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各种设备的动力离不开发动机的驱动,如何确定动力的大小,是机械设备的核心所在。对于工程机械的技术性能在很大的程度上取决于发动机装置的类型、特性和技术水平。所以对于工程机械用发动机来说,除了提高其动力性能、经济性、可靠性、延长使用寿命,降低燃油、机油消耗等特殊要求外,发动机的低噪音和低废气污染也必须予以重视。围绕着发动机的选型;合理的冷却器系统配置;进、排气系统等工作,在此浅谈一下自己的设计体会。以路面冷铣刨机为例进行说明。

1 路面铣刨机发动机功率的确定
对于路面铣刨机来说,发动机功率的确定有许多成熟的经验和计算的方法,但对于最终发动机功率的确定,采用的是计算与类比相结合,借鉴国外同类设备成熟的技术经验,完成路面铣刨机生产的全过程。路面铣刨机行走采用的是履带行走结构。由于履带接地面积大、接地比压小、抓地能力强,又比轮胎式行走装置的附着牵引能力和通过性能都好得多,所以在初步确定发动机功率之时,需要对路面铣刨机所需要的全部功率加以确定,计算出履带行走机构消耗的功率、铣刨装置所消耗的功率、物料被抛掷所消耗的功率。
1.1 履带行走机构的功率确定
(1)履带行走机构的牵引力计算
F = Ff +Fw + Fi
式中:F为履带行走机构的牵引力/N;Ff 为履带行走机构的滚动阻力/N(此阻力主要与设备的重量成正比,同时与土质性质及行走速度有关);Fw 为履带行走机构的空气阻力/N(此阻力考虑履带式机械迎风面积较小,行使速度低,应而可忽略不计);Fi 为履带行走机构上坡(下坡)的坡道阻力/N(此阻力与坡道的大小及设备的重量有关)。
(2)履带行走机构所消耗的功率P1(W)
P1=F V/η1η2
式中: V 为履带行走机构的行驶速度/(m/s);η1为履带行走机构的机械效率;η2为自发动机到行走装置驱动轮的传动机械效率。
1.2 铣刨装置所消耗的功率P2(W)
P2=F1 b h h 1z n
式中:F1为土质的切削阻力/Pa(与土质有关); b为铣浆的宽度/m; h为铣刨深度/m;h1为切削土质厚度/m;z为铣刨筒上的铣浆数;n为铣刨筒的转速/(r/s)。
1.3 铣刨物料被抛掷所消耗功率P3(W)
P3=k B h Vp Vo2ρ/2
式中:k为抛掷系数(与铣浆的宽窄有关); B为铣刨筒铣削宽度/m;h为铣刨深度/m;Vp为履带运行工作速度/(m/s);Vo为铣浆端的圆周速度/(m/s);ρ为物料的密度/(kg/m3)。
1.4 发动机的功率计算P∑max(W)
经过上述的基本运算可得:
P∑max= P1+ P2+ P3+ P其它所需功率
式中:P∑max为驱动各机构所需的功率之和/W; P为其它所需功率为油泵及动力输出轴等同时工作所需的功率/W。
发动机的所需功率: Pg=P∑max.kz,式中kz为储备系数,对于柴油发动机kz=1.17~1.25。根据Pg值,从发动机厂家的产品样本中,选取最经济、最环保的满足路面铣刨机要求的以额定功率、曲轴转速、质量和燃油消耗为主要技术指标的发动机。但应注意此时发动机额定功率应大于或等于Pg值。通过计算、类比和借鉴,路面铣刨机最终确定美国原装康明斯环保型电控柴油发动机QSX15-600,此发动机符合美国环保署(EPA)TierⅡ排放标准。

2 路面铣刨机冷却系统的确定
2.1 水散热器
冷却系统是以柴油发动机为动力设备必不可少的系统。机器在工作的过程中,都会产生大量的热量,及时地、适当地把工作的机件所吸收的热量散发到大气中去,始终保持柴油发动机在最适宜的温度范围内工作。冷却系统的正确设计和安装对于发动机的动力性、可靠性以及耐久性有极其重要的影响。目前工程机械已设计了相应的冷却系统,它主要包括了水散热器、中冷器、液压油散热器、冷却风扇等部件。其安装型式有传统的直联式即将水散热器、中冷器、液压油散热器等安放在发动机的前端,通过发动机前端V型皮带轮驱动风扇进行冷却。另一种方式则采用的是独立强制循环冷却系统,设计的理念是:将水散热器、中冷器、液压油散热器布置到一个不受发动机影响的地方,冷却风扇由液压马达驱动,并与发动机隔离开来,完成冷却全过程。这样比传统的方式散热效果要好的多。路面铣刨机采用就是此种布置。
影响水散热器选择的因素有许多,空气流动的阻力、冷却液的流量、功率的消耗等等。在最初设计水散热器通常可按康明斯公司推荐的额定功率估计水散热器的大小,最大实际迎风面积为0.31~0.37m2/100kW,并具有最小实际芯子厚度。路面铣刨机使用QSX15-600电控发动机,样本中提供了在最高扭矩和最大功率时水散热量、水泵的流量以及进出口温差值。
2.2 中冷器系统
中冷器系统的作用是将空气作热交换介质,通过空对空中冷器将增压以后高温进气冷却到足够低的温度,以满足排放法规的要求,同时提高发动机动力性能和经济性。路面铣刨机QSX15-600电控发动机主要参数:环境温度77°F;进气流量96lb/min;增压器压缩机出口空气温度386°F  ;发动机进气口相对环境温度的最高温升30°F  ;  进气岐管空气温度相对环境温度温升63°F;最高环境温度104°F   。
增压器压缩机入口温度=最高环境温度+发动机进气口相对环境温度的最高温升实际增压器压缩机出口空气温度=增压器压缩机出口空气温度+1.4(增压器压缩机入口温度-环境温度)。
发动机进气岐管空气温度=最高环境温度+进气岐管空气温度相对环境温度温升。
中冷器散热量=空气的比热×进气流量×(实际增压器压缩机出口空气温度-发动机进气岐管空气温度)。
2.3 液压油散热器
路面铣刨机在施工的过程中液压油会产生一定的热量。根据热力学理论:
Q油=m c △t
式中:Q油为液压油的散热量;m为液压油的质量;c为液压油的比热;△t为液压油的进出温度差/△t=85℃-75℃=10℃。
通过以上所得:水散热器功率、中冷器系统散热功率以及液压油散热功率之后,可由专业厂家根据具体的空间位置设计和制造,满足发动机动力系统散热的需求。路面铣刨机的散热系统配备的是并列式复合冷却器(水散热器+油散热器+中冷器)和独立的膨胀水箱。冷却风扇是根据风扇的性能曲线,寻找风扇与冷却器的匹配点,确定冷却风扇的大小和型式。路面铣刨机的冷却器在整机的后部,冷却风扇是吹风式。

3 发动机的附件的选择
3.1 空气滤清器
空气滤清器的作用是向发动机提供清洁、干燥、温度适当的空气进行燃烧以最大限度地降低发动机磨损、延长其寿命、降低油耗,并保持最佳的发动机性能,有效地过滤沙粒、灰尘,保持进气阻力在规定的极限值内。因此合理地选择空气滤清器是发动机正常工作必不可少的环节。选择空气滤清器最重要的指标是满足发动机进气量、进气阻力的要求,数据的大小可由发动机厂家提供。按照发动机的需要,从空气滤清器样本中选取型号。但应注意:如果有不同空气滤清器的型号适合你的,最好选择以最低进气阻力的空气滤清器,以保证其有最长的使用寿命。同时安装高质量的阻力指示装置,发出警告时以便及时更换或清理滤芯。目前我们所采用重型空滤器,并在传统空气滤清器的基础上,增加了高分离效率的空气预滤器,将两级过滤+预滤总成相结合,在空气进入到两级过滤之前,预分离出其中80%~90%左右的灰尘和杂质。
3.2 排气消音器选择
发动机经过燃烧产生动力,燃烧后要排出大量的废气对人体有害并严重地污染环境。同时会产生强烈的排气噪音,破坏环境的安静,容易使人感到烦躁和疲劳,对人民的健康和动植物的生长产生影响。因此保持发动机最佳性能的同时,必须消减发动机的排气噪音,以满足法规和客户对噪音的要求。当今噪音和排气污染问题非常突出,一些工业发达国家先后颁布了保护环境的法律规定,并且这种规定越来越严格,2009年度的哥本哈根气候大会就向着这方向努力。在当今人类特重视自己的生存环境的情况下,各个国家制定了相关的标准、法规以限制尾气排放。因此由专业厂家制作排气消音器时应该利用反射、吸收元件来吸收或削弱声波能量,同时应严格按照发动机在额定工况下的排气背压设计,否则排气背压过高会导致发动机性能损失。
只有合理有效的选择发动机及其附件,才能够发挥路面铣刨机最大作用。

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