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工程機械熱管理系統(tǒng)設計方法論文
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、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確性，故仍作為設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，對實際熱管理系統(tǒng)關鍵部位的主要工作參數進行測量分析。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，計算結果就會產生較大偏差。由于流體傳熱問題的復雜性，人們目前對某些方面的認知還不夠深入和準確，試驗研究仍是不可缺少的手段。試驗測試系統(tǒng)結構如圖1所示[5]84，88[7]20。
3流場的數值模擬分析
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，合理設計流道是非常必要的。隨著計算流體動力學(CFD)技術在傳熱方面應用的不斷深入，利用數值模擬計算分析流場，可獲取大量的流動細節(jié)數據，有利于分析產生不良性能的原因�？衫肅FD技術對冷卻風流場、散熱器中流體流動及傳熱特性、發(fā)動機冷卻水腔內部流動、液力變矩器以及液壓元件內部流動等進行分析。引入CFD技術可彌補傳統(tǒng)設計方法的不足，并降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期，它已成為國內外自主創(chuàng)新和自主設計的重要技術支持之一[5]8[6]4[7]20，501。例如冷卻風流道由機罩、發(fā)動機、導風罩、風扇和散熱器組構成，其中流動比較復雜，不同部位流態(tài)差別也較大。在設計機罩、導風罩和風扇等時，可以借助CFD軟件對流場進行數值模擬分析，由此對上述部件的結構形狀進行優(yōu)化改進。利用冷卻風流場的數值模擬結果，還可以計算出冷卻風的平均集總參數，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流場數值模擬分析
對流場進行數值模擬分析主要包括建立計算域、計算域網格劃分、流場數值模擬計算和計算結果分析。目前常用的CFD軟件有Fluent、STAR-CD和CFX等，由此進行數值模擬計算大多可以得到比較滿意的結果，其中準確設定流體密度和黏度等物性參數以及邊界條件是獲得準確計算結果的關鍵[7]507。計算結果分析包括以下內容。
(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)典型斷面主要參數的分析利用流場模擬計算結果，可計算出平均流速、平均壓強、流量和阻力等參數，進而可計算出流速系數和阻力系數等參數。據此分析流動參數與流道幾何結構、尺寸以及工作參數之間的相互影響，為設計高性能產品提供有價值的建議。
3.2裝載機冷卻風流道的分析
針對XG953型裝載機，利用CFD技術計算了原結構和幾個改進方案的冷卻風流場。重點從流速場、壓力場、流量和風阻4個方面進行比較分析，由此提出改善散熱效果的措施:
①封堵或盡量減小散熱器四周的間隙，避免熱風回流;
�、跈C罩后部靠頂部處開出風口，以保證熱風排出順暢;
�、圻M風口采用風阻較小的網狀結構，其位置盡量靠近風扇進口，以減小進風風阻。采用前兩個措施后，可增加冷卻風有效流量約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速度分布如圖2所示。將機罩出口冷卻風速度的計算值與試驗測量值比較發(fā)現，計算值與試驗測量值基本接近，表明采用數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，對整機熱管理系統(tǒng)的工作特性進行模擬計算，無疑是解決這種復雜問題的有效手段。利用計算機仿真技術，可以計算出系統(tǒng)中各個部位的溫度、壓力和流量等參數的靜態(tài)和動態(tài)特性，可以分析各參數對各子系統(tǒng)的影響以及各參數對系統(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4個子系統(tǒng)，如圖3所示。
4.2仿真結果分析
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結語
在工程機械熱管理系統(tǒng)設計與研究中，集總參數計算分析主要是基于流體力學和傳熱學中的束流理論，計算分析平均流速、壓力、溫度、流量和換熱量等參數;試驗研究是利用物理試驗技術，對實際系統(tǒng)的主要工作參數進行測量分析;流場數值模擬分析是利用計算流體動力學技術，計算系統(tǒng)中零部件的內部流場，分析流動特征，研究流動參數與流道幾何結構、尺寸以及性能參數之間的關系;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，研究工作參數與系統(tǒng)性能的關系。采用整體系統(tǒng)設計與研究思想，將集總參數計算分析、試驗研究、流場數值模擬分析和系統(tǒng)的計算機仿真分析有機地結合起來，建立一套比較完備的現代設計與研究方法，對整機熱管理系統(tǒng)設計改進具有很好的指導作用，可更有效地解決工程機械熱狀態(tài)不佳的問題，消除產品質量隱患，提高其動力性、經濟性、可靠性和使用壽命。
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