【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 300℃~400℃)；潤(rùn)滑油溫度在343K~363K (70℃~90℃)；動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，零件的運(yùn)動(dòng)和磨損正常。 康明斯柴油機(jī)工作時(shí)，氣缸內(nèi)氣體燃燒，汽缸壁溫度急劇增高。這就需要冷 卻系統(tǒng)帶走多余的熱量，使之在正常的溫度承受范圍之內(nèi)?？得魉共裼蜋C(jī)采用的是水冷式循環(huán)系統(tǒng)。下圖為原康明斯柴油機(jī)冷卻循環(huán)系統(tǒng)：上貯水箱散熱器蓋風(fēng)扇節(jié)溫器水溫表水套分水管水泵放水開(kāi)關(guān)下貯水箱散熱器 原柴油機(jī)冷卻循環(huán)系統(tǒng) 在本設(shè)計(jì)中為散熱和結(jié)構(gòu)需要，去掉柴油機(jī)自帶風(fēng)扇，詳細(xì)設(shè)計(jì)見(jiàn)第三章。節(jié)溫器是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中一個(gè)通過(guò)熱脹冷縮原理,制成的一個(gè)開(kāi)啟冷卻水大、小循環(huán)的閘門(mén),節(jié)溫器的工作原理是在水溫低時(shí),控制冷卻水在小循環(huán)內(nèi)流動(dòng),可以使冷卻水迅速升溫。當(dāng)水溫高時(shí),節(jié)溫器打開(kāi)大.分水管是柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)中的一個(gè)特殊管路,有若干出口的鋼管直接插入機(jī)體冷卻水套,冷卻水流通過(guò)這根管路到達(dá)水套內(nèi)的不同位置,目前國(guó)內(nèi)很多柴油機(jī)都采用了分水管。它最早來(lái)源于日本五十鈴4JB1柴油機(jī),其目的在于避免冷卻水從機(jī)體的前端面流入后,對(duì)距離冷卻水進(jìn)口較近的氣缸過(guò)度冷卻，而對(duì)較遠(yuǎn)的則冷卻。水泵的作用是對(duì)冷卻液加壓，保證其在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中，兩臺(tái)柴油機(jī)共用一個(gè)水泵、散熱器和風(fēng)扇。 原柴油機(jī)冷卻循環(huán)系統(tǒng)冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)路徑：冷卻液在水泵中增壓后，經(jīng)分水管進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體水套。冷卻液從水套壁周圍流過(guò)并從水套壁吸熱而升溫。然后向上流入氣缸蓋水套，從氣缸蓋水套壁吸熱之后經(jīng)節(jié)溫器及散熱器進(jìn)水軟管流入散熱器。在散熱器中冷卻液向流過(guò)散熱器周圍的空氣散熱而降溫，最后經(jīng)散熱器出水軟管返回水泵。 風(fēng)扇風(fēng)扇用來(lái)提高空氣流速和流量，增強(qiáng)散熱能力并冷卻環(huán)保倉(cāng)附件。風(fēng)扇扇風(fēng)量與直徑、轉(zhuǎn)速、葉片形狀、葉片安裝角及葉片數(shù)目有關(guān)。導(dǎo)流罩風(fēng)扇散熱器外界境環(huán)保倉(cāng)內(nèi)空氣 風(fēng)扇，環(huán)保倉(cāng)內(nèi)的空氣被風(fēng)扇抽出，在其過(guò)程中被散熱器加熱，最終排放到外界環(huán)境中。 環(huán)保艙基本結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)整體式環(huán)保作業(yè)艙去掉了拖泵本身的外罩，取而代之的是具有隔音功能的隔音罩，外形尺寸相對(duì)更大，保證了拖泵各部件的安裝位置，同時(shí)兼顧隔音問(wèn)題。環(huán)保艙的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度8050mm，泵送室長(zhǎng)度1350mm。環(huán)保艙寬度3000mm，高2500mm。在環(huán)保艙一側(cè)設(shè)觀察窗、施工操作窗和維修門(mén)，以便于日常檢測(cè)維修。在環(huán)保艙尾端，設(shè)拖泵進(jìn)出門(mén)，便于安裝。在環(huán)保艙的上部是進(jìn)氣口和排氣口。其結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)將在在第四章說(shuō)明。 本設(shè)計(jì)隔音艙大致外形尺寸 本章小結(jié) 在整體式環(huán)保艙的設(shè)計(jì)中，合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證機(jī)械正常工作并滿足其降噪和散熱要求的根本。本章介紹了混凝土的結(jié)構(gòu)和改造后環(huán)保艙的結(jié)構(gòu)布置，并詳細(xì)介紹了環(huán)保艙的四個(gè)艙室的位置和作用。另外，本章設(shè)計(jì)了環(huán)保倉(cāng)的基本結(jié)構(gòu)方案以及大致外形尺寸。為本文中的散熱設(shè)計(jì)和降噪設(shè)計(jì)提供了框架。第3章 整體式環(huán)保作業(yè)艙傳熱方案設(shè)計(jì) 環(huán)保艙冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 環(huán)保艙冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)保艙內(nèi)主要熱源為動(dòng)力系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)是兩臺(tái)柴油機(jī)，液壓系統(tǒng)散熱占小部分，主要來(lái)源是液壓油箱。因?yàn)橐簤合到y(tǒng)散熱比重較小，在本設(shè)計(jì)中不予考慮。環(huán)保艙內(nèi)的動(dòng)力系統(tǒng)為2臺(tái)康明斯柴油機(jī)（康明斯 ISBE275 30相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表所示），柴油機(jī)煙氣換熱可直接帶走柴油機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的大部分熱量，設(shè)計(jì)中間柴油機(jī)的排氣出口設(shè)置在環(huán)保艙外，從而熱量直接排出到艙外。柴油機(jī)的另一部分散熱為冷卻系統(tǒng)向環(huán)保艙散熱，再由環(huán)保艙風(fēng)扇把這部分熱量抽出。即在直接熱源（冷卻系統(tǒng)）和環(huán)境之間多出一個(gè)環(huán)節(jié)（環(huán)保倉(cāng)內(nèi)空氣）。在設(shè)計(jì)中，省去兩臺(tái)柴油機(jī)自帶風(fēng)扇，將從2臺(tái)柴油機(jī)氣缸壁流出的冷卻水匯合一處，經(jīng)保溫管道送到散熱器散熱。用環(huán)保艙的風(fēng)扇代替柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的自帶風(fēng)扇對(duì)散熱器進(jìn)行抽風(fēng)。即對(duì)環(huán)保艙這一個(gè)“柴油機(jī)”進(jìn)行冷卻水循環(huán)，通過(guò)散熱器和風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，冷卻系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)合理，才能達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻量足夠、功耗小的效果。同時(shí)，冷卻量受環(huán)境溫度影響極大。試驗(yàn)表明環(huán)境溫度由35℃升至40℃，冷卻量下降5％～10％。因?yàn)椴裼蜋C(jī)表面還要散出一小部分熱量，設(shè)定比環(huán)境溫度高5℃。設(shè)計(jì)是在環(huán)保倉(cāng)環(huán)境溫度為40℃、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行，要求冷卻系統(tǒng)能滿足該條件下柴油機(jī)保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的冷卻要求。 康明斯 ISBE275 30技術(shù)參數(shù)型式直列六缸水冷功率（kw）202燃燒方式直噴，w型燃燒室額定轉(zhuǎn)速（r/min）2700進(jìn)氣形式增壓空氣中冷現(xiàn)場(chǎng)測(cè)柴油機(jī)各部分的溫度分布如下表: 柴油機(jī)各部分的溫度分布柴油機(jī)煙氣溫度柴油機(jī)底部溫度排氣扇葉片溫度柴油機(jī)冷卻排風(fēng)口外壁溫度進(jìn)氣管溫度拖泵機(jī)罩外壁溫度液壓油箱溫度170~175℃80℃48℃38℃20℃28℃40℃： 冷卻系統(tǒng)原理圖缸體 汽缸蓋 柴油機(jī)壁 環(huán)保艙進(jìn)氣口 柴油機(jī)進(jìn)排氣口 強(qiáng)吸風(fēng)扇 強(qiáng)拍風(fēng)扇 散熱器 柴油機(jī)的尾氣帶走大部分熱量從出氣口排除。環(huán)保艙外部氣體經(jīng)過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入環(huán)保艙內(nèi)，經(jīng)過(guò)熱源（兩臺(tái)柴油機(jī)）后變熱后通過(guò)強(qiáng)排風(fēng)扇排出。兩臺(tái)柴油機(jī)的冷卻循環(huán)如圖所示。從氣缸加熱后的熱流體流經(jīng)強(qiáng)拍風(fēng)扇附近的散熱器，冷卻后回流循環(huán)。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。同時(shí)柴油機(jī)散出的熱量大部分都直接排除，而不滯留在環(huán)保艙內(nèi)部。 冷卻系統(tǒng)熱計(jì)算和散熱器的確定根據(jù)設(shè)計(jì)，散熱器安裝在強(qiáng)排風(fēng)位置附近。選擇列管散熱器。設(shè)計(jì)散熱管的有效厚度810mm，高930mm，寬465mm。換熱器設(shè)計(jì)成12n行程，即空氣為1行程，冷卻水為2n行程。選用規(guī)格滿足GB81628要求。為了清灰方便，管群按正方形排列。選取管內(nèi)徑。冷卻系統(tǒng)的完善程度不僅依賴散熱器的散熱性能，還取決于與其相匹配的風(fēng)扇風(fēng)量，由于散熱器的結(jié)構(gòu)和大小受到總體布置的限制，冷卻風(fēng)量的大小受到風(fēng)扇功率的限制，兩者之間的合理匹配才能達(dá)到風(fēng)扇耗功低、冷卻效果好。從現(xiàn)有的一些性能試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，比較先進(jìn)和合理的數(shù)據(jù)是單位柴油機(jī)標(biāo)定功率風(fēng)扇的風(fēng)量為112～122，此時(shí)散熱器的散熱系數(shù)較高，而風(fēng)扇耗功占標(biāo)定功率的3．5％一5．9％。考慮到直噴機(jī)型冷卻量相對(duì)較少，因此選取冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量為： ．G=1122022=45248（/h）=（/s）。 ,利用流體系統(tǒng)仿真分析軟件對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)熱平衡狀態(tài)和冷卻系統(tǒng)匹配性能進(jìn)行仿真計(jì)算,并依據(jù)試驗(yàn)得到的相關(guān)結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算模型。 冷卻系統(tǒng)的熱平衡 ，水套、中冷器、機(jī)油冷卻器的散熱被冷卻系統(tǒng)帶走，廢氣換熱通過(guò)管道導(dǎo)出環(huán)保倉(cāng)。其他散熱損失滯留在環(huán)保倉(cāng)內(nèi)部。則冷卻系統(tǒng)帶走的熱量： （） 廢氣換熱： （）有效功： （）其他換熱損失： （）已知 。得：（1）冷卻系統(tǒng)空氣流體的進(jìn)出口溫度滯留在環(huán)保艙的熱量將環(huán)保倉(cāng)內(nèi)的溫度從20℃加熱到40℃。即： （） 得=。這部分空氣將散熱器冷卻。 （）得=。（2）冷卻系統(tǒng)水流體的進(jìn)出口溫度柴油機(jī)工作時(shí)，冷卻水的正常溫度應(yīng)保持在75~90℃，此時(shí)柴油機(jī)可發(fā)出最大功率，燃油消耗最經(jīng)濟(jì)，機(jī)件磨損也不大。選擇84℃。即冷卻水出口溫度：根據(jù)我國(guó)散熱器制造工藝的現(xiàn)狀，以及外觀造型上對(duì)散熱器體積的嚴(yán)格要求，取壓力蓋開(kāi)啟壓力88kPa，此時(shí)水的沸點(diǎn)溫度達(dá)114℃。即冷卻水進(jìn)口溫度：（3）流體的平均溫度（4）平均溫度下的物性參數(shù)時(shí)，水的物性參數(shù)：（5）流體對(duì)數(shù)平均溫差 逆流時(shí)流體在換熱器入口和出口的溫差分別為： 則流體對(duì)數(shù)平均溫差為： 查圖得，正交逆流的外側(cè)補(bǔ)正系數(shù)，則對(duì)數(shù)平均溫差為：（6）管內(nèi)水側(cè)傳熱系數(shù)散熱器把冷卻水從116冷卻到87。散熱器的散熱量。得=。為水在管內(nèi)流動(dòng)速度。管程給熱系數(shù)：由式得：（7）管外空氣側(cè)傳熱系數(shù)空氣對(duì)流傳熱系數(shù)：管群以長(zhǎng)方形排列，管群在最窄面上的面積：管群最窄截面處的空氣流速：空氣平均溫度： 對(duì)長(zhǎng)方形排列的管群當(dāng)量直徑為：空氣流動(dòng)的雷諾數(shù)： 由于空氣雷諾數(shù)，空氣對(duì)管群的對(duì)流傳熱系數(shù)可由以下公式計(jì)算。當(dāng)S/d=，查表得：，空氣垂直流過(guò)管群，代入數(shù)值后空氣對(duì)流傳熱系數(shù)： （8）總傳熱系數(shù)K不考慮管壁及污垢熱阻時(shí)，換熱器的總傳熱系數(shù)為： （9）散熱器的散熱面積 （） ；K為散熱器散熱系數(shù)。為水溫與風(fēng)溫差。F為散熱器的散熱面積。 則 。散熱器長(zhǎng)810mm，寬465mm，寬930mm。其中換熱管的長(zhǎng)770mm。橫排28根，縱排17根。 列管換熱器選擇換熱管的外徑60mm，則每根換熱管的散熱面積: 總換熱面積： 因?yàn)镾 ，即散熱器滿足散熱要求。 風(fēng)扇和導(dǎo)流罩的選擇設(shè)計(jì) 風(fēng)扇和導(dǎo)流罩如上圖所示，因?yàn)闅饬髋c風(fēng)葉的軸同方向，風(fēng)扇采用軸流式吸風(fēng)扇。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、葉型必須設(shè)計(jì)合理，與散熱器相匹配，使工作點(diǎn)在風(fēng)扇特性曲線的高效區(qū)，同時(shí)避開(kāi)喘振區(qū)。軸流式風(fēng)扇的顯著特點(diǎn)是輪轂比小，葉片少而寬大，葉輪外沒(méi)有圓筒狀機(jī)殼，而只有一個(gè)軸向長(zhǎng)度很短的導(dǎo)流罩。導(dǎo)流罩的安裝對(duì)風(fēng)扇是必需的，因?yàn)樗梢悦黠@改善風(fēng)扇進(jìn)口的氣流分離，同時(shí)降低入流的湍流度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加進(jìn)口導(dǎo)流罩后，風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲顯著降低。最近，丁國(guó)良等人又通過(guò)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)手段，仔細(xì)考察了導(dǎo)流罩的形狀、軸向長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)扇性能的影響。丁國(guó)良等發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流罩形狀的改變對(duì)氣動(dòng)性能影響不大，但對(duì)噪聲影響明顯，導(dǎo)流罩的軸向長(zhǎng)度存在最佳值，而形狀則以雙圓弧為佳。很明顯，降低風(fēng)扇的噪音也是本課題研究?jī)?nèi)容的重要組成部分。 風(fēng)扇的三維造型清華大學(xué)流體聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室在半消聲室內(nèi)進(jìn)行了風(fēng)扇氣動(dòng)性能試驗(yàn)和噪聲測(cè)試。根據(jù)ANSI/AMCA 21099標(biāo)準(zhǔn)，建立出氣風(fēng)室多噴嘴試驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)量風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能和噪聲，下圖給出了該試驗(yàn)臺(tái)的示意圖。 氣風(fēng)室多噴嘴試驗(yàn)臺(tái)為了考察導(dǎo)流罩的軸向位置對(duì)風(fēng)扇性能的影響，試驗(yàn)采用了3種不同的軸向相對(duì)位置。下給出了這3種位置的示意圖： 導(dǎo)流罩的三種安裝位置上述3種軸向位置分別對(duì)應(yīng)：位置1，葉片前緣位于導(dǎo)流罩進(jìn)口平面內(nèi)；位置2，葉片中線位于導(dǎo)流罩進(jìn)口平面內(nèi)；位置3，葉片后緣位于導(dǎo)流罩出口平面內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量了當(dāng)導(dǎo)流罩分別位于3種不同軸向位置時(shí)的風(fēng)扇氣動(dòng)和噪聲性能。下圖給出了對(duì)比: 不同軸向位置時(shí)風(fēng)扇氣動(dòng)和噪聲性能圖中各物理量均已通過(guò)公式無(wú)量綱化流量系數(shù) ()壓力系數(shù) ()功率系數(shù) ()風(fēng)扇效率 ()比A聲級(jí)噪音 式中為葉輪直徑；為葉尖圓周速度；為風(fēng)扇總壓；為風(fēng)扇進(jìn)口（或出口）的聲級(jí)噪聲，dB（A。從試驗(yàn)曲線的對(duì)比可見(jiàn)，導(dǎo)流罩位置的改變，無(wú)論是對(duì)風(fēng)扇的氣動(dòng)性能，還是對(duì)風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲，都有很大的影響。當(dāng)導(dǎo)流罩從位于靠近葉片前緣位置（即位置1）向靠近葉片尾緣位置（即位置3）改變時(shí)，風(fēng)扇的總壓曲線逐步變平緩，風(fēng)扇的最大風(fēng)量增加，大流量區(qū)域總壓升高。軸功率曲線同樣變平緩。風(fēng)扇的總壓效率升高，位置3的最高總壓效率比位置1提升了近20%。位置3的比噪聲大大下降。另一方面，位置2與位置3相比，氣動(dòng)性能雖然有所不及，但相差并不明顯。然而這兩個(gè)