（机械设计及理论专业论文）液压挖掘机发动机冷却系统性能及工作参数匹配研究.pdf

中南人学硕十学位论文 摘要 摘要 液压挖掘机工作环境十分恶劣，尤其对于小型液压挖掘机，由 于其冷却风道空间有限，很容易造成发动机冷却水温过高的现象，从 而导致挖掘机工作效率以及使用寿命的降低。目前挖掘机厂家对于发 动机冷却系统的设计主要通过经验和反复试验来完成，这一方面延长 了设计的周期，同时也增加了试验的强度。本文针对液压挖掘机发动 机冷却系统设计过程中存在的共性问题，结合国家8 6 3 课题及企业科 研攻关项目从理论上对发动机冷却系统性能进行了系统的研究，并利 用m a t l a b g u i 工具箱，编写了发动机冷却系统分析软件，为设计 人员对冷却系统进行改进提供了理论指导。论文将对以下几个方面展 开研究： 首先，综述国内外发动机冷却系统研究及发展现状及趋势。介 绍目前常用的散热器型式，揭示间壁式散热器的传热机理。 其次，建立管带式散热器散热特性数学模型，分析散热器传热 系数、冷却水温度、散热量、风阻、水阻以及功耗等性能参数与散热 器尺寸及流体流速之间的关系，并通过s w e 5 0 型液压挖掘机冷却系 统相关实验，对该模型进行验证。同时，运用m a t l a b g u i 工具箱， 编写发动机冷却系统分析软件，用户通过g u i 界面设置冷却系统对 应的尺寸参数及工况参数，经过分析软件进行计算，得到相应的性能 曲线及性能参数值。 再次，对发动机冷却系统风道进行分割、简化，在目前常见的 圆孔型出风口流道方案的基础上提出一种百叶窗型出风口流道优化 方案，利用f l u e n t 数值模拟仿真软件对两种方案流场进行分析、 对比。同时，通过对细化后的圆孔型出风口流道网格模型进行数值计 算，得到该方案风速一风阻变化规律。 最后，针对s w e 5 0 型液压挖掘机发动机冷却系统，建立冷却系 统工作参数优化匹配数学模型，利用m a t l a b 遗传算法工具箱对散 热器部分尺寸参数、水流量以及风速进行优化匹配。 关键词液压挖掘机，发动机冷却系统，散热器，热传导特性，优化 匹配 a bs t r a c t e n g i n ec o o l i n gs y s t e mi s t h ek e yo fg u a r a n t e e i n gt h eh y d r a u l i c e x c a v a t o r sn o r m a lo p e r a t i o na n dh i g h l ya c t i v ew o r k i n g 1h i sp a p e r 一一一一 r ”1 a i m e da ts o m ec o m m o np r o b l e m se x i s t i n gi nt h ed e s i g np r o c e s so f h y d r a u l i ce x c a v a t o r sc o o l i n gs y s t e ma n dr e s e a r c h e d t h ec o m b i n a t i o n p r o p e r t yo fe n g i n ec o o l i n gs y s t e ms y s t e m a t i c a l l y , c o m b i n e dw i t h t h e n a t i o n a lp r o g r a m8 6 3a n de n t e r p r i s e sk e ys c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o g r a m i n t h i sp a p e r , m a t l a b g u it o o l b o xh a sb e e nu s e dt oc o m p i l et h ee n g i n e c o o l i n gs y s t e m sa n a l y s i ss o f t w a r e i th a sp r o v i d e dt h e o r e t i c a lg u i d a n c e f o rt h ed e s i g n e r st oi m p r o v et h ec o o l i n gs y s t e m t h i sp a p e r sm a i nw o r k i sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h er e s e a r c hd e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt e n d e n c yo f n a t i o n a la n d i n t e m a t i o n a le n g i n ec o o l i n gs y s t e m sh a v eb e e ns u m m a r i z e d r a d i a t o r t y p ef o rc o m m o nu s eh a sb e e ni n t r o d u c e d ，a n dp l a t e - f i n r a d i a t o r s h e a t t r a n s f e rm e c h a n i s mh a sb e e nr e v e a l e d s e c o n d l y 1 一 一 ,the n u m e r i c a lm o d eo fo u v e r e df i na n dt u b er a d i a t o rs t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s o m ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，s u c ha sr a d i a t o r sh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s ， t e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e r , h e a td i s s i p a t i o n ，w i n d a g er e s i s t a n c e ，w a t e r r e s i s t a n c e ，p o w e rd i s s i p a t i o na n dt h es i z eo f r a d i a t o ra n dv e l o c i t yo ff l u i d h a sb e e na n a l y z e d s o m ee x p e r i m e n t sb a s e do nt h es 咂5 0h y d r a u li c e x c a v a t o r sc o o l i n gs y s t e mh a v e b e e nu s e dt op r o v e t h em o d e m e a n w h i l e ，t h ee n g i n ec o o l i n gs y s t e m sa n a l y s i s s o f t w a r eh a sb e e n c o m p i l e db yu s i n gt h em a t l a b g u it o o l b o x ，a n dt h e nu s e r sc o u l dg e t r e l e v a n tp e r f o r m a n c ec u r v e sa n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sb yu s i n gg u i i n t e r f a c et oi n p u tc o o l i n gs y s t e m sc o r r e s p o n d i n gs i z e p a r a m e t e ra n d w o r k i n gp a r a m e t e ra n dd os o m ec a l c u l a t i o n st h o u g ha n a l y s i ss o f t w a r e t h i r d l y , e n g i n ec o o l i n gs y s t e m sw i n dc h a n n e lh a sb e e nc u tu pa n d s i m p l i f i e d ，a no p t i m i z e ds c h e m eo fs h u t t e rt y p ew i n dc h a n n e lh a sb e e n p u tf o r w a r d ，w h i c hi sb a s e do nt h ec o m m o ns c h e m eo fr o u n dh o l ew i n d c h a n n e l t h et w ot y p e so fs c h e m e sh a v e b e e na n a l y z e db yu s i n g f l u e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e m e a n w h i l ew eg o tt h ec h a n g i n g d i s c i p l i n eb e t w e e nw i n ds p e e da n d w i n dr e s i s t a n c eb yc a l c u l a t et h er o u n d h o l ea i ro u t l e tc h a n n e l sg r i dm o d e a tl a s t ，t h ec o o l i n gs y s t e m so p t i m i z ea n dm a t c hn u m e r i c a lm o d e h a sb e e nb u i l tb a s e do nt h es w e 5 0h y d r a u l i ce x c a v a t o r sc o o l i n gs y s t e m t h er a d i a t o r ss i z ep a r a m e t e r , w a t e rd i s c h a r g ep a r a m e t e ra n dw i n ds p e e d h a sb e e nm a t c h e db yu s i n gt h em a t l a bg e n e t i ca l g o r i t h m t o o l b o x k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce x c a v a t o r ；e n g i n ec o o l i n gs y s t e m ；r a d i a t o r ； t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c ；o p t i m i z ea n dm a t c h 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：乏蛆 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 期：孚年厶卫日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于国家“8 6 3 项目“液压挖掘机机电一体化及制造信息化”中 的子课题：液压挖掘机发动机冷却系统性能研究及优化( 课题编号： 2 0 0 3 a a 4 3 0 2 0 0 ) 。 1 1 2 研究目的及意义 挖掘机是一种按照一定顺序、间歇地或连续地进行挖掘、装载和平整作业的 工程机械，广泛应用于工业和民用建筑，道路建设和市政工程等土石方施工中， 在工程机械中占据着重要的地位。据统计，工程施工中约有6 0 左右的土石方 量是由挖掘机完成。而目前正值我国经济和基础建设飞速发展时期，在交通运输、 工业与民用建筑和水力工程等诸多领域形成了对液压挖掘机的巨大需求。 随着工程机械品种和数量的不断增加，大量工程机械所消耗的资源、排放的 污染物对环境产生了难以估计的负荷，国内外对工程机械的环保性提出了更高的 要求，西方发达国家在上个世纪末陆续制定了一系列政策，就工程机械工作时的 噪声、排放、能耗等指标进行限制。 柴油发动机是工程机械的动力源，其工作的好坏直接影响到上述三个指标的 实现。资料显示，工程机械约4 0 的故障来自液压系统，1 5 的故障来自发动机 【2 】，而发动机的故障绝大部分情况下是由于发动机冷却系统故障直接或间接造成 的。发动机冷却系统是工程机械最重要的组成部分，发动机工作时，缸内燃油燃 烧所产生的热量只有一部分转化为有效功，其余大部分则损失掉，其中需要靠冷 却带走的热量占燃油总热量的1 3 左右。燃油雾化混合物在汽缸内燃烧过程中温 度高达1 0 0 0 2 0 0 0 ；直接与高温气体接触的部件( 如气门、汽缸壁、活塞及 汽缸盖等) 由于吸收了大量的热量，温度迅速升耐3 1 。这么大的一部分热量，单 靠自然散热远远不能满足散热要求，特别是应用在工程机械领域，其经常处于低 转速、高负荷工况下工作，冷却系统设计的合理与否在很大程度上影响其工作及 寿命。 工程机械发动机冷却不足，发动机经常在高温下工作会造成【4 】： 1 活塞刚度和强度会下降，容易发生变形或折断； 2 润滑油烧蚀，最终会导致润滑系统工作不良，使元件之间发生干摩擦， 降低了发动机的寿命； 中南大学硕士学位论文第一章绪论 3 燃油的不j 下常燃烧，产生发动机的爆燃或早燃； 4 充气系数的降低，从而降低输出功率； 5 液压系统液压油变稀进而造成工作不正常，甚至产生液压油泄漏，污染 环境。 而冷却过度同样也是不利的，过度冷却会造成【4 】： 1 做功的热量减小从而使内燃机功率输出减小，动力输出不足； 2 使燃油雾化不良，己雾化了的燃油结成颗粒状液体，并顺气缸壁流入曲 轴箱，这样不仅会增加燃料消耗，而且进入曲轴箱的燃料还会使润滑油 稀释，润滑性能下降，同时还会加大冷态摩擦产生的噪声； 3 发动机水温太低的结果使发动机零件的磨损增加； 4 水温过低，引起内燃机启动困难。 因此，通过对液压挖掘机发动机冷却系统性能的分析，进而对冷却系统进行 优化，实现冷却系统各主要部件性能参数的匹配，从而达到合理控制冷却水温度 的目的，这对于提高发动机工作效率，提高发动机的动力性、经济性和可靠性， 延长发动机寿命，达到排放标准等方面有着重要意义。 1 2 发动机冷却系统简介 发动机冷却系统按照冷却介质的不同可分为水冷和风冷两大类。 风冷发动机是采用高速空气流直接吹过气缸盖和气缸体的外表面，对发动机 进行冷却。由于空气冷却不够可靠，热负荷高，严重影响发动机的可靠性，且风 扇消耗功率大，运转噪音大，在工程机械上应用不多。 水冷发动机则是利用冷却液吸收高温零部件的热量，然后经过循环系统，通 过散热器将热量传给空气。水冷发动机的冷却系统可分为蒸发冷却和强制冷却两 类。这两类又分为开式和闭式两种【5 1 。蒸发冷却系统利用冷却液的自然对流，实 现冷却液的循环，从而适度地对发动机工作温度进行调节。蒸发冷却系统循环强 度小，不易保证发动机有足够的冷却强度。强制冷却系统是利用水泵等强制手段 使冷却液在冷却系统中循环流动，使发动机得到适度的冷却，这种冷却系统是通 过水泵把冷却液从发动机外吸入并加压，通过冷却液将发动机的燃烧热均匀地吸 收并传导到散热器，利用冷却风扇旋转引起的空气流动将热量散走，工作可靠， 可以保证发动机有足够的冷却强度。 强制循环冷却系统可分为开式强制冷却系统和闭式强制冷却系统。为了防止 冷却液的溅出，散热器上的加水口平时用盖子盖住，但由于冷却液温度升高会形 成蒸汽，如果冷却系统中蒸汽过多，可能由于压力上升而导致系统漏水或散热器 破裂，因此，必须在加水口设置排气通道。如果冷却系统由此通道与大气相通， 2 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 则称为开式强制冷却系统。在闭式强制冷却系统中，散热器水箱盖上有自动阀门， 发动机热状态正常工作时，阀门关闭，冷却系统与外界隔开，防止蒸汽溢出，目 前工程机械包括液压挖掘机大多采用这种形式。 闭式强制冷却系统又分为闭环式冷却系统和半闭环式冷却系统。闭环式冷却 系统是当自动阀门在高压的作用下打开后，溢出的水蒸气进入一个补偿容器内， 在容器内水蒸气液化、冷却。当发动机停止工作或负荷较正常时，冷却系统内压 力低于大气压力时，补偿水箱内的冷却液会自动进入系统进行补偿。半闭环式冷 却系统是自动阀门在高压的作用下打开后，溢出的水蒸气或冷却液直接排入大 气，不予回收的冷却系统。水冷发动机闭式强制循环系统，如图1 1 所示。 图1 1 发动机强制循环冷却系统 卜百叶窗2 一水散热器3 一水箱盖4 一风扇5 一水泵6 一节温器 7 一水温表8 一发动机水套9 一分水管1o 一放水开关 1 3 发动机冷却系统研究现状 9 发动机冷却系统的设计主要包括以下几方面：首先，确定发动机传递给冷却 系统的热负荷；其次，根据散热需求对冷却系统各部件进行匹配；最后，对整个 冷却系统风道进行优化，完成对发动机冷却系统的设计，其中第二、三环节尤为 重要。目前国内工程机械厂家在这两个环节上，主要依赖经验或国外散热器厂家 ( 如a k g ) 的技术支持来完成对整个系统的优化设计，而国外在这方面的研究开展 得比较早，在散热器散热特性数学模型、冷却风道流场设计理论以及冷却系统各 工作参数的匹配等方面研究取得了一定的成果。 1 3 1 散热器热传导特性模型研究现状 散热器是发动机冷却系统的核心部件，热量主要是通过散热器散发出去的。 中南人学硕士学位论文第一章绪论 建立其热传导特性数学模型的关键在于确定流道的传热因子和摩擦因子厂】。 美国斯坦福大学教授w m 凯斯，a l 伦敦【_ 7 】早在上世纪中期，通过对大量的 不同几何机构的散热器翅片及水管的传热和流动特性进行了实验，得到了丰富的 传热及阻力数据，为散热器的设计提供了参考，同时也为散热器热传导特性数学 模型的建立打下了基础；上世纪九十年代，d a v e n p o r t t s l 对单排式的间断型百 叶窗换热器进行了传热和风阻试验；a c h a i c h i a 和c o w e l l 测试了单排和两 排平直翅片百叶窗几何体传热因子和阻力因子随流体雷诺数的变化情况，同时得 到了单排和两排水管的换热器传热效率s 与传热单元数n t u 之间的函数关系式 【9 】。随着传热学、湍流理论的发展以及热流场仿真软件的丌发，计算机数值模拟 仿真在对散热器芯子热流场分析方面也得到了一定的应用。t h o m a sp e r r o t i n ， d e n i sc l o d i c 建立了单个百叶窗流道的2 d 和3 d 计算模型，并利用f l u e n t 软 件分析了流体流动过程中温度场及压力场分布以及翅片表面温度场分布，揭示了 百叶窗翅片的传热机理【lo 】；v e m a l a p u r e ，s u s h a n t ak m i t r a 等人通过c f d 仿真 得到了不同百叶窗倾角、百叶窗间距下翅片传热因子，和摩擦因子厂随雷诺数的 变化情况f 1 1 】。以上实验或仿真都是针对百叶窗翅片及水管的散热特性进行的，而 通过对这些数据进行分析、拟合，可以得到不同工况下通用的传热因子，和摩擦 因子厂经验公式。德国爱克奇( a k g ) 散热器技术有限公司通过大量的实验积累， 建立了上百种翅片型式性能数据库模型，并在此基础上开发了散热器辅助设计软 件，针对不同的应用对象和工况，通过该软件分析可以设计出最合理的散热器结 构。 我国在散热器散热特性实验研究方面开展得较晚，但是起点较高，其中台湾 新竹工业技术研究院和上海交通大学在百叶窗翅片特性研究上取得了一定的成 果。1 9 9 5 年，台湾新竹工业技术研究院的张育瑞和王启川在总结了d a v e n p o r t 、 a c h a i c h i a 、c o w e l l 、s u n d e 和s v a n t e s s o n 等人提出的经验公式的前提下，综合 考虑了翅片及水管各种尺寸参数的影响，通过对9 1 种管带式散热器翅片进行了 风洞实验，得到了改进的传热因子及摩擦阻力因子随翅片尺寸及流体雷诺数变化 的数学关联式f 1 2 】；2 0 0 7 年，上海交通大学董俊琪、陈江平及陈芝久等人考虑了 百叶窗翅片五个主要参数的影响，对2 0 种百叶窗翅片通过风洞实验，得出了百 叶窗翅片传热因子及摩擦阻力的数学关联式【1 3 】。c f d 分析软件( 如f l u e n t ) 进入 我国比较晚，目前在国内对于这方面的研究尚处于初期，而在建立散热器热传导 特性数学模型方面，由于缺乏可靠的实验数据，目前只能依靠国外相关实验数据 或经验公式。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 发动机冷却系统风道设计研究现状 小型工程机械，如小型液压挖掘机，由于其车身空间狭小，造成了其冷却风 道结构复杂，如果通风不好，必然导致系统进风量不足，散热能力降低。目前国 内外对于工程机械冷却系统冷却j x l 道的设计主要是通过实验来完成的。中南大学 蒋重华通过对发动机侧和散热器侧之间进行隔离、改变导风罩型式、改变风扇与 导风罩间隙、改变水散热器和油散热器以及空调冷凝器之间的间距等方法来对流 道空问进行改进，试图提高散热器芯子表面的进风量【1 4 j ；浙江大学张毅，俞小 莉等人通过风洞实验分析了散热器间距对多散热器串联模块散热能力及风阻的 影响，研究表明，间距的改变对散热器模块总的风阻影响较小，但是对单个散热 器的风阻影响较大，增大间距，对第一排冷凝器的性能影响很小，提高了第二排 油散热器的散热性能，同时也导致了第三排水散热器性能的降低，但是散热模块 总的散热性能提高了3 9 【i 卯。这两种方法都是从改变冷取系统部件相对安装位 置方面去探索提高冷却系统进风量的方法，而对于发动机覆盖件形状、出风口型 式和出风口截面积对进风量的影响并未考虑。这三个因素对冷却风道流场的影响 通过实验是很难获得的，可以参照汽车行业对车身进行的流场分析方法，利用流 体动力学分析软件对上述问题进行分析，但是，目前国内外在工程机械冷却系统 风道设计中，利用该方法进行的研究还比较少。 1 3 3 发动机冷却系统工作参数匹配研究现状 发动机冷却系统各工作参数匹配包括散热器本身尺寸参数的匹配以及散热 器与其他附件( 主要是风扇和水泵) 工作参数的匹配，这是发动机冷却系统设计的 最终目标。由于受到理论的局限，无法建立完整的冷却系统散热特性数学模型， 导致无法得到真正意义上散热特性全局最优解。中南大学杨相稳通过对d f 7 g 内 燃机车散热器进行了风洞实验，得到了散热量、水阻、风阻、消耗功率等参数随 风速和水速的变化关系，并利用优化方法实现了不同散热功率点水速和风速的匹 配【l6 1 。但是，这仅仅实现了水泵和风扇的匹配，并没有对散热器芯子结构尺寸 进行优化，并非得到了最优解。因此，目前对于冷却系统工作参数的匹配主要还 是通过反复实验，根据经验来改进。 1 4 发动机冷却系统发展趋势 在当今日益重视环保、提倡节能和舒适性的情况下，发动机的结构和性能都 有了很大的发展，冷却系统正朝着节能化、轻型化、紧凑化和智能化的方向发展。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 1 冷却系统向高效率低能耗的方向发展 发动机冷却系统效率的提高主要是从两个方面来实现1 1 7 l ：一是新材料、新 技术应用；二是部件的智能化驱动方式。 1 散热器性能的提高 散热器是由上水箱、下水箱和散热器芯部组成。目前常用的散热器芯部结构 有管片式和管带式，水管一般都是扁平状，以减少空气阻力，增加传热面积。管 外的大量散热片和散热带是为了增加对空气的传热面积【l 引，其常用材料主要有 铜、铝和工程塑料等。对于工程机械中的散热器一般使用铜散热器。 铜是导热性最好的金属材料，具有优良的成形加工性、可钎焊性和耐腐性， 长期以来一直作为散热器的首选材料。为增加铜散热器的耐腐蚀性，延长其工作 寿命，一般要在表面覆盖锡保护层，但这样会影响铜散热器的散热效率。近年来， 为了进一步提高铜散热器的性能，对传统的铜锡散热器采取了很多改进措施。如 在材质方面和加工工艺方面尽可能提高材料利用率，采取向铜中添加微量元素的 方法，在不损失导热性的前提下，提高其强度，从而减薄带板的厚度，节省材料 用量以减轻质量和降低成本。 2 0 世纪9 0 年代末，热交换器制造新技术一铜硬钎焊散热器生产技术的出现 开创了散热器制造技术的更新和飞跃的时代。铜硬钎焊技术采用特殊的铜、锡和 磷的钎焊合金，将黄铜和紫铜分别制成管和散热带硬钎成一个整体，即散热器和 热交换器。实践证明，硬钎焊技术在工程机械等发动机散热器方面优势明显【l 引。 2 冷却风扇性能的提高 传统冷却系统中，风扇和水泵的效率普遍不高，造成大量能源的浪费。为提 高冷却风扇的效率，用塑料翼形风扇取代圆弧型直叶片冷却风扇。从空气动力学 的角度来分析，翼形风扇能够改善风扇流场，提高风扇的效率和静压，使风扇的 高效区变宽；另外，塑料表面的光洁度较高。采用翼形端面塑料和流线型导风罩， 使风扇气流入口形成良好的流线型气流，可提高风扇的效率。 塑料风扇的另一个特点是由于塑料风扇材料具有较大弹性变形能力，可以设 计成柔性风扇叶片，使叶片在气流动力的作用下产生扭曲方向的变形，这相当于 叶片安装角度可以随风扇转速的变化而自动调整，使气流进入叶片所形成的攻角 优化【1 8 】，可以明显提高风扇的工作效率。 从冷却风扇的驱动方式来看，由于电控风扇完全不由发动机驱动，可以与导 风罩、散热器安装为一体，保证了风扇和导风罩两者之间的同心度，最大限度地 减少了风扇叶片与导风罩的径向间隙，使容积效率得到了大幅度的提高；采用电 机直接驱动，减少了传动环节，提高了机械效率。 3 水泵性能的提高 6 中南大学硕十学位论文第一章绪论 s t e p a n o f f 曾提出高效率离心水泵和轴流水泵的设计理论，通过改变叶轮形状 提高表面光洁度，能使发动机冷却水泵的效率提高到7 5 。日本尼桑( n i s s a n ) 公 司基于这一理论制造了一种水泵，比目前广泛应用的水泵尺寸增大了1 5 。为了 在获得水泵高效率的同时减小水泵的结构尺寸，该公司又通过改变叶片数量、改 进叶片曲线设计，使水泵最大效率达到了7 5 ，水泵尺寸得到缩减。 1 4 2 冷却系统向整体优化的方向发展 发动机冷却系统的效能取决于使用条件和各部件( 散热器，风扇等) 的设计与 匹配的合理性【1 1 7 1 。冷却系统的整体优化包含两层含意，一是采用先进的设计理 论和设计方法对包括散热器、冷却风扇在内的重要部件进行优化设计，获取合理 的设计尺寸；二是整个冷却系统的合理优化匹配。 1 冷却系统零部件的优化设计 冷却系统零部件传统的设计方法是：设计人员根据经验或统计数据初选零部 件的结构参数，然后进行试验，由试验结果初选的结构参数，再做实验，再改进， 不断进行完善，直到找到一个可行方案，即满足各种条件限制的方案。这种传统 的设计方法工作效率低，设计周期长，劳动强度大，并且无论是分析还是设计都 存在大量的简化和经验，准确性差，得到的结构仅仅是可行方案，多数不是最优 设计。由于产品设计质量要求日益提高和设计周期要求日益缩短，传统设计已越 来越显得不能适应工业发展的需要。 随着理论研究的不断深入，许多工程现象不断升华和总结为揭示事物内在规 律和本质的理论，如结构优化设计、可靠性理论、计算流体力学理论( c f d ) 等。 现代设计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法设计可减少经验设计的盲目 性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。因此，现代设计是以理论指 导为主、经验为辅的一种设计。 目前在工程领域中，主要采用的数值模拟方法是有限单元法，其思想就是将 问题的求解域划分为一系列单元，单元之间通过节点连接。由于单元形状简单， 易于由能量关系、平衡关系和其他关系建立节点量之间的方程，然后对各个单元 方程组求解。一些工程问题的分析，如流场分析、温度场分析、应力场分析等， 都可以归结为在给定边界条件下对单元体求解其控制方程的问题，但这样的方法 求解得出精确值只适用于几何形状规则的问题。对于大多数实际的问题，必须引 入简化模型，将复杂实体进行简化，通过对简化模型的计算得出精确值。这种简 化一定要适当，过多的简化会导致得到不正确的仿真结果【1 9 1 。以计算流体力学 理论( c f d ) 和a n s y s 为代表的数值仿真模拟软件，不断地汲取计算方法和计算 机技术的最新发展，将有限元分析、计算机图形学和优化设计技术结合在一起， 7 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 已成为现代设计中不可缺少的部分【2 0 1 。数值仿真技术已经应用于现代工程设计 中各个领域，对工程研究的发展和进步起了重要的作用，本文也将其应用到冷却 风道流场优化中。 2 冷却系统工作参数的优化匹配 在设计冷却系统时，确定冷却系统的散热量后，首先要完成散热器的设计选 型，然后根据散热器的尺寸在进行冷却风扇的选型或设计。在设计或选择风扇时， 不仅要求得到效率高而性能好的风扇，而且还要求风扇能和散热器良好匹配，使 得风扇性能充分地发挥，总处于最佳的工况下工作。因此，风扇与散热器能否良 好匹配，也是提高冷却性能的重要途径。利用计算机技术对风扇乃至冷却系统进 行匹配优化研究是一个重要方向【2 。 为了使冷却系统各部分得以合理匹配，且能分析各种因素对冷却系统工作的 影响，国外普遍采用计算机数据模拟方法。计算机模拟在汽车发动机冷却系统设 计领域的开发应用于7 0 年代初期，1 9 8 2 年美国密执安工业大学丌发了重型柴油 火车冷却系统计算模拟程序( 简称v e c s s ) ，1 9 8 8 年又对其进行了改进【2 0 】。美国 康明斯( c u m m i n s ) 发动机公司进行冷却系统计算时，只需将发动机、散热器、风 扇、水泵以及工况条件输入计算机即可得到有关的性能参数。国内工程机械用发 动机冷却系统设计主要是凭借经验设计和大量的对比选择试验，近几年在计算机 模拟方面的工作进展很快，相继出现了一些数学模型和计算方法，减少了设计工 作量【2 0 】。 1 5 论文研究的主要内容 本文立足于工程机械行业对发动机冷却系统的设计需求，结合国内外相关研 究成果，建立了散热器热传导特性数学模型；利用f l u e n t 流体动力学仿真软 件对冷却风道进行了分割、简化，并对计算空间速度场、压力场进行了分析，提 出了优化冷却风道方案；结合现代设计方法，建立了冷却系统工作参数匹配优化 数学模型，并通过遗传算法，得到了在现有条件下各工作参数的最佳匹配方案。 基于上述思路，确定本论文研究内容如下： 1 根据对流换热原理，对管带式水散热器传热过程进行分析，为建立管带 式散热器热传导特性数学模型奠定理论基础； 2 分析液压挖掘机冷却系统热负荷；通过总结国内外对管带式散热器的研 究成果，结合散热器传热相关理论，建立散热器热传导特性数学模型； 并利用m a t l a b g u i 工具箱，设计发动机冷却系统散热特性分析软件； 分析各相关参数对相关性能的影响。 3 利用f l u e n t 软件，对发动机冷却流道进行分割、建模和数值模拟，分 中南人学硕士学位论文第一章绪论 析流道压力场和速度场的分布，提出对冷却流道的改进方案；同时，通 过数值模拟，得到计算模型风阻随进风口速度的变化规律。 4 通过实验对前面所建立的散热器热传导特性数学模型进行验证，保证最 后用于优化的目标函数的准确性。 5 结合散热器厂家的生产实际，提出相关优化变量，建立发动机冷却系统 工作参数匹配优化的数学模型，利用遗传算法，在约束条件范围内寻求 冷却系统各工作参数的最佳匹配。 9 中南大学硕士学位论文第二章散热器简介及其传热原理分析 2 1 引言 第二章散热器简介及其传热原理分析 散热器是液压挖掘机发动机冷却系统的核心，冷、热介质以一定的方式流经 散热器，实现热量交换，达到降低热侧流体温度的要求。在工程机械发动机冷却 系统中，水散热器常采用管片式散热器、板翅式散热器或管带式散热器型式，这 三种散热器都属于间壁式散热器，其在结构上具有一定是相似性，而在换热原理 上，三者是一致的。 问壁式散热器是通过冷热流体在散热器芯体表面对流换热来工作的，从工作 原理上讲，其主要满足对流换热的基本理论。本章通过对传热学基本原理的分析 揭示了散热器的散热机理，为散热器散热特性数学模型的建立奠定了理论基础。 2 2 散热器简介 在液压挖掘机发动机冷却系统中，散热器是核心部件，绝大部分热量是通过 散热器散发出去的。高效紧凑式散热器是目前国内外普遍采用的散热器型式，其 中，常用的紧凑式散热器主要有管片式、板翅式及管带式散热裂2 2 1 。 2 2 1 管片式散热器 管片式散热器是内燃机车、汽车及重型机械上早期采用的散热器产品，其芯 子结构如图2 1 ( a ) 所示，它由许多水管和散热翅片构成，水管是焊接在上下主片 之间的直管，以此作为冷却水通道。在水管外面横向串装了很多薄的金属翅片( 铜 片) 来保证散热面积，同时也增加了整个散热器的刚度和强度。空气在平行的散 热片和水管外表面所形成的通道中通过，从而使管内流动的水得到冷却。早期的 管片式散热器主要采用铜作为材料，使其重量较大，成本较高，同时由于金属翅 片向空气散热，造成其热阻大，传热系数较小【2 3 1 。 2 2 2 板翅式散热器 随着科学技术的迅速发展，要求研制结构紧凑、质量更轻和传热效率更高的 新型换热设备，板翅式换热器就是这样一种新型的紧凑式换热器。板翅式换热器 主要由翅片、隔板和封条三部分组成，如图2 1 ( b ) 所示。在相邻的两隔板之间放 置翅片及封条组成的夹层，称为通道。将这样的夹层根据介质的不同流动方式( 顺 流、逆流或错流) 叠置起来钎焊成一整体，即构成了板翅式散热器的芯体。板翅 式散热器由于具有扩展的二次传热面而使其散热能力大大增强，但是由于其铝制 l o 中南人学硕十学位论文第二章敞热器简介及其传热原理分析 结构，相比于管片式散热器，其强度和使用寿命会有所降低。随着焊接、防腐等 工艺的改进，板翅式散热器的寿命问题也得到了改善，目前被广泛地应用于航空 航天、汽车、_ 重型机械等各个领域，在工程机械油散热器及水敞热器中也被大量 采用 2 4 1 。 2 2 3 管带式散热器 管带武散热器是目前最常见的散热器型式，在发动机冷却系统中得到了广泛 的应用，其敝热性能及强度特性都很好，各项综合技术经济指标都达到了较高的 水平。管带式散热器基本结构如图2 - 1 ( c ) ，冷却水在扁铜管中流动，空气通过扩 展的二次传热面对热流体进行冷却【列。 童霾 e = = = = i l j = = = ! ( a ) 管片式散热嚣( ”板翅式散热嚣( c ) 菅带式散热嚣 图 l 紧凑式散热器主要型式 2 24 散热器翅片型式及其尺寸参数 对于上述散热器而言，其对流换热过程主要在翅片上完成，如果没有这些基 本的翅片，那就成了平板式散热器，美国加利福利亚太学和埃姆兹航空实验室分 别对没有翅片和有翅片的换热器进行了试验，结果证明，有翅片的比没翅片的换 热器体积减少了1 8 以上例。 应用到上述三种散热器上的翅片主要钉以下几种型式：平直翅片、锯齿翅片、 以及百叶窗翅片等 驯。 i 平直翅片 平直翅片又称光滑翅片，如图2 - 2 ( a ) ，其特点是有很眭的带光滑笔的长方形 翅片，其传热特性和流体流动特性与流体在长的圆形管道中的传热和流动特性相 似翅片的主要作用是扩大传热面，而对于促进流体湍动的作用n i i l 4 。 2 锯齿翅片 锯齿型翅片又称为“高效能翅片”，如图2 - 2 ( b ) ，其结构特点是流体的流道被 冲制成凸凹不平，其f i 的是增加流体湍动程度，并破坏传热边界层从而强化传热 过程，提高传热效率。与平直翅片相比，在相同的流道阻力下锯齿翅片比平直 中南大学硕十学位论文 第一章散热器简介及其传热原理分析 翅片的传热系数高3 0 以l 。 3 百叶窗型翅片 百叶窗型翅片又称为鳞片，翅片或切断式翅片，如图2 - 2 f c ) ，其特点是翅片 上冲有等距离的百叶窗，向流道内突出 化传热过程。在翅片尺i j 相同的条什下 也会越大。 其目的是通过破坏传热边界庄，从而强 百叶窗越多，传热效果越好，同时阻力 呦铹 a ) 平直翅h( b j 锯齿翅h( c ) 百叶宙趣片 图2 - 2 散热器翅日型式 本文以液止挖掘机发动机冷却系统为研究对象，其水敞热器聚用的是管带式 散热器型式，空气侧翅片结构为百叶窗型式，其结构尺寸特性参数如表2 一l 所不。 表2 - l 管带式散热嚣结构尺寸特性参数 扃罂3 7 一易、弓 ( ，s ) c f i 。i -_ 扃平管间距：t 车连三三三；：到。l 。 一宙倾角：一 一。，“一。首五；i 寸面；亩产 = 羞t 画画- - 附翅片 7 削面宽度“- 吾跖 铲水管 叮皿皿e 丑l 酣船 l l j t l u l j ： 翅片月距：uj 怛 翅片厚度：占 流道阪度：l 中南人学硕士学位论文 第二章散热器简介及其传热原理分析 散热器特性尺寸计算公式 驴专篙 水利直径：见 1 批驴芝罢篆掣 一次传热面积：互 二次传热面积：e 总传热面积瓦 空气侧：互= 三生二笋，研为翅片流道层数 水侧：互= 【7 d 。+ 2 ( 乃一仉) 】，m ，z 为散热器芯体高度 航绯e = 塑笋 水侧：五= 0 f o = 鼻+ 疋 2 - 3 对流换热基本理论 2 3 1 传热学基本原理 传热学是一门研究因温度差使物体间发生能量传递的科学。热量传递有三种 基本方式：热传导、热对流和热辐射。在实际的热量传递过程中，有时只存在一 种热量传递基本方式，有时两种或三种方式同时进行。传热学不仅在动力工程领 域占有极其重要的地位，而且还广泛地应用在机械工程、化学工程、金属工程、 环境工程及电气工程等领域中。特别是联系到近代的能源问题，越来越显示出这 门学科的重要性【2 5 1 。 散热器的工作原理主要是冷热流体通过问壁的对流换热来工作的，其中包括 热量在金属壁面间的热传导以及冷、热流体与壁面的热对流【2 7 1 。 1 热传导 同一物体内部或互相接触的物体之间，当温度不同但没有宏观的位移时的传 热方式叫热传导或导热。微观来看，气体导热基于分子或原子的彼此碰撞；液体 和非导电固体导热的机理是分子或原子振动产生的弹性波作用；而金属导热则主 要靠自由电子的扩散传播能量。导热的基本规律是傅立叶( j b j f o u r i e r ) 定律： g ：。昙( 2 - 1 ) g2 一以_ 仃n 中南人学硕士学位论文笙三童墼垫堡堕坌垄茎堡垫星望坌堑 2 1 式中：_ a t 表示等温面法向温度梯度，兄( w m 2 k ) 为导热系数，对于 o n 各向同性物体，各方向旯值相等，代表物体的导热能力。一般对于气体五值取 o 0 1 0 6 m 2 k ；对于液体允值取0 0 1 0 7w m 2 k ；金属a 值取 1 5 4 2 0 w m 2 k 。 2 热对流 由于流体各部分宏观位移引起的热量转移现象称为热对流。流体内部由于存 在温度差从而存在密度差，在体积力( 浮升力等) 作用下所产生的热对流称自然 对流；借助于机械外力( 泵或风机等) 推动的热对流称强制对流。当流体内部温 度分布不均匀时必然要发生导热，因此，热对流总是伴随着流体的导热。 流体流过温度不同的固体壁面时的 传热过程称对流换热，对流换热在工程上 ( 如换热器中) 最具实际意义。边界层理 论和实践证明，由于流体的粘性作用，在 壁面处存在一个具有速度梯度的速度边 界层，同时存在一个具有温度梯度的热边 界层，即使是湍流边界层，总还是存在一 nt - - - - - - - - - - - 图2 - 3 湍流对流换热机理 个紧贴壁面的层流底层，如图2 3 所示。 层流底层内垂直于壁面方向的传热只能靠导热，而层流底层以外则主要靠热对 流，因此，对流换热是集导热和热对流于一体的综合现象。对流换热热量通常用 牛顿( l n e w t o n ) 冷却定律计算： o = j 1 1 f a t ( 2 - 2 ) 2 2 式中：a t ( ) 为壁面温度与流体温度之差；对流换热系数 ( w m 2 k ) 是对流换热强度的集中指标，它与物性、流动、及几何条件等因素有关。h 的值 大致范围如表2 2 所示。 表2 - 2 对流换热系数大致范围( w m 2 k ) 一二二_ _ _ _ _ i _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ l - _ - - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ l 。一 对流方式 型堕垫垫墨墼薹里 型鎏塑壅 翌堕垫垫墅垫婆旦 一一。一 空气自然对流 5 5 0 气体强制对流 1