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基于FLOWMASTER的工程机械热平衡仿真分析 |
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作者： |
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摘要：利用流体分析软件 Flowmaster，对某型工程机械的散热系统进行了仿真分析。根据工程机械散热系统原设计结构，结合高原环境特点及该设备在高原环境下散热系统工作状态严重恶化的情况，改进了其散热系统的结构设计，分别建立这两种散热系的仿真分析模型。选择了海拔 100 m、2 900 m 和 4 500 m以及额定工况和最大扭矩工况等条件，对发动机水温和变矩器油温的变化情况进行了仿真分析。仿真结果与经验和理论分析的结果比较吻合，并依据仿真结果求出了散热系工作时风扇转速与油温变化的关系曲线，完善了发动机的热管理系统的设计。在高原环境下进行了工程机械的实车试验，测试结果验证了仿真结果的有效性。
叙词：工程机械；热平衡；Flowmaster；仿真
发动机冷却液过热在我国是一个非常严重、也是非常普遍的问题。与汽车一样，工程机械发动机也具有冷却系统散热不良问题。军用工程机械马力大、车速快、工作条件恶劣，发动机冷却问题尤为突出，特别是在高原地区，工作在大负荷高速运行条件下，高原装备持续高温，散热能力不足已经成为影响使用的重要因素。恰当地对军用工程机械散热系统进行评价并根据评价结果进行散热系统的结构设计和修改是提高军用工程机械作业性能的一个重要方面。
当前，评价工程机械散热系统工作效果的方法有三种：一是野外实车试验。这是最直接、最简单的方法，但是周期会比较长，耗资也大，获得全面的数据也有些困难，在某一种工况下，试验的可重复性差；二是进行全系统的台架模拟试验。这是近些年发展起来的新技术，采用这样的方法评价起来比较全面，量化程度高，准确可靠，但是对试验设备的要求十分苛刻。以上两种方法，共同的一点就是试验都是建立在散热系统的实物基础之上；随着计算机软硬件和计算机仿真技术的发展，出现了第三种方法，即工程机械冷却系统的计算机仿真分析。在设备还没有制造出来之前，先建立相应的数学模型和物理模型，借助于先进的计算机仿真技术，就能预先对将要建立的散热系统进行相应的评估，这样将会大大节省工程设计的时间、经费等。本文在某型军用工程机械的原冷却系的基础上，利用热管理技术建立了其优化设计后的冷却系及其仿真模型[1]，并利用 FLOWMASTER 仿真软件包对原冷却系和改进后的冷却系进行了仿真分析。
1 某型军用工程机械散热系统结构
图 1 某工程机械原来的冷却系统原理图。该工程机械的热源主要由三方面构成：发动机热负荷、变矩器热负荷和液压系统的热负荷，风扇由发动机曲轴直接驱动。实际使用中表现的问题主要是发动机过热，尤其在高原环境更为突出。该机型的发动机选用的是康明斯公司发动机。
图1 某工程机械原冷却系统图
图 2 是运用热管理技术改造后的工程机械冷却系统图。该工程机械热管理系统由发动机冷却液散热器，中冷器散热器，变矩器传动油散热器，冷却风扇，风扇液压马达，风扇液压泵，热管理系统控制模块，温度传感器组成。
图2 新冷却系统原理图
该系统中，风扇由液压马达驱动之后，其转速与发动机无关。一般采用变量液压泵，通过改变斜盘的倾角来控制流量，从而控制液压马达转速，达到控制风扇转速的目的。水箱冷却水的温度、变矩器的油温和液压油的温度是风扇转速控制的信号。
该热管理系统中采用了复合散热器。其最大的特点就是分离了油水散热，冷却水、变矩器油、液压油都采用各自的散热器，这是与原散热系统结构上的区别之一。该散热系统将水热解耦、风扇由液压马达驱动，这是结构上的区别之二。整个散热系统的设计将遵循从系统角度设计的原则和模块化设计思想。
2 散热系统仿真过程设计与分析
2.1 仿真设计过程与建模
在散热系统仿真过程设计中，必须要考虑散热系统中各流体系统之间的热影响，所以在热管理系统仿真中，必须要将冷却系统、空调系统、空气侧系统等流体系统结合在一起进行仿真。
仿真设计时分别对该型工程机械的原散热系统和采用热管理理念进行设计的散热系统进行了仿真分析。首先建立仿真系统框图程序。打开 FLOWMASTER软件，建立新文件。仿真框图程序的建立如同其他仿真软件一样，十分方便。从文件库中选出相应的管道、泵、阀、缸、热交换器等流体系统常用的元件，如图 3 所示。
图 3原散热系统的仿真设计框图
图中可以看到屏幕的左边有一个一个的器件图，将之拉入到框图里面即可。框图中包含散热水箱、双变油换热器、液压油换热器、冷却风扇、水泵等，按照实际的原理图将它们连接起来，输入各个元气件的数值，一个仿真程序就建立起来了。箭头的方向表示数据流的走向，相应的框图通过单击其图标，能够显示所包含的程序以及输入的数据，可以进行修改。图 4 是利用热管理技术修改后的散热系统仿真设计框图。
图 4散热系统修改后的仿真设计框图
2.2 仿真结果分析
针对以上的框图程序，进行了几种典型情况下的仿真结果分析。由于篇幅所限，本文仅选择海拔 100m，45 ℃ 环境下和海拔 3 700 m，29 ℃ 环境下最大扭矩点工况下的水温和变矩器油温度的仿真结果进行分析。
图 5 和图 6 是利用 Flowmaster 仿真的某型工程机械原来的冷却系统下的冷却水温和变矩器油温的变化曲线图。从图 5 和图 6 中可以看出，在海拔 100 m，45 ℃ 环境下，从仿真开始到仿真结束的时间里，最大扭矩点冷却水的温度是 109.8 ℃，变矩器的温度132 ℃；变化趋势一直是一个平缓上升的过程，系统没有一个热平衡点。从图 7 和图 8 中可以看出，在海拔 3 700 m，29 ℃ 环境下，从仿真开始到仿真结束的时间里，最大扭矩点冷却水的温度是 154.6 ℃，变矩器的温度在 183.9 ℃；温度变化趋势是一个陡然上升的趋势，到后来也还是缓慢上升趋势。
图 5海拔 100 m，45 ℃ 环境最大扭矩点工况冷却水温度
图 6海拔 100 m，45 ℃ 环境最大扭矩点工况变矩器油温度
从以上的仿真分析可以看出，原散热系统在适应上述仿真环境时，冷却水和变矩器油温都是一个上升的趋势，系统散热处于一个不断恶化的状况，不能有效的保证系统良好的散热。
在相同的仿真条件下，改进后的散热系统散热效果如何呢？通过下面的仿真曲线可以得出建设性的结论。图 9 ~ 图 18 是推土机改进后散热系统的仿真温度变化曲线，不仅有不同工况下最大扭矩点的情况，还有额定工况点的情况。
从图 9 和图 10 中可以看出，在海拔 100 m，45℃ 环境下，从仿真开始到温度趋于平衡的过程后，额定工况点冷却水的温度是 77 ℃，变矩器的温度在 103℃；温度变化趋势也是一个上升的过程，但是经过一段时间之后，系统的水温和变矩器温度最终趋于一个稳定的值。
图 11 和图 12 表明，在海拔 3 700 m，29 ℃ 环境下，从仿真开始到温度趋于平衡的过程后，额定工况点冷却水的温度迅速下降，稳定在大约 65 ℃ 左右，变矩器的温度在 85 ℃ 左右；温度在一个很小范围内波动，系统也达到了热平衡。
从图 13 和图 14 中可以看出，在海拔 4 500 m，15 ℃ 环境下，从仿真开始到温度趋于平衡的过程后，额定工况点冷却水的温度和变矩器油的温度都迅速达到了平衡。
从图 15 和图 16 中可以看出，在海拔 100 m，45℃ 环境下，从仿真开始到温度趋于平衡的过程后，最大扭矩工况点冷却水的温度是 80 ℃，变矩器的温度在 100 ℃ 左右；温度变化趋势是缓慢上升，但最终总有一个平衡值。图11 ~ 图 14 中，可以看到温度波动范围比较大，而仿真海拔 100 m 的环境时，温度的波动范围比较小。这是因为在高原环境下，空气稀薄，密度变小，在相同的时间内进气量低于平原地区，系统中的节温器开始起作用了，其变化的趋势，通过软件的仿真体现了出来，这也侧面反映了仿真环境的逼真性。
以上的仿真结果表明，该型推土机原散热系统除了在海拔 100 m，45 ℃ 环境下水温和油温较低之外，其他两种环境下冷却水温度和变矩器油温大大超出了冷却系统所能承受的温度范围，如果在实际应用中，冷却系统可能早已经“开锅”了。同时值得注意的是，原推土机散热系统冷却水和变矩器油温度一直有一个升高的趋势，始终不能达到热平衡状态，这表明该系统的散热状况是随着时间的推移是一种恶化的趋势。而改进的散热系统在仿真环境下进行仿真分析，在最恶劣的情况下，冷却水温度最高为 90 ℃左右，变矩器油温度在 100 ℃ 左右，这基本符合高原军用工程机械在海拔 4 000～5 000 m 的情况下，将发动机冷却液温度控制在 75～95 ℃，变矩器传动油温度控制在 80～95 ℃的期望，而且最后的仿真结果都达到了某种程度的热平衡。
2.3 实验测试结果分析
军用工程机械冷却系统设计之后，其相应参数要进行测试，以对设计结果与仿真分析结论进行验证。测试条件：设备必须在最大负荷运行，环境温度必须高于 20 ℃，设备必须完整，必须使用全开节温器。测试工具：多通道自动记录仪，各种温度、转速、压力、风速传感器，熟练的驾驶员。测试参数和方法：转速，车速，发动机负荷，油耗，多点的水温、气温，风速。图 19 和图 20 是某工程机械散热系统修改后的测试结果。其结果证明了仿真结果的合理性和方案修改的科学性。通过仿真和实验，确定了风扇的转速与温度的关系曲线，这是散热系统设计的重要内容，没有仿真结果是完不成的。
图19 发动机循环负载图
图20 温度变化曲线
3 结论
(1) 通过采用 FLOWMASTER 软件对对某型军用工程机械改造前和改造后的散热系统进行建模分析和仿真研究。结果表明，利用热管理技术等新思想设计的冷却风扇独立驱动结构的散热系统，其散热效果大大好于改造前传统的散热系统。
(2) 散热系统的仿真运算可以模拟发动机的极限工作状态，从而对散热系统在这些条件下的工作特性进行分析，也可获得散热器的特性参数与各种工作曲线，这些结果是散热系统的方案设计中必不可少的。仿真结果也为实车实验提供了初始条件和设置参数。
(3) 某型工程机械的现场实验与证实了仿真结果的合理性与有效性。
(4) 本文的工作为军用工程机械散热系统的设计提供了一种新的辅助设计与分析方法，为解决我军高原工程机械热平衡设计的难题提供了解决思路。
参考文献
1黄广田．高原军用工程机械发动机热平衡技术研究. 南京：解放军理工大学出版社，2005.
2W. M. kays，A. L. London. Compact Heat Exchangers，Third Edition，MoGraw-Hill Co. New York，1993．
3www. FLOWMASTER. com. 2005(12)(end)
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(1/8/2010) |
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