工程機械配套水冷散熱器弊端及措施

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摘要：采用液力機械傳動的工程機械均需要通過傳動油散熱器為傳動系統散熱，滿足整機的使用要求，文中以最常見的裝載機為例，介紹了目前傳動油散熱器的特點及使用情況，通過實際案例揭示了水冷傳動油散熱器在實際應用中發生的問題，并且進行了相關的測試。結合測試數據，討論了水冷傳動油散熱器出現過熱的原因，并且提出了相關的改進措施。同時，提出在新產品設計時，應用水冷傳動油散熱器時需要考慮的部分因素。

關鍵詞：裝載機；水冷傳動油散熱器；液力變矩器；壓力；溫度

引言

隨著非道路機械排放法規的趨嚴，發動機相應地增加了一些對尾氣的機外凈化技術，如EGR(發動機廢氣再循環技術)，同時，為了滿足對效率和極限工況的要求，發動機的功率也在不斷升高，發動機的散熱量也在不斷增加。一般來說，裝載機發動機的排放標準每升高一級，散熱量就會增加10%～30%，水散熱器和空-空中冷散熱器的尺寸就需要增加，再考慮液壓油散熱器和傳動油散熱器，它們需要的布置空間就會越大。目前，有些裝載機廠家為了降低成本，縮小安裝空間，把傳動油散熱器設計在水散熱器底部，與水散熱器整體連接，傳動油的冷卻通常由發動機的冷卻液來冷卻，傳動油散熱器可使用體積較小的板翅式散熱器，但這種散熱方式存在一些弊端，本文經過對該散熱結構的裝載機進行測試和數據分析，總結出改進措施，為液力傳動的工程機械提供可參考的散熱方案。某型號輪式裝載機，應客戶要求，配套采埃孚WG200的變速箱，該變速箱由液力變矩器和定軸式變速箱組成，特別適配于輪式裝載機、推土機、平地機、叉車等，在整車剛啟動作業時，裝載機儀表臺提示傳動油溫度高，并且油溫升高很快。

1散熱系統的分析

針對上述問題，開展了逐一的原因分析：1）按要求檢查了變速箱的傳動油液位，符合使用要求；2）觀察了變速箱底部吸油管口并無異物堵塞；變速箱精濾器保持清潔，并無堵塞，確保油路暢通；3）換了傳動油油溫傳感器，故障仍未消除，排除了油溫傳感器故障的可能性；4）測量了變矩器出口油溫及溫升時長、冷卻時長，如圖1及表1、表2所示。通過表1、表2分析，變矩器油溫升高平均速度為0.435s/℃，要快于變矩器的0.5s/℃使用要求，而變矩器油冷卻速度為4.32s/℃，慢于變速箱4s/℃的要求。ZF推薦使用風冷系統，以減少發動機冷卻系統對變速箱的影響。但該傳動油散熱器采用的是發動機冷卻液冷卻，且參與發動機冷卻系統的節溫器起始開啟溫度為80℃，直到93℃完全打開。在此次測試中，根據儀表顯示的水溫，水溫始終未能達到節溫器完全打開的溫度，這將大大影響傳動油的冷卻。發動機冷卻循環包括小循環及大循環，當發動機剛啟動時，為了能快速加熱發動機的機油，發動機出水口處的節溫器關閉，冷卻液不經過水散熱器直接在發動機內部循環。當溫度達到節溫器的初始開啟溫度（（80±2）℃），一部分冷卻液會流經水散熱器，當冷卻液溫度繼續上升，達到節溫器的全部開啟溫度（93℃）時，冷卻液全部流經水散熱器，間接地冷卻傳動油散熱器。如果水冷傳動油散熱器是處在發動機冷卻循環的大循環中，由于節溫器未打開，水冷變矩器油散熱器未被冷卻，這將導致變矩器油溫快速升高，并有可能導致變矩器損壞，尤其在冬季或寒冷地區更是如此。

2對傳動系統的分析

對散熱器的散熱性能測試之后，仍有必要對傳動系統進行測試及分析。先介紹變矩器-變速箱的傳動油路原理：該變速箱與變矩器直接直接固聯在一起，無聯軸節，俗稱“雙變”。變速箱內部安裝有內置油泵，發動機飛輪通過一根獨立的長軸驅動油泵轉動，在距離變速箱底部10mm處固定有過濾網，防止大顆粒雜質吸入油泵中，亦可減弱裝載機在顛簸時對油液產生的晃動；油泵從箱體底部吸油后，傳動油流經油泵后進入精濾器（過濾精度為0.025mm）,精濾器中含有旁通閥，防止精濾器被堵塞后造成變速系統沒油及損壞精濾器。被過濾后的油液經過內部油道，進入固定在箱體上的變速操縱閥，由變速操縱閥上的壓力控制閥將工作壓力調定為1.6～1.8MPa后，油路一分為二，一路通過電磁閥進入控制換擋閥，另一路通過壓力控制閥進入擋位閥，用來控制擋位離合器。壓力控制閥保證變速系統油路的最高工作油壓時，將溢出的傳動油輸入變矩器循環油路，作為其減速增扭、傳遞能量、轉換能量的介質。一般采用6#液力傳動油，要求傳動油的最高工作溫度不超過120℃，以便具有適宜的黏度和良好的黏-溫特性；由于變矩器內部的環形腔體中分布若干葉片，采用合金鑄鋁成型，為防止液流壓力過大對變矩器葉片及密封件造成損壞，在其進、出口處配有安全閥，進口處安全閥開啟壓力為0.85MPa,出口處安全閥開啟壓力為0.50MPa，保證變矩器內腔油液有一定壓力，油液時刻能充滿變矩器內腔，防止油液長時間高溫工作對腔體造成氣蝕，降低變矩器效率及縮短變矩器壽命。油液流經變矩器，完成能量傳遞及轉換，溫度升高，在變矩器出口處將溫度信息通過傳感器顯示在裝載機操縱臺的儀表上，供操作者判斷變矩器工作是否正常；同時，傳動油通過管路流入傳動油散熱器，借助發動機冷卻液的對流冷卻，帶走大部分熱量，保持傳動油溫在80～90℃，經冷卻后的傳動油流回變速箱，通過內置油路對變速箱的齒輪和軸承進行潤滑。隨后，通過各處間隙回到變速箱油底殼，完成油液的一次循環。變速箱液壓原理圖如圖2所示，傳動油散熱器及變矩器油壓測試數據如圖3所示，傳動油溫及壓力測試情況如表3所示。依據測試數據得，變速箱在冷油狀態下，變矩器入口處壓力為0.93MPa，高于變速箱安全閥的開啟壓力，安全閥一旦打開，部分油液會直接內泄回變速箱油底殼，使潤滑變速箱內部齒輪、軸承等的油液減少，不利于變速箱的潤滑，傳動油亦會發熱。傳動油冷卻器的阻力高達0.50MPa,說明散熱器和冷卻油管路的阻力過大，高于采埃孚變速箱0.2MPa的要求，也不利于傳動油散熱器散熱。

3結語

1）在為液力機械式工程機械匹配散熱器時，要充分考慮到變矩器-變速箱的散熱量，否則會造成傳動油散熱系統的過熱，當采用將板翅式傳動油散熱器置于水散熱器的結構時，一定要考慮發動機在寒冷地區剛啟車時，發動機節溫器的開啟溫度等因素，以免發動機在進行小循環時，造成傳動油無法及時冷卻，為此，可將傳動油散熱器從冷卻液散熱器中移出，在發動機節溫器處引出循環水路，將水冷傳動油散熱器引入到發動機冷卻循環的小循環中，將傳動油散熱器串聯在發動機小循環回水口至發動機進水口的管路中，安裝在整機后部的配重上，這樣不受冷卻液大小循環的制約（如圖4）。抑或在整車上有適當空間時，可以考慮使用風冷傳動油散熱器，采用多層散熱器布置，但會導致遠離風扇側的散熱器風阻較大，進風溫度過高，以及散熱器系統維護不方便等弊端。2）要注意傳動油散熱器在下水室時，對發動機冷卻液造成較大的流動阻力，冷卻液流動緩慢，且由于下水室的氣體不易排出，會造成造成水泵的氣蝕，縮短水泵的使用壽命及降低水泵的可靠性，影響發動機的散熱性能。3）在設計傳動油散熱器時，一定要注意減小傳動油散熱器的阻力，否則，會增加變矩器中壓力，造成變矩器為保證安全而開啟安全閥，傳動油內泄回變速箱，導致潤滑變速箱的油液減少，使變速箱潤滑不良，影響變速箱的性能；為此，可減小散熱器芯體的部分阻力，換熱面通道的沿程摩擦阻力一般正比于流道的長度，在空間允許的情況下，盡可能增加流道數量，縮短芯體流道長度。4）高溫油液在傳入到散熱器時，采用高壓膠管，傳動油的沿程壓力損失與管路長度成正比，針對一些大功率的設備，整體尺寸較大，管路較長，管路對傳動油的沿程壓力損失在設計液壓系統時要加以考慮；然后，管路中還會使用一些過渡連接接頭，在選取接頭規格時，要注意其通道的截面直徑，以及管路的直徑，確保滿足油液對管路的使用要求。5）在新產品開置散熱器及其管路時，要為散熱器熱平衡測試時安裝各種測試接頭，留出安裝空間，保證接頭易于安裝和拆卸，方便測試。

[參考文獻]

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［2］廖玉懂，王濤，張碧榮,等.水冷變矩器油散在裝載機散熱系統中的應用[J].工程機械，2013，44（10）：9-10.

［3］佚名.ZF200變速箱及ZFAP400系列驅動橋培訓資料[Z].

作者：智偉 鄭恩華 孔彥軍 單位：山推工程機械股份有限公司