工程机械热管理系统设计方法论文

1/1工程机械热管理系统设计方法论文工程机械热管理系统设计方法论文

1热平衡分析

热平衡状态下，各处温度保持恒定不变，各系统的吸、放热量相等。(1)发动机冷却系统Q0=Q1=P1，式中:Q0为冷却液通过发动机时的吸热量;Q1为冷却液通过水箱散热器时的放热量;P1为水箱散热器的换热量。

(2)液力传动散热系统Q21=P2，式中:Q21为液力油通过液力散热器时的放热量;P2为液力散热器的换热量。Q21+Q22=Q2，其中Q22=∑KdiAdiΔtdi。式中:Q22为液力系统油箱、变速箱和输油管路等表面的放热量;Q2为液力变矩器的液力损失;Kdi、Adi和Δtdi分别为液力系统油箱、变速箱和输油管路等表面的散热系数、外表面面积和油与环境的温度差。

(3)液压传动散热系统Q31=P3，式中:Q31为液压油通过液压散热器时的放热量;P3为液压散热器的换热量。Q31+Q32=Q3，式中:Q3为液压系统的能量损失;Q32为液压系统油箱、液压缸和输油管路等表面的放热量。

(4)冷却风散热系统Q4=Q1+Q21+Q31=P1+P2+P3，式中:Q4为空气通过散热器组时的吸热量。虽然传统设计方法存在对细节考虑不足的缺点，但其具有对问题表达方便以及计算过程简单等优点，对某些问题也不失准确性，故仍作为设计和研究热交换系统的基本方法，具有较大的使用价值。

2试验研究

试验研究是利用先进的物理试验技术，对实际热管理系统关键部位的主要工作参数进行测量分析。任何理论计算方法都是建立在某些假定条件上的抽象方法，都有其适用范围，偏离了其适用范围，计算结果就会产生较大偏差。由于流体传热问题的复杂性，人们目前对某些方面的认知还不够深入和准确，试验研究仍是不可缺少的手段。试验测试系统结构如图1所示[5]84，88[7]20。

3流场的`数值模拟分析

工程机械主要利用流体来完成传热，流动特征对传热效果和能量损失有着较大影响，合理设计流道是非常必要的。随着计算流体动力学(CFD)技术在传热方面应用的不断深入，利用数值模拟计算分析流场，可获取大量的流动细节数据，有利于分析产生不良性能的原因。可利用CFD技术对冷却风流场、散热器中流体流动及传热特性、发动机冷却水腔内部流动、液力变矩器以及液压元件内部流动等进行分析。引入CFD技术可弥补传统设计方法的不足，并降低开发成本和缩短开发周期，它已成为国内外自主创新和自主设计的重要技术支持之一[5]8[6]4[7]20，501。例如冷却风流道由机罩、发动机、导风罩、风扇和散热器组构成，其中流动比较复杂，不同部位流态差别也较大。在设计机罩、导风罩和风扇等时，可以借助CFD软件对流场进行数值模拟分析，由此对上述部件的结构形状进行优化改进。利用冷却风流场的数值模拟结果，还可以计算出冷却风的平均集总参数，用于对整机热管理系统的计算机仿真分析[10-11][12]092802-6。

3.1流场数值模拟分析

对流场进行数值模拟分析主要包括建立计算域、计算域网格划分、流场数值模拟计算和计算结果分析。目前常用的CFD软件有Fluent、STAR-CD和CFX等，由此进行数值模拟计算大多可以得到比较满意的结果，其中准确设定流体密度和黏度等物性参数以及边界条件是获得准确计算结果的关键[7]507。计算结果分析包括以下内容。

(1)流场分析观察分析流速及压强等物理量的大小及分布特点，分析流场中涡流、滞流、回流、卡门涡列等流动特征的位置和强度，分析它们对工作性能的影响。

(2)典型断面主要参数的分析利用流场模拟计算结果，可计算出平均流速、平均压强、流量和阻力等参数，进而可计算出流速系数和阻力系数等参数。据此分析流动参数与流道几何结构、尺寸以及工作参数之间的相互影响，为设计高性能产品提供有价值的建议。

3.2装载机冷却风流道的分析

针对XG953型装载机，利用CFD技术计算了原结构和几个改进（方案）的冷却风流场。重点从流速场、压力场、流量和风阻4个方面进行比较分析，由此提出改善散热效果的措施:

①封堵或尽量减小散热器四周的间隙，避免热风回流;

②机罩后部靠顶部处开出风口，以保证热风排出顺畅;

③进风口采用风阻较小的网状结构，其位置尽量靠近风扇进口，以减小进风风阻。采用前两个措施后，可增加冷却风有效流量约15.2%。采用某一改进方案，在高速跑车工况下，装载机机罩出口冷却风速度分布如图2所示。将机罩出口冷却风速度的计算值与试验测量值比较发现，计算值与试验测量值基本接近，表明采用数值分析方法能很好地解决实际问题。

4计算机仿真

工程机械热管理系统由多个子系统组成，实际工作中它们之间相互影响，单纯依靠传统计算分析方法，不易设计出整体性能良好的热管理系统。因此，借助先进的计算机系统仿真技术，对整机热管理系统的工作特性进行模拟计算，无疑是解决这种复杂问题的有效手段。利用计算机仿真技术，可以计算出系统中各个部位的温度、压力和流量等参数的静态和动态特性，可以分析各参数对各子系统的影响以及各参数对系统性能的影响，有助于人们对系统更直观、更全面、更深入的认知，弥补传统计算方法和试验的不足。可用于该方面的仿真软件有EASY5、Flowmaster、MATLAB/Simulink和20-sim等[14]。

4.1XG953型装载机散热系统仿真模型

笔者利用EASY5软件构建了改进后的XG953型装载机散热系统仿真模型，散热系统包括发动机散热、液力传动系统散热、液压系统散热和冷却风4个子系统，如图3所示。

4.2仿真结果分析

在36℃环境温度下，对装载机在高速跑车工况下的热平衡状态进行了仿真计算与试验测试，结果基本吻合(如表1和表2所列)。其中发动机冷却水和液力传动冷却油的热平衡仿真曲线如图4所示。

5结语

在工程机械热管理系统设计与研究中，集总参数计算分析主要是基于流体力学和传热学中的束流理论，计算分析平均流速、压力、温度、流量和换热量等参数;试验研究是利用物理试验技术，对实际系统的主要工作参数进行测量分析;流场数值模拟分析是利用计算流体动力学技术，计算系统中零部件的内部流场，分析流动特征，研究流动参数与流道几何结构、尺寸以及性能参数之间的关系;系统的计算机仿真分析是对整机热管理系统的工作特性进行模拟计算，研究工作参数与系统性能的关系。采用整体系统设计与研究思想，将集总参数计算分析、试验研究、流场数值模拟分析和系统的计算机仿真分析有