高原挖掘装载机冷却系统热平衡匹配与发动机舱结构优化

【摘要】发动机冷却系统散热性能是影响其动力性、经济性、可靠性的重要因素。国外知名企业和科研机构自上个世纪就开始对发动机舱热管理进行研究,并且取得了多项成果；国内对发动机舱热管理研究起步较晚,在工程机械领域涉及较少,企业产品的动力性、经济性、可靠性也远远落后于国外。为了保证在高原低压恶劣环境下具有足够良好的散热性能,确保工程机械工作性能和使用寿命,本文围绕某高原型挖掘装载机的热平衡技术展开了研究。首先,对某高原型挖掘装载机原型机冷却系统的散热性能进行测试。通过对挖掘装载机不同工况下的实车实验,得到一组实验数据,建立热平衡数据库。利用实验数据分析了其冷却系统散热性能。通过实验,得出冷却系统散热能力一般,热平衡缓冲余量不足,不适用于高原低压环境,存在优化空间。实验结论为后期改善热平衡措施的制定和实施提供有效依据。其次,提出一种基于实车实验与数值分析的FlowmasterV7软件参数获取的方法,并成功建立发动机热管理仿真模型。利用仿真对影响冷却系统的诸多因素进行分析,提出可行优化的方案,对高原低压环境进行模拟分析,证明原机型冷却系统在海拔4000m高度下不能满足需求,需要进行结构再设计与优化。在该模型基础上进行三参数三水平正交实验,结论得出,进风温度对冷却系统热平衡影响远大于其他因素,应对发动机舱前端结构布局进行优化,合理设计发动机舱结构,优化冷却空气流动和传热,提高冷却性能。再次,针对冷却系统优化中一维仿真的物理结构局限性,三维仿真计算收敛困难的不足,提出一种多维度耦合仿真优化方法。其将一维与三维仿真软件耦合起来,实现冷却系统局部复杂流体分析与系统计算的统一。利用FlowmasterV7与ANSYSCFX分别建立冷却系统结构模型与发动机舱有限元分析模型,通过迭代修正耦合仿真精确建模,并根据仿真分析,提出多种优化方案,讨论不同结构对冷却风温度、流量、发动机舱温度的影响,进一步预测其对冷却系统热平衡的影响并评价方案优劣。为了满足工程机械散热性能需求并实现节能降噪,提出用排气引射系统替代电子扇的思路。为获得排气引射系统最佳性能参数,提出基于引射系数和截面压差为目标函数的多目标优化设计方法。利用ANSYSWorkbench平台,通过中心复合设计实验方法确定设计点,利用CFX流体动力学软件对不同设计点进行数值模拟,根据获取的响应值建立输入与输出关系的响应面模型,运用多目标遗传算法对引射系数与截面压差进行多目标优化,得到符合设计原则的Pareto优化解集,结果显示其有效提高引射系数并降低了截面压差。该方案虽在散热能力上不如传统电子扇,但存在一定潜力。该多目标优化设计方法为企业快速设计提供参考。
【作者】钱尧一；
【导师】侯亮；
【作者基本信息】厦门大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】热平衡；优化；排气引射；

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