摘要：通過對發動機水箱溫度過高的原因分析，提出對冷卻系統結構改進從而冷卻系統的各部件得到合理匹配來提高冷卻效果。測試表明，改裝后成功解決了發動機過熱的問題，取得了良好效果。
關鍵詞：小型挖掘機 冷卻系統 散熱器 熱平衡
正文：隨著我國經濟的發展和現代化的建設速度加快，這幾年對小型液壓挖掘機的需求量快速增長，小型挖掘機技術上也日臻成熟、完善，而挖掘機使用工況比較惡劣，由於工作時間長、任務重、作業環境差、粉塵多、溫度高、維護保養不到位等原因，致使對挖掘機用柴油機的冷卻系統的要求越來越高。
挖掘機的冷卻系統的效能取決於其使用條件和各部件的設計與匹配。為了使冷卻系統和各部件得到合理匹配，本文分析了冷卻系統的結構特徵，並從理倫上分析了水溫過高的原因，提出了冷卻系統的具體改造方案，通過對某小型挖掘機冷卻系統的改進，並經過試驗證明方案的目標，採用現場測試方法來對冷卻系統進行一定的改進來達到系統的要求。
1冷卻系統的結構特徵
國產某小型液壓挖掘機總重量4680kg，標準斗容量0.18m3。該機搭載YANMAR發動機，功率27.1kM，最大扭矩144Nm，排量2.19L。該挖掘機是21世紀初推出的新產品，具有動力性好，生產效率高的特點，但測試實驗中也偶爾出現了發動機水箱溫度偏高（俗稱開鍋）的現象，開始以為是發動機選型的問題，但參考國外其他機型及該發動機的技術資料，通過計算髮現該機型的冷卻系統散熱功率完全滿足系統的設計要求。
該機的冷卻系統由發動機水套、水泵、水散熱、風扇、液壓油散熱器，冷卻風道及相應的管路等組成，傳熱介質由水泵驅動，進行強行循環流動。冷卻水流所流過的部件|——水泵、發動機水套、水散熱器、調溫器及管道等，構成了系統的冷卻風道，這是世界上應用最廣泛的冷卻系統之一。
該機採用發動機冷卻水散熱器（以下簡稱水箱）與液壓油散熱器同軸使用一個吸風式風扇，並前置空調冷凝器。空氣在經過後備箱的進風口進入挖掘機后，通過液壓油散熱器才進入水箱，導致水箱器散熱器散熱表面與氣流的溫差減小；而兩個散熱器疊加在一起加大了空氣的流動阻力，同時進入水箱散熱器表面的空氣流量和流速都相應的減少。
2水溫過高的原因分析
影響挖掘機散熱性能的因素主要有散熱器的散熱面積、單位時間內散熱器的通風量和系統和水循環性能。由於風扇、散熱器的散熱面積等部件都是固定不變，所以應從改善系統的結構組成以減少風阻、增大進風量等方面進行改進。
在挖掘機冷卻系統設計時，水箱散熱器的進水溫度，即發動機的最高出水溫tw1，發動機出廠的隨機文件中都有明確規定，為已知量；散熱器的進氣溫度，即環境氣溫的設計計算值ta1，在設計任務書中，也有明確要求，也是已知量。由此，將散熱器空氣側的溫度效率
ε定義為：
ε=Δta/( tw1 -ta1)
式中Δta為空氣通過散熱器的溫升，Δta= ta1- ta2。這樣，冷卻風量的計算公式就可寫成
Δta=Q/(3600pacp,a)
式中Q——冷卻系統應散走的總熱量，kJ/h；
pa——空氣的密度，kg/m3；
cp,a——空氣定壓比熱容，kJ/(kg?℃)；
tw1——進入散熱器的水的溫度，℃；
tw2——進入散熱器的空氣溫度，℃。
通過對公司式（2）的觀察，在其他條件不變的情況下，如果能通過改變結構的方法提
高冷卻風量qv,a，這樣就能改變Δta。在進氣溫度相同的情況下，隨著冷卻風量qv,a的提高，通過液壓油散熱器后空氣溫度會降低。由此可見，只要進入水箱的空氣溫度降低，在同樣的的條件下，就可以解決開鍋問題。
3冷卻系統改造方案
散熱器是冷卻系統的重要部件，散熱器與風扇的位置如圖1所示，在不改變發動機、風扇、水箱和液壓油散熱器的情況下，筆者考慮通過以下幾個方面來進行改造。
1）調整風扇葉與水箱之間的相對位置，相對位置的變化必然帶來進入液壓油散熱器風速的變化，通過對測點的風速的測量，確定最合適的位置。
2）判斷液壓油散熱器與水箱之間是否允許有間隙。兩者之間如果有間隙，從間隙處必然會有空氣進入，那麼必然增大通過水箱的進風量。通過實驗測量測點的風速，確定最合適的間隙的距離。
3）調整空調冷凝器的位置，將其向下調整或是向處移出一定的距離。由於散熱器主要作用面在散熱器的上部，將冷凝器下移或外移，必然會減少風阻，提高進入液壓油散熱器的冷卻風量，對冷卻效果有一定的改善作用。通過實驗量測量的風速，確定冷凝的位置。
4）通過對冷卻系統的部件的改變，比如更換防護罩、風扇葉、皮帶的帶輪，甚至是改變液壓油箱的大小、液壓油散熱器、水箱，這樣可以提高整個冷卻系統的冷卻能力，但也會使整機的成本提高。
當然，我們也可以通過對散熱器進行優化設計，提高它的換熱係數，降低散熱器的風阻，對冷卻風道進行一定的改進，比如改善挖掘機後備箱的布置，減少風道的死區，避免風扇附近出現熱風迴流的現象，對冷卻系統的散熱能力提高也有一定的效果。
4試驗檢驗
試驗在環境溫度30℃左右，發動機最高轉速2325r/min下進行。試驗時拆下空調冷凝器，圖1右圖為液壓器的正面示意圖。風速儀與液壓油散熱器端面的水平距離為15mm，M點為散熱器中心位置，N點為油散熱器內側邊緣處，H點為油散熱器與水箱縫隙處，試驗數據見表1。
通過表1的數據我們可以清楚地看出，通過對該機的結構改造后，在測點M、N、H處的風速得到了較大提高，說明我們的改造取得了一定的效果。
圖2、3改進前後水箱和液壓油散熱器的進水（液壓油）溫度試驗數據，由圖2、3可以看出，改進后的新機型，在環境溫度30℃左右工作達到熱平衡時，水箱的進水溫度為80℃，比原機降低9℃；液壓油散熱器的進油溫度為80℃，比原機降低6℃。說明通過對新機型結構上的改進，提高了整個冷卻系統的冷卻能力。在評價冷卻系統的散熱能力的時候，國外發達國家大多採用了ATB這個指標衡量，在發動機出廠的隨機文件中都有ATB的明確標識。所以本文也引用了ATB作為衡量指標，通過查閱該挖掘機型的發動機資料，ATB》=50℃。
ATB計算公式為
ATB=（A-B）+C
式中A為理論上冷卻液的沸騰溫度（A的取值與散熱器水箱蓋允許壓力有關）；B為發動機水箱的進水溫度（在節溫器全開的情況下）；C為在測試時準確的環境溫度。
該挖掘機的水箱壓力蓋允許壓力為0.7atm，此時取A=105℃。從圖2中可以知道，原機的ATB=105-89+30=46℃；改造后的ATB=105-80+31=56℃。
改造后冷卻系統的ATB地值增大了10℃；這就等效於在同樣的環境溫度下，配備新冷卻系統的機型其發動機工作溫度峰值比原機型降低10℃。通過調整風扇葉與水箱的相對位置、液壓油散熱器與水箱之間的間隙、空調冷凝器的位置以及更換皮帶的帶輪改進方案的使用，提高了冷卻qv,a，成功的解決了發動機水箱溫度過高的問題。
參考文獻：
[1]嚴永華.工程機械用柴油冷卻系統匹配技術研究[J]。柴油機設計與製造，2004，（3）：21-25.
[2]黎建良.日立EX400型液壓挖掘機散熱器的改裝[J].工程機械，2005，(6):65-67');
摘要：通過對發動機水箱溫度過高的原因分析，提出對冷卻系統結構改進從而冷卻系統的各部件得到合理匹配來提高冷卻效果。測試表明，改裝后成功解決了發動機過熱的問題，取得了良好效果。
關鍵詞：小型挖掘機 冷卻系統 散熱器 熱平衡
正文：隨著我國經濟的發展和現代化的建設速度加快，這幾年對小型液壓挖掘機的需求量快速增長，小型挖掘機技術上也日臻成熟、完善，而挖掘機使用工況比較惡劣，由於工作時間長、任務重、作業環境差、粉塵多、溫度高、維護保養不到位等原因，致使對挖掘機用柴油機的冷卻系統的要求越來越高。
挖掘機的冷卻系統的效能取決於其使用條件和各部件的設計與匹配。為了使冷卻系統和各部件得到合理匹配，本文分析了冷卻系統的結構特徵，並從理倫上分析了水溫過高的原因，提出了冷卻系統的具體改造方案，通過對某小型挖掘機冷卻系統的改進，並經過試驗證明方案的目標，採用現場測試方法來對冷卻系統進行一定的改進來達到系統的要求。
1冷卻系統的結構特徵
國產某小型液壓挖掘機總重量4680kg，標準斗容量0.18m3。該機搭載YANMAR發動機，功率27.1kM，最大扭矩144Nm，排量2.19L。該挖掘機是21世紀初推出的新產品，具有動力性好，生產效率高的特點，但測試實驗中也偶爾出現了發動機水箱溫度偏高（俗稱開鍋）的現象，開始以為是發動機選型的問題，但參考國外其他機型及該發動機的技術資料，通過計算髮現該機型的冷卻系統散熱功率完全滿足系統的設計要求。
該機的冷卻系統由發動機水套、水泵、水散熱、風扇、液壓油散熱器，冷卻風道及相應的管路等組成，傳熱介質由水泵驅動，進行強行循環流動。冷卻水流所流過的部件|——水泵、發動機水套、水散熱器、調溫器及管道等，構成了系統的冷卻風道，這是世界上應用最廣泛的冷卻系統之一。
該機採用發動機冷卻水散熱器（以下簡稱水箱）與液壓油散熱器同軸使用一個吸風式風扇，並前置空調冷凝器。空氣在經過後備箱的進風口進入挖掘機后，通過液壓油散熱器才進入水箱，導致水箱器散熱器散熱表面與氣流的溫差減小；而兩個散熱器疊加在一起加大了空氣的流動阻力，同時進入水箱散熱器表面的空氣流量和流速都相應的減少。
2水溫過高的原因分析
影響挖掘機散熱性能的因素主要有散熱器的散熱面積、單位時間內散熱器的通風量和系統和水循環性能。由於風扇、散熱器的散熱面積等部件都是固定不變，所以應從改善系統的結構組成以減少風阻、增大進風量等方面進行改進。
在挖掘機冷卻系統設計時，水箱散熱器的進水溫度，即發動機的最高出水溫tw1，發動機出廠的隨機文件中都有明確規定，為已知量；散熱器的進氣溫度，即環境氣溫的設計計算值ta1，在設計任務書中，也有明確要求，也是已知量。由此，將散熱器空氣側的溫度效率
ε定義為：
ε=Δta/( tw1 -ta1)
式中Δta為空氣通過散熱器的溫升，Δta= ta1- ta2。這樣，冷卻風量的計算公式就可寫成
Δta=Q/(3600pacp,a)
式中Q——冷卻系統應散走的總熱量，kJ/h；
pa——空氣的密度，kg/m3；
cp,a——空氣定壓比熱容，kJ/(kg?℃)；
tw1——進入散熱器的水的溫度，℃；
tw2——進入散熱器的空氣溫度，℃。
通過對公司式（2）的觀察，在其他條件不變的情況下，如果能通過改變結構的方法提
高冷卻風量qv,a，這樣就能改變Δta。在進氣溫度相同的情況下，隨著冷卻風量qv,a的提高，通過液壓油散熱器后空氣溫度會降低。由此可見，只要進入水箱的空氣溫度降低，在同樣的的條件下，就可以解決開鍋問題。
3冷卻系統改造方案
散熱器是冷卻系統的重要部件，散熱器與風扇的位置如圖1所示，在不改變發動機、風扇、水箱和液壓油散熱器的情況下，筆者考慮通過以下幾個方面來進行改造。
1）調整風扇葉與水箱之間的相對位置，相對位置的變化必然帶來進入液壓油散熱器風速的變化，通過對測點的風速的測量，確定最合適的位置。
2）判斷液壓油散熱器與水箱之間是否允許有間隙。兩者之間如果有間隙，從間隙處必然會有空氣進入，那麼必然增大通過水箱的進風量。通過實驗測量測點的風速，確定最合適的間隙的距離。
3）調整空調冷凝器的位置，將其向下調整或是向處移出一定的距離。由於散熱器主要作用面在散熱器的上部，將冷凝器下移或外移，必然會減少風阻，提高進入液壓油散熱器的冷卻風量，對冷卻效果有一定的改善作用。通過實驗量測量的風速，確定冷凝的位置。
4）通過對冷卻系統的部件的改變，比如更換防護罩、風扇葉、皮帶的帶輪，甚至是改變液壓油箱的大小、液壓油散熱器、水箱，這樣可以提高整個冷卻系統的冷卻能力，但也會使整機的成本提高。
當然，我們也可以通過對散熱器進行優化設計，提高它的換熱係數，降低散熱器的風阻，對冷卻風道進行一定的改進，比如改善挖掘機後備箱的布置，減少風道的死區，避免風扇附近出現熱風迴流的現象，對冷卻系統的散熱能力提高也有一定的效果。
4試驗檢驗
試驗在環境溫度30℃左右，發動機最高轉速2325r/min下進行。試驗時拆下空調冷凝器，圖1右圖為液壓器的正面示意圖。風速儀與液壓油散熱器端面的水平距離為15mm，M點為散熱器中心位置，N點為油散熱器內側邊緣處，H點為油散熱器與水箱縫隙處，試驗數據見表1。
通過表1的數據我們可以清楚地看出，通過對該機的結構改造后，在測點M、N、H處的風速得到了較大提高，說明我們的改造取得了一定的效果。
圖2、3改進前後水箱和液壓油散熱器的進水（液壓油）溫度試驗數據，由圖2、3可以看出，改進后的新機型，在環境溫度30℃左右工作達到熱平衡時，水箱的進水溫度為80℃，比原機降低9℃；液壓油散熱器的進油溫度為80℃，比原機降低6℃。說明通過對新機型結構上的改進，提高了整個冷卻系統的冷卻能力。在評價冷卻系統的散熱能力的時候，國外發達國家大多採用了ATB這個指標衡量，在發動機出廠的隨機文件中都有ATB的明確標識。所以本文也引用了ATB作為衡量指標，通過查閱該挖掘機型的發動機資料，ATB》=50℃。
ATB計算公式為
ATB=（A-B）+C
式中A為理論上冷卻液的沸騰溫度（A的取值與散熱器水箱蓋允許壓力有關）；B為發動機水箱的進水溫度（在節溫器全開的情況下）；C為在測試時準確的環境溫度。
該挖掘機的水箱壓力蓋允許壓力為0.7atm，此時取A=105℃。從圖2中可以知道，原機的ATB=105-89+30=46℃；改造后的ATB=105-80+31=56℃。
改造后冷卻系統的ATB地值增大了10℃；這就等效於在同樣的環境溫度下，配備新冷卻系統的機型其發動機工作溫度峰值比原機型降低10℃。通過調整風扇葉與水箱的相對位置、液壓油散熱器與水箱之間的間隙、空調冷凝器的位置以及更換皮帶的帶輪改進方案的使用，提高了冷卻qv,a，成功的解決了發動機水箱溫度過高的問題。
參考文獻：
[1]嚴永華.工程機械用柴油冷卻系統匹配技術研究[J]。柴油機設計與製造，2004，（3）：21-25.
[2]黎建良.日立EX400型液壓挖掘機散熱器的改裝[J].工程機械，2005，(6):65-67
