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  液压小型挖掘机散热系统热平衡设计

  液压系统过热会出现各液压执行机构无力、工作动作滞缓的情况,严重时会造成机器失效。针对该液压小型挖掘机温度过高的现象,经全面系统的分析,对小型挖掘机发动机散热系统和液压系统两个方面进行热平衡设计验证,提出改进方案。

  一 系统的发热现象

  1 发动机发热现象及其危害

  根据用户反馈的产品高温,即发动机“开锅”现象,是指打开水箱盖后,水箱里的水已经“烧开”,不时往外喷溅,这是发动机水泵工作时水循环所发生的现象。
液压小型挖掘机散热系统热平衡设计
  发动机运转时,受到强烈加热的汽缸、缸盖、活塞、喷油器等零部件如冷却不及时,易造成可燃混合气的早燃,加剧发动机的过热现象,整个工作循环的温度高并形成恶性循环,使发动机处于过热状态。同时,造成发动机功率下降、运行无力,充气系数下降,混合气相对变浓,废气中的有害物质浓度增大,增加环境污染。

  在高温、高压下工作时,发动机机油的抗氧化安定性变坏,加剧了其热分解、氧化和聚合过程,引起机油变质,机油粘温性发生变化,粘度下降、稠度变稀,润滑性能变差。同时,零部件由于高温热膨胀,摩擦副之间正常配合间隙变小,加速了零部件磨损,使发动机的使用寿命降低。

  2 液压系统发热现象及其危害

  正常工况下,液压系统达到热平衡后,液压油工作温度应在50℃~80℃范围内,如果超出该范围数值较大,则称为液压系统发热。其故障表现为小型挖掘机冷车工作时各种动作较正常,当工作约1h后,随着机器温度升高,液压油发生油温特性变化后,便会出现各液压执行机构动作滞缓、运行无力,尤其是在夏季工地作业时,环境温度过高,油液温升快,出现机器过热现象,导致效率下降、工作不可靠,严重时造成停机故障。

  二 温升过快过高故障原因分析

  1 发动机系统发热故障原因分析

  液压小型挖掘机一般在出厂时已经对发动机的热平衡进行了试验,发动机高温的可能原因是小型挖掘机设计时或使用过程中出现的问题。使用中出现的情况有由于节温器开启不良、散热器表面被污物堵塞、风扇皮带松动致风力不足、水泵叶轮过度磨损使翻水能力降低、冷却液液面过低等原因造成散热器效果不良,冷却效果低;发动机喷油正时滞后、汽缸垫或汽缸体损坏串水,高温气流急剧加热冷却液造成高温。如果机器长时间高负荷运行,散热速度慢于产生的热量,导致热量积聚,温度上升到一定程度时将产生极大的损害,所以严禁长时间超负荷作业。

  2 液压系统发热故障原因分析

  主要有选用的液压油性能不符合规定导致液压系统油温升高,液压油粘度过高或过低,使用劣质液压油致使易乳化变质和发生气蚀、析出气泡等;液压油散热翅片变形或堵塞,冷却风扇量不足,冷却效果差;液压油散热器内部管道阻塞。溢流阀压力过高或过低也会引起液压系统发热,如系统压力过高,液压泵在超额压力下过载运行造成油温升高;反之,如果系统压力过低,工作机构在正常负载下溢流阀开启频繁,造成液压系统溢流发热。

  液压系统设计不合理,如管路中胶管直径尺寸小,胶管接头处产生节流,有的胶管弯曲半径过小,阀孔开口量太小,限速阀、减压阀等开启压力过高等。发动机的排风风道布置的合理性和进、排风量的平衡,都会直接影响散热效率。

  三 热平衡设计及解决措施

  1 发动机冷却系统

  (1)必须使用节温器。

  对发动机温度的要求,行业标准JB/T 4198.2-1999《工程机械用柴油机 技术条件》规定其工作环境“在40℃高温环境下应能正常工作”,JB/T4198.3-1999《工程机械用柴油机 性能试验方法》要求“机油温度,应按制造厂的规定或稳定在85℃±5℃;冷却液出口温度,应按制造厂的规定或稳定在80℃±5℃”。康明斯B3.3系列发动机冷却液使用蜡式、底通型节温器,发动机只有依靠节温器才能控制最佳工作温度,一旦把节温器拆除,发动机将在“过热”或“过冷”状态下工作。

  (2)一定要用防冻液并增加副水箱储备冷却液。

  普通型的防冻液冰点是 - 40℃,而优等质量的防冻液可达-60℃;而防冻液的沸点为109℃~110℃。冷却液在实际使用过程中,其自然消耗不可避免,所以需增加一个副水箱,为发动机冷却系统储备冷却液,在自然消耗后自动补充防冻液。

  (3)保证进气阻力和进气温度在标准范围之内。

  康明斯B系列发动机进气温度在38℃以上时,每增加6℃发动机功率下降1%,散热量增加1.5%。滤芯积尘灰过多造成进气阻力增大,在发动机功率下降5%或油耗增加5%时的进气阻力是极限值,达到此值必须清扫或更换滤芯。选用的空滤芯滤纸厚度、抗张力、原始进气阻力、过滤精度应与原装发动机的动力性、可靠性及经济性相匹配,减少空气流动的压力损失。

  进气温度和进气口的位置与发动机机舱的温度有着密切的关系,进气管和进气口需与高温件隔离或尽可能远离,同时要保证机舱的热气排空顺畅。
液压小型挖掘机散热系统热平衡设计
  2 发动机散热系统设计

  我国南北方温差较大,同一规格的产品使用同一种冷却系统很难适应,需针对不同区域,对小型挖掘机冷却系某些机件进行适当改进。

  (1)散热器的改进。

  发动机冷却系中的重要部件是散热器,它的散热能力决定了冷却系的散热效果……

  (2)导风罩的安装。

  导风罩安装在散热器上,目的是使气流更均匀地通过散热器芯部,集中被风扇带走,避免热气流出现紊流现象,提高冷却效率。由于散热器与风扇有相对运动,因此风扇叶端与护风罩之间应保持一定的间隙。经过大量试验证明,风扇叶端与导风罩孔的间隙为风扇直径的1.5%,间隙越小效率越高,当间隙大于2.5%时,风扇的供风量会急剧下降。所以,风扇叶端与导风罩孔的间隙应为12mm的间隙;在使用保养、维修过程中,导风罩和风扇的尺寸及几何形状不可改变,散热器和风扇的安装位置也不可改变。

  3 液压油温散热系统

  (1)液压油选用。

  正确选用液压油,严格按小型挖掘机使用说明书中规定的液压油品种、牌号和粘度级别选用液压油,满足小型挖掘机配套使用的液压件的要求。液压小型挖掘机配套的液压泵是柱塞泵和齿轮泵,柱塞泵液压油的最小工作粘度不应低于8mm2/s,最大启动粘度不应大于1000mm2/s。齿轮泵液压油最小工作粘度不应低于20mm2/s,最大启动粘度可达2000mm2/s。

  (2)改进散热装置,提高冷却强度。

  小型挖掘机液压系统受整机结构限制,油箱设计容积不能充分散热,必须通过冷却器强制冷却管片式冷却器与板翅式冷却器相比,相同体积下油侧压力损失较小,但散热效率较低。我公司将管片式冷却器改为铝制板翅式风冷冷却器后,冷却效果提高数倍,体积和重量相对减小,结构紧凑、强度高。在原有安装空间不变的情况下散热面积由17m2达到24.5m2,在不增大液压油箱的容积的情况下,油散的进出口温度明显下降,温差最大可达10℃,散热效果达到预期要求。

  (3)液压回油滤芯单向阀的改进。

  液压系统回油旁通单向阀与液压油冷却器并联接在液压油箱的回油口上,回油背压单向阀与液压油冷却器串联在回油路中。在原设计方案中,液压系统的旁通回油压力为0.5MPa,液压油冷却器通路压力为0.3MPa,当AB两点间压差在0.5MPa以上时旁通单向阀自动开启,短接冷却器构成回油通路。

  改进后,在满足系统背压的条件下,0.3MPa单向阀改成0.15MPa单向阀,油冷却器旁通路压力差增大到0.35MPa,液压油在正常情况下流经油冷器冷却,冷却效果最佳。同时,定期更换污染的液压油保持系统清洁度,避免背压单向阀卡住,防止冷却器回油阻力大于系统回油压力。经试验证明,改进后的液压油油温下降幅度明显,效果良好。

  (4)合理设计风道,保障通风顺畅。

  ①保证进风量足够。

  取消发动机风扇端底封板的百页窗长槽孔,阻止发动机室外高温气流进入发动机室;发动机后机罩进气口处开长槽,在侧门开长槽孔,减少进气阻力,增加进风量;改变后机罩形状,采用流线型大弧度设计,避免在发动机室内造成涡流现象,使气流进出通畅。通过以上改进,在环境温度35℃下,样机的液压系统达到热平衡的温度为65℃,证明改进设是正确的。

  ②防止流通过程中热气回流。

  发动机室进排气室应严格密封分开,防止热气和冷气相混,影响散热器效果。散热器四周的填充物耐腐性、耐温性要好,通气性要差,主要是防止热气回流。液压小型挖掘机在装配安装、使用过程中对散热器与发动机四周存在的空隙进行有效密封,提高散热效果。

  多路阀处加隔热板,在油箱发动机一侧贴隔热海绵,隔开从发动机来的热风直接吹向液压油箱后侧壁与液压系统,避免发动机系统高温的影响。小型挖掘机正常工作时油箱内侧壁的温度比外侧壁高5~8℃,通过增加隔热板和隔热海绵改善隔热效果明显。

  ③保证热气排放通畅。

  发动机机罩顶部适当开散热孔,增加排风;散热器后发动机机舱部分的各隔板需保持制造时状态,否则热气会形成涡流影响排出。

  (5)综合设计散热装置,提高冷却强度。

  发动机和液压系统的散热系统设计分别计算从理论上不存在问题,当夏季环境温度很高时必然存在温度过高和报警现象。在解决发动机和液压系统的发热问题上,通过增大水箱容量、增加散热面积和散热功率,风扇的直径由510mm增加到550mm,以增加散热器的进风量。而从小型挖掘机的整个散热系统来分析,还需要注意以下问题:
液压小型挖掘机散热系统热平衡设计
  ①合理布置液压油冷却器和发动机散热器的

  排列方式。试验样机采用液压油冷却器和发动机散热器前后布置方式,在发动机的散热器前面安装油冷却器,由于冷却风是吸入式的,先冷却油冷却器,再冷却水散热器,达不到最佳的冷却效果。经对水散热平衡计算校核,确定散热器能满足散热面积的要求,把设计方案由前后布置方式改为并列式复合散热器,这样水散热器冷却液与冷却空气的温差较大,提高了散热效果。

  ②合理排列液压管理与发动机管路的布置。液压油管的设计布局沿发动机室底部布置,液压油管和发动机进气管保持一定的间距,避免液压油管路散发的热量预热发动机的进气。

  四 综上所述,小型挖掘机系统高温包括液压系统和发动机,引起小型挖掘机系统温度过高的原因是多方面的,除了注重维护保养、及时清除故障、控制液压油温升过快过高外,根本原因是散热系统各机件的匹配及系统设计不合理造成各运动部件的发热量与散热量不平衡,造成散热不良。主要措施是通过改进散热器散热方式和散热系统的进出风系统结构,最终使小型挖掘机液压系统和发动机系统的发热量与散热量达到平衡,满足小型挖掘机的使用要求,即使在极端工况和高温环境中也能满足工作需求。


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