挖掘机冷却系统风量影响因子试验研究

刘恩亮，许锦锦，宋方真，李建华，吕 磊

（徐州徐工挖掘机械有限公司，江苏 徐州 221000）

冷却系统是挖掘机重要的组成部分，在发动机和液压介质散热中起到重要作用。冷却系统由散热器、风扇、导风罩和部件之间围成机舱内部流动空间组成，在冷却系统中，进入到散热器的进风量是冷却性能的关键，在相同的条件下，进风量较大时，冷却系统的散热能力也会增强。因此，开展挖掘机冷却系统风量影响因子的规律研究具有重要意义。

国内外许多研究人员对挖掘机冷却系统风量进行研究，Dumas L.分析了客车进气格栅相关参数如开口面积、位置等对冷却部件气流量的影响，通过在散热器上方增加了挡板导流措施，散热效率得到提高。Saab S.研究了发动机舱前端进气格栅的开口面积对舱内的气动性能和散热性能的影响，结果显示减小进气格栅开口面积可以减小内流阻力，但对散热性能产生了负面影响。王晓明利用CFD 方法研究不同进出口对汽车流场的影响，结果显示汽车前端只有一个进出口的情况下不能满足发动机舱内的散热要求，增加辅助进风口满足散热需求。赵新明利用试验方法建立发动机舱温度场可视化图形，在发动机舱盖上增加通向外部的孔，舱内温度明显降低。陈义应用三维CFD 和一维KULI 耦合仿真方法对SUV车辆进行机舱内空气动力学分析，调整了前方进气格栅进气区域的造型，有效增大迎风面的进气量。目前，虽然CFD 仿真手段已经广泛应用于工程分析上，但是工程机械车辆模型复杂，在仿真前处理方面的时间成本较大，因此，试验研究显现出了较大优势。

本文以某型挖掘机冷却散热模块为对象，使用高精度叶轮测速仪，进行风场试验，基于统计学的四因素多水平试验方案，研究不同进风面积、不同进风位置、不同出风面积和不同出风位置下的风量变化情况，并绘制变化趋势曲线，获得各因子对风量的影响规律。

1 风场试验

1.1 试验介绍

挖掘机进出口示意图如图1 所示，进出风口根据研究面积大小及位置进行是否封堵或拆卸。空气路径为环境-进风门-机舱-散热器-风扇-机舱-出风口-环境，因此在散热器迎风面安装叶轮传感器来获得风量，如图2 所示，采用综合测试系统采集主机采集各测点风速，试验过程中观察各测点速度变化曲线，取曲线稳定时段的速度值。考虑设备振动问题，在车静止状态，调节发动机档位，进行风场测试。

图1 挖掘机进出口示意图

图2 叶轮传感器布置

叶轮传感器25 个，采集频率7kHz，分辨率≤0.1m/s，误差不高于±2%，综合测试系统采集主机是集风速采集模块、温度采集模块和CAN总线采集模块等模块于一体的综合采集设备，配有采集与分析电脑及软件1 套。

1.2 试验方案

试验方案见表1 和表2，其工况设置模型说明见图1。本文的面积占比为占散热器迎风面积的比例。

表1 进风面积和进风位置影响的试验方案

表2 出风面积和出风位置影响的试验方案

2 影响因子对风量的影响

2.1 风量计算方式

散热器3 个芯体每个芯体所有测点的平均风速为芯体的进风速度，芯体进风速度与面积乘积为芯体进风量，3 个芯体的风量之和为总风量。以某一工况为例，风量计算方式见表3。

表3 某工况风量计算方式

2.2 进风面积对风量的影响

不同发动机转速下的风量与进风面积关系如图3，横坐标为进风面积占比，纵坐标是风量百分比，风量百分比是以发动机转速为1 750rpm、进风面积占比为85%时的风量为基准进行计算。

图3 风量与进风面积关系

从图3 可以看出，当散热器正前方进风面积增加时，风量增加，进风面积占比在45%～50%后，风量增加变缓。当进风面积占比从26%增至43%时，风量增加10%～13%，增加较大，风量受进风面积影响较大。

2.3 进风位置对风量的影响

不同发动机转速下的风量与进风位置关系如图4，横坐标为发动机转速，纵坐标为风量百分比，进风面积占比26%时，风量百分比是以发动机转速为1 750rpm、正前进风时的风量为基准进行计算，进风面积占比50%时，风量百分比是以发动机转速为1 750rpm、正前全部进风+上部部分进风时的风量为基准进行计算，见图4。

图4 风量与进风面积关系

从图4 可以看出，小进风面积时，正前方进风的风量比上部进风的风量高10%左右，大进风面积时，正前方进风的风量比上部进风的风量高15%左右，正前方进风效率最高，上部进风效率较低。

2.4 出风位置对风量的影响

不同发动机转速下的风量与进风位置关系如图5，横坐标为发动机转速，纵坐标为风量百分比，风量百分比是以发动机转速为1 750rpm、上部出风时的风量为基准进行计算。

图5 风量与出风位置关系

从图5 中可以看出，上部出风时进风量最高，底部出风次之，后部出风最小。上部出风时的风量比后部出风高6%左右，出风位置影响相对较小。

2.5 出风面积对风量的影响

由于出风位置的影响相对较小，因此在研究出风面积影响的试验方案中，采用多位置开孔调整出风面积大小，以使影响因子的范围变大。不同发动机转速下的风量与出风面积关系见图6，横坐标为出风面积占比，纵坐标是风量百分比，风量百分比是以发动机转速为1 750rpm、出风面积占比为50%时的风量为基准进行计算。

图6 风量与出风面积关系

从图6 中可以看出，当出风面积占比增加时，风量增加，在出风面积占比为22%后，风量增加变慢。当出风面积占比从15%增至22%时，风量增加5%左右。因此当出风面积较小时，风量受出风面积的影响较大。

试验时只统计了形状规则并且尺寸较大的出风口面积，对各结构件之间的装配间隙以及不规则的小出风口面积进行了忽略，因此挖掘机实际出风面积比统计的出风面积大，当机舱密封很好的机型时，出风面积与散热器迎风面面积的比值建议增加。

3 结论

本文在挖掘机上进行风场试验，研究影响因子进风面积、进风位置、出风面积和出风位置对风量的影响，得出如下结论。

1）风量随进风面积的增加而增加，进风面积占比在45%后，风量增加速度变缓。

2）从不同位置进风时，正前方进风效率最高，上部进风效率较低。

3）风量随出风面积的增加而增加，出风面积占比在22%后，风量增加速度变缓。

4）从不同位置出风时，上部出风时进风量最高，底部出风次之，后部出风最小。

本文的影响因子试验研究，为挖掘机冷却散热模块正向设计提供支持，进风面积在允许情况下应取散热器迎风面积的45%及以上，并尽可能从散热器正前方进风，出风面积在条件允许情况下应取散热器迎风面积的22%以上，并尽可能从上部出风。