工程机械配套水冷散热器弊端及措施

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摘要：采用液力机械传动的工程机械均需要通过传动油散热器为传动系统散热，满足整机的使用要求，文中以最常见的装载机为例，介绍了目前传动油散热器的特点及使用情况，通过实际案例揭示了水冷传动油散热器在实际应用中发生的问题，并且进行了相关的测试。结合测试数据，讨论了水冷传动油散热器出现过热的原因，并且提出了相关的改进措施。同时，提出在新产品设计时，应用水冷传动油散热器时需要考虑的部分因素。

关键词：装载机；水冷传动油散热器；液力变矩器；压力；温度

引言

随着非道路机械排放法规的趋严，发动机相应地增加了一些对尾气的机外净化技术，如EGR(发动机废气再循环技术)，同时，为了满足对效率和极限工况的要求，发动机的功率也在不断升高，发动机的散热量也在不断增加。一般来说，装载机发动机的排放标准每升高一级，散热量就会增加10%～30%，水散热器和空-空中冷散热器的尺寸就需要增加，再考虑液压油散热器和传动油散热器，它们需要的布置空间就会越大。目前，有些装载机厂家为了降低成本，缩小安装空间，把传动油散热器设计在水散热器底部，与水散热器整体连接，传动油的冷却通常由发动机的冷却液来冷却，传动油散热器可使用体积较小的板翅式散热器，但这种散热方式存在一些弊端，本文经过对该散热结构的装载机进行测试和数据分析，总结出改进措施，为液力传动的工程机械提供可参考的散热方案。某型号轮式装载机，应客户要求，配套采埃孚WG200的变速箱，该变速箱由液力变矩器和定轴式变速箱组成，特别适配于轮式装载机、推土机、平地机、叉车等，在整车刚启动作业时，装载机仪表台提示传动油温度高，并且油温升高很快。

1散热系统的分析

针对上述问题，开展了逐一的原因分析：1）按要求检查了变速箱的传动油液位，符合使用要求；2）观察了变速箱底部吸油管口并无异物堵塞；变速箱精滤器保持清洁，并无堵塞，确保油路畅通；3）换了传动油油温传感器，故障仍未消除，排除了油温传感器故障的可能性；4）测量了变矩器出口油温及温升时长、冷却时长，如图1及表1、表2所示。通过表1、表2分析，变矩器油温升高平均速度为0.435s/℃，要快于变矩器的0.5s/℃使用要求，而变矩器油冷却速度为4.32s/℃，慢于变速箱4s/℃的要求。ZF推荐使用风冷系统，以减少发动机冷却系统对变速箱的影响。但该传动油散热器采用的是发动机冷却液冷却，且参与发动机冷却系统的节温器起始开启温度为80℃，直到93℃完全打开。在此次测试中，根据仪表显示的水温，水温始终未能达到节温器完全打开的温度，这将大大影响传动油的冷却。发动机冷却循环包括小循环及大循环，当发动机刚启动时，为了能快速加热发动机的机油，发动机出水口处的节温器关闭，冷却液不经过水散热器直接在发动机内部循环。当温度达到节温器的初始开启温度（（80±2）℃），一部分冷却液会流经水散热器，当冷却液温度继续上升，达到节温器的全部开启温度（93℃）时，冷却液全部流经水散热器，间接地冷却传动油散热器。如果水冷传动油散热器是处在发动机冷却循环的大循环中，由于节温器未打开，水冷变矩器油散热器未被冷却，这将导致变矩器油温快速升高，并有可能导致变矩器损坏，尤其在冬季或寒冷地区更是如此。

2对传动系统的分析

对散热器的散热性能测试之后，仍有必要对传动系统进行测试及分析。先介绍变矩器-变速箱的传动油路原理：该变速箱与变矩器直接直接固联在一起，无联轴节，俗称“双变”。变速箱内部安装有内置油泵，发动机飞轮通过一根独立的长轴驱动油泵转动，在距离变速箱底部10mm处固定有过滤网，防止大颗粒杂质吸入油泵中，亦可减弱装载机在颠簸时对油液产生的晃动；油泵从箱体底部吸油后，传动油流经油泵后进入精滤器（过滤精度为0.025mm）,精滤器中含有旁通阀，防止精滤器被堵塞后造成变速系统没油及损坏精滤器。被过滤后的油液经过内部油道，进入固定在箱体上的变速操纵阀，由变速操纵阀上的压力控制阀将工作压力调定为1.6～1.8MPa后，油路一分为二，一路通过电磁阀进入控制换挡阀，另一路通过压力控制阀进入挡位阀，用来控制挡位离合器。压力控制阀保证变速系统油路的最高工作油压时，将溢出的传动油输入变矩器循环油路，作为其减速增扭、传递能量、转换能量的介质。一般采用6#液力传动油，要求传动油的最高工作温度不超过120℃，以便具有适宜的黏度和良好的黏-温特性；由于变矩器内部的环形腔体中分布若干叶片，采用合金铸铝成型，为防止液流压力过大对变矩器叶片及密封件造成损坏，在其进、出口处配有安全阀，进口处安全阀开启压力为0.85MPa,出口处安全阀开启压力为0.50MPa，保证变矩器内腔油液有一定压力，油液时刻能充满变矩器内腔，防止油液长时间高温工作对腔体造成气蚀，降低变矩器效率及缩短变矩器寿命。油液流经变矩器，完成能量传递及转换，温度升高，在变矩器出口处将温度信息通过传感器显示在装载机操纵台的仪表上，供操作者判断变矩器工作是否正常；同时，传动油通过管路流入传动油散热器，借助发动机冷却液的对流冷却，带走大部分热量，保持传动油温在80～90℃，经冷却后的传动油流回变速箱，通过内置油路对变速箱的齿轮和轴承进行润滑。随后，通过各处间隙回到变速箱油底壳，完成油液的一次循环。变速箱液压原理图如图2所示，传动油散热器及变矩器油压测试数据如图3所示，传动油温及压力测试情况如表3所示。依据测试数据得，变速箱在冷油状态下，变矩器入口处压力为0.93MPa，高于变速箱安全阀的开启压力，安全阀一旦打开，部分油液会直接内泄回变速箱油底壳，使润滑变速箱内部齿轮、轴承等的油液减少，不利于变速箱的润滑，传动油亦会发热。传动油冷却器的阻力高达0.50MPa,说明散热器和冷却油管路的阻力过大，高于采埃孚变速箱0.2MPa的要求，也不利于传动油散热器散热。

3结语

1）在为液力机械式工程机械匹配散热器时，要充分考虑到变矩器-变速箱的散热量，否则会造成传动油散热系统的过热，当采用将板翅式传动油散热器置于水散热器的结构时，一定要考虑发动机在寒冷地区刚启车时，发动机节温器的开启温度等因素，以免发动机在进行小循环时，造成传动油无法及时冷却，为此，可将传动油散热器从冷却液散热器中移出，在发动机节温器处引出循环水路，将水冷传动油散热器引入到发动机冷却循环的小循环中，将传动油散热器串联在发动机小循环回水口至发动机进水口的管路中，安装在整机后部的配重上，这样不受冷却液大小循环的制约（如图4）。抑或在整车上有适当空间时，可以考虑使用风冷传动油散热器，采用多层散热器布置，但会导致远离风扇侧的散热器风阻较大，进风温度过高，以及散热器系统维护不方便等弊端。2）要注意传动油散热器在下水室时，对发动机冷却液造成较大的流动阻力，冷却液流动缓慢，且由于下水室的气体不易排出，会造成造成水泵的气蚀，缩短水泵的使用寿命及降低水泵的可靠性，影响发动机的散热性能。3）在设计传动油散热器时，一定要注意减小传动油散热器的阻力，否则，会增加变矩器中压力，造成变矩器为保证安全而开启安全阀，传动油内泄回变速箱，导致润滑变速箱的油液减少，使变速箱润滑不良，影响变速箱的性能；为此，可减小散热器芯体的部分阻力，换热面通道的沿程摩擦阻力一般正比于流道的长度，在空间允许的情况下，尽可能增加流道数量，缩短芯体流道长度。4）高温油液在传入到散热器时，采用高压胶管，传动油的沿程压力损失与管路长度成正比，针对一些大功率的设备，整体尺寸较大，管路较长，管路对传动油的沿程压力损失在设计液压系统时要加以考虑；然后，管路中还会使用一些过渡连接接头，在选取接头规格时，要注意其通道的截面直径，以及管路的直径，确保满足油液对管路的使用要求。5）在新产品开置散热器及其管路时，要为散热器热平衡测试时安装各种测试接头，留出安装空间，保证接头易于安装和拆卸，方便测试。

[参考文献]

［1］杨世铭，陶文铨.传热学[M].3版.北京：高等教育出版社，1998.

［2］廖玉懂，王涛，张碧荣,等.水冷变矩器油散在装载机散热系统中的应用[J].工程机械，2013，44（10）：9-10.

［3］佚名.ZF200变速箱及ZFAP400系列驱动桥培训资料[Z].

作者：智伟 郑恩华 孔彦军 单位：山推工程机械股份有限公司