剧，从而导致发动机的动力性能、经济性能，以及可靠性能和耐久性能 下降。因此，必须对发动机的主要受热零部件进行冷却。“”“ 对发动机的冷却要适度，如果冷却强度过大，散发的热量过多( 正常 情况下，冷却系的散热量为燃料燃烧所发出热量的3 0 左右) ，发动机温 度过低，也会带来恶性后果。首先，冷却介质带走的热量过多，使熟效率 降低，发动机工作过程不完善，动力性能和经济性能下降：其次，柴油机 温度过低，燃油雾化不好，发动机的粗暴性增加：混合气与缸壁接触冷凝， 沿缸壁流下，不仅洗刷掉油膜，而且稀释油底壳机油，使其粘度下降并变 质，从而磨损加剧；另外，燃气中含有一定数量的水分，而水蒸气的分压 和露点有一定关系。显然，当气缸壁附近的温度降低到露点，饱和水蒸气 就会凝结成水贴附在缸壁上。实验证明，只要比正常水温低2 0 ，便会 产生很大的低温磨损。润滑油膜对中性水有很大的防护能力，低温下油膜 被凝结的燃油冲刷掉，就会造成金属腐蚀，这是因酸性水造成的。通常燃 油中含硫，柴油的w 。为0 3 - 1 ，汽油的w 。在0 1 以下。硫以化合态结合 在各种分子中，因燃烧，硫变成二氧化硫，部分二氧化硫由于碳和铁的触 媒作用而氧化成三氧化硫，三氧化硫与燃烧生成物中的水结合成硫酸蒸 汽，存在于燃气之中。当然，大部分二氧化硫和三氧化硫以气态随废气排 出，少量的二氧化硫和三氧化硫留在气缸内，也因气缸壁有机油而不会和 金属接触，对磨损几乎无影响。但硫酸与凝结水呈酸性水后，情况就大不 相同。试验证明陋”14 7 1 ，酸性水的露点比纯水高得多。纯水露点，汽油 机为5 0 。c ，柴油机为4 0 。c 。但如果燃气中水蒸气分压为5 ，而燃气中的 硫酸那怕只有0 0 0 0 5 ，它的露点也会升高到1 1 4 ( 2 ，此时就凝结成8 0 的 高浓度硫酸( 仅有5 水蒸气时的露点为3 34 c ，所以露点上升了8 5 c ) 酸性 水可以立即侵蚀油膜，引起严重的金属腐蚀。有人认为，在气缸内高压的 9 z l 5 0 装载机玲却能力的智能控制研究 情况下，即使只有水蒸气，露点也相当高。因此在膨胀行程中，燃气中的 水蒸气凝结在缸壁上，尤其低压时，又再次蒸发成水蒸气，并反复进行。 此时如果燃气中含有酸( 除硫酸外，还可能有其它有机酸) ，则酸同水分 一起凝结。但由于酸不易蒸发而残留下来，逐渐增大其浓度。“缸壁温 度越低，凝结得越多，且时间越长，这已成为金属表面强烈腐蚀磨损的原 因。 由上述可知，发动机过热和过冷都是不利的，冷却系的功用就是维持 发动机的最适宜的温度状态下工作。 2 3 装载机传统冷却系统的缺点 2 3 1 冷却能力相对不足 环境温度高工作负荷大时，不仅发动机容易过热，功率下降，而且传 动系统及工作装置因油温过高，机器工作效率下降很多，机件磨损非常严 重。 1 风扇效率低而且功率损失大 冷却风扇是由发动机直接驱动的。装有风扇的发动机与装有风罩的散 热器必须分别用弹性支座固定在车架上，为了避免车辆在运行中因振动而 引起风扇与风罩相碰，风扇叶片与风罩的径向间隙值至少为1 5 - 2 0 m m ，这 就极大地降低了风扇的容积效率。再加上风扇机械效率损失较大及液力效 率较低，使得风扇总效率仅为3 0 左右。州 受驱动方式的限制，冷却风扇只能安装在散热器与发动机之间的狭小 空间内，空气流动阻力增大，即增大了风扇压力，由于风扇总效率较低， 故风扇消耗发动机大量的有效功率约5 1 2 。 2 风扇驱动方式的缺点 受风扇驱动方式的限制，水散热器和油散热器只能叠加在一起安装在 风扇后( 装载机是风扇向后吹风散热) 。而且散热器迎风面积不能做得太 大( 受限于风扇尺寸) ，故只能增加散热器散热管排数以弥补通风面积的 不足，这样增加了散热器厚度，使空气流动阻力变大，风速下降。风速是 决定散热器散热能力的主要因素。散热器前风速主要取决于风扇的转速 ( 叶片安装角大小也影响风速) ，亦即取决于发动机转速。当发动机大负 荷工作时，风扇转速下降，散热器冷却能力降低。故而要通过提高风速来 l o 山东农业大学硕士学位论文 加大散热量，就要使风扇叶片角加大和提高风扇转速。风扇所消耗的功率 又与其转速的三次方成正比。再有如前所述，风扇的总效率又较低，使 风扇消耗掉发动机大量的有效功率( 仅驱动风扇一项消耗的功率就高达 7 - 8 k w ) ，消耗的功率又加剧了机器的过热。 3 传统节温器的缺点 传统节温器以石蜡和乙醚作为反应介质，反应缓慢，节流阻力大。散 热器散热量以1 4 次方比例随冷却液流量而增加，通过试验可知传统节温 器造成的流量损失很大。 另外，因装载机本身的结构特点，使它的发热源大而多。z l 5 0 型装 载机的发动机功率为1 6 2 k w ，工作时产生大量的热；其传动装置变矩 器以油作为传动介质，其效率点最高仅为8 5 而不可避免地成为一个大热 源；工作装置和转向装置的泵、阀及油缸等在工作过程中，因阻尼、压力 等方面的原因，也产生很多热量。且装载机基本上是原地作业或近距离作 业，靠自然风的冷却因素非常小。 基于以上几方面的原因，在夏季环境温度较高的工作条件下，装载机 的散热问题非常突出。 2 3 2 冷却能力相对过剩且功率浪费大 装载机冬季使用时，尤其在我国北方地区，环境温度低，预热时间较 长，此时风扇却在工作。尽管发动机冷却水处于小循环状态，但因风扇作 用，使发动机周围冷空气流动速度较快，延长了机器低温预热时间，造成 机器低温磨损更加严重。而且因风扇功率较大，额外消耗发动机较多的功 率，造成功率浪费大。 2 4 装载机冷却液温度对其可靠性和使用性熊的影响 装载机传动系主要的部件变矩器，是安装在发动机与工作装置之 间，以矿物油为工作介质，将发动机的功率传递给工作机的柔性传动装置。 由于随外界负荷的变化，变矩器可自动调节输出的转速和力矩，从而减少 甚至消除对发动机和装载机上其他传动部件的冲击，提高使用寿命。因为 变矩器的工作特性( 如图2 2 ) ，决定交矩器最高效率点为8 5 ，且高效区 范围较窄。 z l 5 0 装载机冷却能力的智能控制研究 故装载机在工作过程 中，因变矩器效率较低而产 生大量的热量，从而对装载 机冷却能力提出了更高的 要求。故装载机的冷却系统 比普通车辆的复杂，即除了 发动机的水散热器外，还叠 加了用来对装载机传动及 转向工作装置进行散热的 机油散热器。z l 5 0 装载机冷 却系统消耗掉的发动机功 0 00 1o 2 o 3 0 4 0 50 60 7o 8 0 91 o 传动比 一效单一满靶扭矩一菜轮扭矩 图2 2 变矩器与柴油机联合特性曲线 f i 卫2 - 2t h ec i i t v ( ：o f c o m b i n e ds p e c i f i c p r o p e r t yo f t o r q u ec o n v e r t e ra n dd i e s e le n g i n e 率，仅驱动风扇一项就高达7 - 8 k w 。过高的功率消耗又加剧了发动机过热， 装载机一般又是近距离或原地作业，利用自然风的散热的条件较差。基于 以上原因，装载机冷却液的温度极易出现过热现象。尤其在夏季高温环境 下作业时，随着冷却液温度的升高使得润滑油的动力粘度急剧下降，各部 件的摩擦磨损急剧增加，传动装置的传动效率下降，工作装置的泵、阀等 无法正常工作，致使装载机间歇作业，严重影响了工作效率。 3 智能冷却系统的工作原理 3 1 智能冷却系统组成及工作原理 如图3 - 1 所示，把z l s 0 装载机传统冷却系统中的油散热器排管数减 少，以减少主风扇向发动机水散热器吹风时的风阻；适当减小主风扇的叶 片安装角度，可以适当减少z l 5 0 装载机低温预热时间并节省主风扇的功 率消耗。 加装辅助油散热器，并安装双速电风扇对其吹风散热；将传统的石蜡节温 器改为电控节温器，以减小水循环阻力。利用单片机对电风扇及电控节温 器实行智能控制。智能冷却系统工作过程如下： 油温低于8 0 时，电动风扇不工作。当油温处于8 5 9 0 = c 时，控制电 路接通双速电动风扇的低速档；油温达到9 0 c 时，即接通双速风扇的高 速档。这样可以控制油温保持在9 5 以下。 哥鼹 o 9 8 7 6 s 4 3 2 0 ，o o o o o o o o 玑玑 山东农业大学碗士学位论文 油敕熬器 圆 辅助油敬热器 2 豁魏箍霰蠢毒芋翟鼠蓄妻蕃荔吾萼水温传感器 图3 - 1 智能冷却系统 f i 9 3 - li n t e l l i g e n tc o o l i n gs y s t e m 传统的节温器改为利用电加热引起记忆合金变形而实现自控的电控 节温器。发动机水温8 0 以下时，节温器处于小循环状态，水温8 5 ( 2 时， 节温器转入大循环状态。 3 2 电控原理 如图3 - 2 所示，由温度传感器感测发动机水温及机油散热器油温，经 信号放大后，通过a d 转换把信号送给单片机处理，单片机根据预定的程 序运算后发出指令，再通过信号放大送给开关控制机构，最后打开风扇或 者节温器；风扇、节温器工作一段时间后，水温下降，温度传感器又把测 得的温度信号传给单片机，如果此时的温度已低于程序设定时，则发出指 令关闭风扇或者节温器，从而保证发动机水温的相对稳定，装载机的油温 保持正常，提高了装载机的工作可靠性。 z l s 0 装载机冷却能力的智能控制研究 图3 - 2 电控原理图 f i g 3 2e l e c t r i cc o n t r o lp r i n c i p l e 4 智能控制系统的设计 4 1 工程机械传动系的热平衡计算 在现代工程机械的传动系统中，所传递的功率有了大幅度的提高，但 传递结构却依然大量采用齿轮摩擦传动，其热损失不仅对系统的润滑和冷 却有影响，而且对结构元件的工作强度也具有很大的影响，因此研究传动 系统的发热问题是具有一定实际意义的。 4 1 1 传动系中的发热分析 车辆传动系统的发热由若干局部热源组成，主要有变矩器、变速器、 转向机构、主传动、轮边传动、轴承等，由于这些机构中都有磨擦存在， 都会造成传动功率的损失，因而都是热源，而且零件在运转中搅油也产生 热量，分析时采用分项计算后再迭加之。 1 变矩器的发热 在稳定工况下机构在传动过程中的功率损失全部转换为热能，此时变 矩器的发热由变矩器的效率nl 和输入功率n o 确定： q 1 = 6 3 2 ( 1 - n 1 ) n o 其中，z l 5 0 装载机的nl 值取o 8 0 0 8 3 2 变速器的发热 大部分工程车辆中采用了行星传动，而行星传动的发热可按行星变速 4 山东农业大学硕士学位论文 机构和换挡摩擦元件来分项计算。对于行星变速部分，其发热与传动效率 r 【2 和输入功率n l 有关： q 2 = 6 3 2 ( 1 一n2 ) n i 对于摩擦元件部分，其发热量主要与输入转矩、传动比、转动惯量和 换挡接合时间等有关，具体计算公式可参照文献4 9 中的介绍。 3 主传动和轮边传动的发热 主传动和轮边传动的发热问题实际上是齿轮啮合面的摩擦发热，即是 齿轮传动的效率问题。很多实验研究表明正常工作时齿轮传动效率的变化 很小，圆柱齿轮啮合对的传动效率在0 9 7 左右，锥齿轮啮合对传动的效 率在o 9 5 左右。这样，齿轮传动的效率用下式来计算： n 3 = 0 9 7 “0 9 5 n ， 式中：n 一圆柱齿轮的啮合对数 m 锥齿轮的啮合对数 nx _ _ 行星齿轮传动的效率 主传动和轮边传动的发热可以写为： q 3 = 6 3 2 ( 1 一n3 ) n z 4 工作转向装置的发热 轮式装载机的工作、转向装置的泵、油缸等液压系统工作时，存在着 容积损失和机械损失，管路和各种阀类元件通过液流地产生压力损失和泄 漏。所有这些损失消耗的能量均转变成热量。这部分热量计算较复杂，可 按下式来计算： q 4 = = 圭( 只，- e 2 ，) ，= 1 式中： t 工作循环周期( t 厂一第i 工作阶段的持续时间( s ) pl i 第i 工作阶段泵的输入功率 p 2 厂一第i 工作阶段系统的输出功率 5 轴承的发热 传动系中轴承的发热量占较大比例，其发热计算可近似按下式考虑： z l 5 0 装载机冷却能力的智能控制研究 q s = 6 3 2 ( 1 - ) n o 式中：n 轴承传动的效率，有很多影响因素，但在轴承的润滑较 为正常时期，实验表明滚柱和滚珠轴承效率约为o 9 9 5 ，对圆锥滚子轴承 约为o 9 9 ，对滚针轴承约为0 9 9 2 ，则对整个机构的轴承效率可写为： n = o 9 9 5 。0 9 9 y 0 9 9 2 2 式中：x 、y 、z 系统中滚柱滚珠轴承、圆锥滚子轴承和滚针轴承 数量。 6 搅油的发热 在传动系的变速器和后桥箱中有搅油存在，产生的热损失可以这样来 考虑：当机器的运行速度v 小于1 0 k m h 时按传动箱中发热量的1 0 考虑， 当机器的运行速度v 大于1 0 k m h 时按下式计算： q 6 = 1 4 7 e o 3 7 4 1 2 传动系中的散热分析 由于传动系中的温度相对较低，辐射热很小可忽略不计，所以传动系 箱体的散热主要有两种形成，传导散热和对流散热。传导散热的分析基础 是傅立叶基本定律，若两外表面的温度为t l 和t 2 ，则根据传热学理论传导 散热为：。“刚 q _ 尝( t 1 t 2 ) o 式中q 一热密度( j m 2 - s ) 一材料导热系数( j m 2 s ) 6 一壁厚( m ) 分析对流散热时，若已知散热系数a ，则可用牛顿公式计算： q = 口( t 1 - t 2 ) 1 壳体裸露表面的散热 传动箱壳体裸露表面的散热是传导散热和对流散热的综合，其传热过 程可看成是被平壁分开的两个介质之间的热交换，且由三个阶段组成：一 是热流体向平壁散热，二是平壁的导热，三是平壁向冷流体散热。综合考 虑这三个阶段可写出传热方程： q k = k f ( t l - t 2 ) 式中：k 传热系数， 山东农业大学硕士学位论文 它表示当箱体和空气间的温差为l 时，每秒通过1 m 2 与空气接触之 散热表面所散走的热量，其影响因素非常复杂，k 一般取 1 0 1 8 j ( m 2 s ) ，f 为箱体冷却表面积。 另外，也可按如下所述的近似方法简化计算：当箱体的壁厚6 比箱体 的外表面半径小很多时，可近似认为箱体的容积为v = f6 2 ，此外f 是箱 体的冷却表面积，在熟交换进行到某一时刻t 时传热方程可写出d q = v q 。d t ，其中q s 是热源的热生产率，这样在1 h 内箱体表面的散热可按下式近 似计算： q k = 扣s 2 接触零件表面的散热 传动系箱体的一部分与其它零件相接触的表面通过传导进行散热，近 似考虑时，当接触物体表面的温度在整个热交换过程中保持不变，且存在 热生产率为q 。的连续热源时，传热量可用下面的简化公式计算： o j = 0 6 7 f q s p 2 式中：p 导热系数 4 1 3 热平衡温度的计算 忽略传动箱体中热形成或是热散发空间的不均匀性，则机构中产生的 热量应该等于在机构中保存的热量和通过箱体表面散发及通过油散热器 散发的热量之和，即传动系中的热平衡方程可写出如下： q i = q k + q i + q y 式中：q l 各机构的发热量总和 q 、- 一油散热器的散热量 解此方程即可求出热平衡温度t ，具体求解有两种方法，其差异主要 在于散热计算方法的不同。 1 简化计算法 利用前面所述的简化公式可直接计算出传动箱壳体裸露表面的散热 量和接触零件表面的散热量，而传动箱体内热量的差值a q 将使传动箱的 温度由工作前的空气温度t o 升高到t ，这样，平衡温度可用下面的公式计 算即可： z l 5 0 装载机冷却能力的智能控制研究 t = t o + 笔 c “ 式中：c 机构的平均比热容 。一机构的总重量 2 仿真迭代法 该方法用传热系数计算壳体表面散热，但因温度t 是未知的欲计算参 数，故而散热量e q 。也是未知的，这样在平衡方程中有两个未知量，给一 个初值后由计算机进行循环迭代运算，直到机构中的发热量与散热量平衡 为止，此时的温度即为平衡温度。“” 根据传动系的机构特点和传动系箱体的散热过程，可把传动系分成传 动箱和变矩器两个独立机构，根据传动箱体内的平衡温度分别计算其裸露 表面散热和接触零件散热，与传动系中的发热总量进行平衡计算，直至传 动系中的总散热相平衡。迭代计算方程为： 戳= ( f “) 蟛o = ( r “) 钟= g ( t ) r ( 1 k r 0 + 等 通过上述的分析计算知： ( 1 ) 在工程车辆传动系的设计中一般必须进行热平衡计算，并由此 来决定装备多大容量的传动系散热装置，如油散热器。 ( 2 ) 对传动系中热量的散发，主要由油散热器来完成，但传动系各 机构箱体也散发一定的热量( 主要是裸露表面散热) 。 ( 3 ) 计算热平衡温度的仿真迭代法，与传统的简化计算法相比，具 有数学模型更符合实际、迭代过程体现了系统热平衡的动态性等优点。 通过计算并试验，z l 5 0 装载机油散热器热走的热量应在9 7 1 0 3 k j h 左右。 4 2 散热器结构的改进设计 发动机所用的水散热器及结构不变，改动的是油散热器。 山东农业大学硕士学位论文 因为装载机上的散热器是通过风扇直吹散热的。故改动油散热器的基 本思路是：靠近风扇的油散热器迎风面积不变，将其厚度减小，以减少风 扇直吹所产生的风阻，部分弥补了发动机的水散热器因风扇角度减小而造 成的风量损失。另外增加辅助油散热器，以弥补因油散热器厚度减少而减 少的散热面积。 1 散热器的结构型式“” 冷却系统散热器的作用是将流经散热器的循环冷却液的热量被风扇 产生的冷风散走。散热器的结构基本有以下几种：( 1 ) 管片式散热芯子， 这种芯子的散热器是用的比较多的一种。冷却液从管内通过，管子外面套 有很薄的散热片，冷空气从散热片中流过，管子一般用黄铜做成的，管壁 厚0 1 5 0 2 m m ，散热片一般也是用黄铜做成的，厚度为0 0 8 0 2 0 r a m ：( 2 ) 管式芯子结构，管子为圆形管，外面套有厚0 2 - 0 3 m m 铜片做成的螺旋散 热片这种散热芯子空气阻力较大。( 3 ) 还有一种管带式冷却芯子，这种结 构的特点是散热效果好，空气阻力大，刚度不如管片式结构。 2 散热器主要技术参数的选定 散热器的散热能力用单位时间内所能散走的热量表示。它与散热器的 散热总面积、散热器的厚度、风扇的供风量以及通过散热器的空气流速等 因素有关。上述这些因素对散热器散热能力的影响是错综复杂的，预先要 确定这些因素与散热器散热能力之间的内在关系还很困难。为了找出它们 之间的内在联系，我们需要对现在的散热器作大量试验研究。 冷却系统中，散热器与风扇是紧密相关的。希望设计出的散热器体积 要小且散热能力要大，同时还要求风扇消耗的功率要小。也就是，在设计 时要找出风扇功率消耗和散热器尺寸间的最佳配合。“” 从下式可算出冷却系统带走的热量： 巾- = 3 6 0 0 q 。( t 2 - t ) c r 。( k j s ) ( 4 1 ) 经由空气带走的热量为： 巾产九 p c 。y 。( t 2 - t ) ( k j s ) ( 4 - 2 ) 式中a ，为散热器迎风面积( m 2 ) ； 为空气流过的总面积与迎风面积 之比，而a 。九是空气流过散热器的总面积；p 是散热器的空气通过率； ( i ) 。为散热器前的空气流速( m s ) ：c 。为空气比热，其值为1 0 0 4 k j ( k g 电) ； z l 5 0 装载机冷却能力的智能控制研究 y 。为空气密度，当环境温度在2 0 5 0 。c 时，其值为1 1 2 5 一1 0 5 k g m 3 ：t 、 t ：是散热器出进口处的温度