機(jī)械工程師范例工程機(jī)械熱管理新設(shè)計發(fā)展制度

　　在科技建設(shè)發(fā)展中工程機(jī)械熱管理方式有哪些呢，我們要如何來促使現(xiàn)在機(jī)械的新制度應(yīng)用呢?我們也知道現(xiàn)在工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成,實(shí)際工作中它們之間相互影響,單純依靠傳統(tǒng)計算分析方法,不易設(shè)計出整體性能良好的熱管理系統(tǒng)。因此,借助先進(jìn)的計算機(jī)系統(tǒng)仿真技術(shù),對整機(jī)熱管理系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行模擬計算,無疑是解決這種復(fù)雜問題的有效手段。

　　摘要：在工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)設(shè)計與研究中,集總參數(shù)計算分析主要是基于流體力學(xué)和傳熱學(xué)中的束流理論,計算分析平均流速、壓力、溫度、流量和換熱量等參數(shù);試驗(yàn)研究是利用物理試驗(yàn)技術(shù),對實(shí)際系統(tǒng)的主要工作參數(shù)進(jìn)行測量分析;流場數(shù)值模擬分析是利用計算流體動力學(xué)技術(shù),計算系統(tǒng)中零部件的內(nèi)部流場,分析流動特征,研究流動參數(shù)與流道幾何結(jié)構(gòu)、尺寸以及性能參數(shù)之間的關(guān)系;系統(tǒng)的計算機(jī)仿真分析是對整機(jī)熱管理系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行模擬計算,研究工作參數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系。

　　關(guān)鍵詞：工程機(jī)械,熱管理,機(jī)械論文

　　1熱平衡分析

　　熱平衡狀態(tài)下,各處溫度保持恒定不變,各系統(tǒng)的吸、放熱量相等。(1)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)Q0=Q1=P1,式中:Q0為冷卻液通過發(fā)動機(jī)時的吸熱量;Q1為冷卻液通過水箱散熱器時的放熱量;P1為水箱散熱器的換熱量。(2)液力傳動散熱系統(tǒng)Q21=P2,式中:Q21為液力油通過液力散熱器時的放熱量;P2為液力散熱器的換熱量。Q21+Q22=Q2,其中Q22=∑KdiAdiΔtdi。式中:Q22為液力系統(tǒng)油箱、變速箱和輸油管路等表面的放熱量;Q2為液力變矩器的液力損失;Kdi、Adi和Δtdi分別為液力系統(tǒng)油箱、變速箱和輸油管路等表面的散熱系數(shù)、外表面面積和油與環(huán)境的溫度差。(3)液壓傳動散熱系統(tǒng)Q31=P3,式中:Q31為液壓油通過液壓散熱器時的放熱量;P3為液壓散熱器的換熱量。Q31+Q32=Q3,式中:Q3為液壓系統(tǒng)的能量損失;Q32為液壓系統(tǒng)油箱、液壓缸和輸油管路等表面的放熱量。(4)冷卻風(fēng)散熱系統(tǒng)Q4=Q1+Q21+Q31=P1+P2+P3,式中:Q4為空氣通過散熱器組時的吸熱量。雖然傳統(tǒng)設(shè)計方法存在對細(xì)節(jié)考慮不足的缺點(diǎn),但其具有對問題表達(dá)方便以及計算過程簡單等優(yōu)點(diǎn),對某些問題也不失準(zhǔn)確性,故仍作為設(shè)計和研究熱交換系統(tǒng)的基本方法,具有較大的使用價值。

　　2試驗(yàn)研究

　　試驗(yàn)研究是利用先進(jìn)的物理試驗(yàn)技術(shù),對實(shí)際熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵部位的主要工作參數(shù)進(jìn)行測量分析。任何理論計算方法都是建立在某些假定條件上的抽象方法,都有其適用范圍,偏離了其適用范圍,計算結(jié)果就會產(chǎn)生較大偏差。由于流體傳熱問題的復(fù)雜性,人們目前對某些方面的認(rèn)知還不夠深入和準(zhǔn)確,試驗(yàn)研究仍是不可缺少的手段。試驗(yàn)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]84,88[7]20。

　　機(jī)械論文：《機(jī)械工程學(xué)報》(半月刊)創(chuàng)刊于1953年，是由中國機(jī)械工程學(xué)會主辦、機(jī)械工業(yè)信息研究院承辦的機(jī)械工程類高學(xué)術(shù)水平期刊。本刊是中國機(jī)械工程領(lǐng)域的頂級學(xué)術(shù)刊物，主要報道機(jī)械工程領(lǐng)域及其交叉學(xué)科、新興學(xué)科、邊緣學(xué)科等領(lǐng)域具有創(chuàng)新性及重要意義的前沿基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究的最新科研成果。

　　3流場的數(shù)值模擬分析

　　工程機(jī)械主要利用流體來完成傳熱,流動特征對傳熱效果和能量損失有著較大影響,合理設(shè)計流道是非常必要的。隨著計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)在傳熱方面應(yīng)用的不斷深入,利用數(shù)值模擬計算分析流場,可獲取大量的流動細(xì)節(jié)數(shù)據(jù),有利于分析產(chǎn)生不良性能的原因�？衫�用CFD技術(shù)對冷卻風(fēng)流場、散熱器中流體流動及傳熱特性、發(fā)動機(jī)冷卻水腔內(nèi)部流動、液力變矩器以及液壓元件內(nèi)部流動等進(jìn)行分析。引入CFD技術(shù)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足,并降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期,它已成為國內(nèi)外自主創(chuàng)新和自主設(shè)計的重要技術(shù)支持之一[5]8[6]4[7]20,501。例如冷卻風(fēng)流道由機(jī)罩、發(fā)動機(jī)、導(dǎo)風(fēng)罩、風(fēng)扇和散熱器組構(gòu)成,其中流動比較復(fù)雜,不同部位流態(tài)差別也較大。在設(shè)計機(jī)罩、導(dǎo)風(fēng)罩和風(fēng)扇等時,可以借助CFD軟件對流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析,由此對上述部件的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。利用冷卻風(fēng)流場的數(shù)值模擬結(jié)果,還可以計算出冷卻風(fēng)的平均集總參數(shù),用于對整機(jī)熱管理系統(tǒng)的計算機(jī)仿真分析[10-11][12]092802-6。

　　3.1流場數(shù)值模擬分析

　　對流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析主要包括建立計算域、計算域網(wǎng)格劃分、流場數(shù)值模擬計算和計算結(jié)果分析。目前常用的CFD軟件有Fluent、STAR-CD和CFX等,由此進(jìn)行數(shù)值模擬計算大多可以得到比較滿意的結(jié)果,其中準(zhǔn)確設(shè)定流體密度和黏度等物性參數(shù)以及邊界條件是獲得準(zhǔn)確計算結(jié)果的關(guān)鍵[7]507。計算結(jié)果分析包括以下內(nèi)容。(1)流場分析觀察分析流速及壓強(qiáng)等物理量的大小及分布特點(diǎn),分析流場中渦流、滯流、回流、卡門渦列等流動特征的位置和強(qiáng)度,分析它們對工作性能的影響。(2)典型斷面主要參數(shù)的分析利用流場模擬計算結(jié)果,可計算出平均流速、平均壓強(qiáng)、流量和阻力等參數(shù),進(jìn)而可計算出流速系數(shù)和阻力系數(shù)等參數(shù)。據(jù)此分析流動參數(shù)與流道幾何結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作參數(shù)之間的相互影響,為設(shè)計高性能產(chǎn)品提供有價值的建議。

　　3.2裝載機(jī)冷卻風(fēng)流道的分析

　　針對XG953型裝載機(jī),利用CFD技術(shù)計算了原結(jié)構(gòu)和幾個改進(jìn)方案的冷卻風(fēng)流場。重點(diǎn)從流速場、壓力場、流量和風(fēng)阻4個方面進(jìn)行比較分析,由此提出改善散熱效果的措施:①封堵或盡量減小散熱器四周的間隙,避免熱風(fēng)回流;②機(jī)罩后部靠頂部處開出風(fēng)口,以保證熱風(fēng)排出順暢;③進(jìn)風(fēng)口采用風(fēng)阻較小的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),其位置盡量靠近風(fēng)扇進(jìn)口,以減小進(jìn)風(fēng)風(fēng)阻。采用前兩個措施后,可增加冷卻風(fēng)有效流量約15.2%。采用某一改進(jìn)方案,在高速跑車工況下,裝載機(jī)機(jī)罩出口冷卻風(fēng)速度分布如圖2所示。將機(jī)罩出口冷卻風(fēng)速度的計算值與試驗(yàn)測量值比較發(fā)現(xiàn),計算值與試驗(yàn)測量值基本接近,表明采用數(shù)值分析方法能很好地解決實(shí)際問題。

　　4計算機(jī)仿真

　　利用計算機(jī)仿真技術(shù),可以計算出系統(tǒng)中各個部位的溫度、壓力和流量等參數(shù)的靜態(tài)和動態(tài)特性,可以分析各參數(shù)對各子系統(tǒng)的影響以及各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響,有助于人們對系統(tǒng)更直觀、更全面、更深入的認(rèn)知,彌補(bǔ)傳統(tǒng)計算方法和試驗(yàn)的不足。可用于該方面的仿真軟件有EASY5、Flowmaster、MATLAB/Simulink和20-sim等[14]。

　　4.1XG953型裝載機(jī)散熱系統(tǒng)仿真模型

　　筆者利用EASY5軟件構(gòu)建了改進(jìn)后的XG953型裝載機(jī)散熱系統(tǒng)仿真模型,散熱系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)散熱、液力傳動系統(tǒng)散熱、液壓系統(tǒng)散熱和冷卻風(fēng)4個子系統(tǒng),如圖3所示。

　　4.2仿真結(jié)果分析

　　在36℃環(huán)境溫度下,對裝載機(jī)在高速跑車工況下的熱平衡狀態(tài)進(jìn)行了仿真計算與試驗(yàn)測試,結(jié)果基本吻合(如表1和表2所列)。其中發(fā)動機(jī)冷卻水和液力傳動冷卻油的熱平衡仿真曲線如圖4所示。

　　5結(jié)語

　　采用整體系統(tǒng)設(shè)計與研究思想,將集總參數(shù)計算分析、試驗(yàn)研究、流場數(shù)值模擬分析和系統(tǒng)的計算機(jī)仿真分析有機(jī)地結(jié)合起來,建立一套比較完備的現(xiàn)代設(shè)計與研究方法,對整機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)具有很好的指導(dǎo)作用,可更有效地解決工程機(jī)械熱狀態(tài)不佳的問題,消除產(chǎn)品質(zhì)量隱患,提高其動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和使用壽命。