50轮式装载机用柴油机的配套设计

汤泓渊

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

50轮式装载机用柴油机的配套设计

汤泓渊

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

本文主要从动力性能匹配、配套结构设计及附件选型、冷却系统匹配等几个方面，介绍国内增压柴油机在50轮式装载机上的配套设计方法和注意事项。

柴油机装载机匹配选型

1 前言

装载机属于铲土运输类工程机械，是一种通过安装在前端的一个完整的铲斗支承结构和连杆，随机器向前运动进行装载和挖掘，以及提升、运输和卸载的自行式履带或轮胎机械。装载机是一种用途广泛的工程机械，它广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口和矿山等工程建设，可以用来铲装、搬运、卸载、平整散装物料，也可以对岩石、硬土等进行轻度的铲掘工作。通过换装相应的工作装置，还可以进行推土、起重、装卸木料或钢管等工作。

装载机具有作业速度快、效率高、机动性能好、操作轻便等优点，因此成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。对于加快工程建设速度，减轻劳动强度，提高工程质量，降低工程成本都发挥着重要的作用，是现代机械化施工中不可缺少的装备之一。

装载机按照行走装置不同可分为轮胎式和履带式两种，按照其额定载重量又可分为15、20、30、40、50、60等不同型号[1]。国内外使用和生产的绝大多数装载机为轮胎式装载机，近年来国内生产和使用量发展最为迅猛的为额定载重量为5 t的50轮胎式装载机。

本文主要根据实际配套工作所得，介绍和探讨目前国内用于50轮胎式（以下简称为ZL50）装载机的增压柴油机的配套设计方法和注意事项。

2 动力性能匹配

装载机动力装置和驱动轮之间的所有传动部件称为其传动系统。装载机作业时扭矩、速度变化范围大，而柴油机的扭矩、转速变化范围相对较小，传动系统的功用就是将内燃机按需要适当降低转速、增加扭矩后传到驱动轮和其他操纵机构上，使之适应装载机的运行或作业需要。装载机的传动系统类型有机械式、液力机械式、电动轮式、电动式和全液压式等，国内绝大多数的ZL50装载机使用的是液力机械式的传动系统，包括液力变矩器、变速箱、万向传动装置、驱动桥、最终传动等部分，其中液力变矩器多与变速箱结合在一起，简称双变系统。柴油机动力匹配主要考虑的是其与液力变矩器的动力匹配。

国内ZL50装载机广泛使用315变矩器，因其有效直径为0.315 m而得名。315变矩器为双涡轮单级变矩器，其优点是高效区较宽，可以采用档位较少的变速箱。其与上柴6135柴油机的配套使用，曾为国内ZL50装载机动力系统的经典配置，故目前国内配套ZL50装载机的柴油机仍在延用其安装方式和连接尺寸，包括目前的上柴114柴油机、潍柴的斯太尔柴油机以及最新的玉柴6M柴油机，从而使该变矩器具有很强的通用性和适应性，仍将继续被广泛使用。

装载机用柴油机合理的动力性能匹配应满足如下要求：1）充分利用柴油机的有效功率；2）发挥装载机的最大生产率；3）获得较低的燃油消耗率。

根据装载机的使用特性，柴油机与变矩器的匹配多采用部分功率匹配，理论匹配点如图1中A点所示。但工程中为了兼顾铲掘工况时有效功率的利用与跑车工况时的燃油经济性，实际匹配时，一般使变矩器的高效负荷抛物线相交于柴油机净功率扭矩特性曲线调速特性上较柴油机标定转速高50 r/min左右处，如图1中B点所示。目前典型的ZL50装载机用柴油机性能要求见表1。

表1 ZL50装载机用柴油机性能参数

根据装载机的动力匹配结果得出的柴油机性能要求，多由装载机生产厂提供给柴油机配套厂家，但作为柴油机配套设计人员，了解其匹配原理是必要的，它是着手改善柴油机性能的基础。

3 配套结构设计及附件选型

3.1 柴油机与变矩器的连接

图1 装载机用柴油机与变矩器匹配的输入特性

按照变矩器的接口和连接方式设计柴油机的飞轮和飞轮壳，与315变矩器连接的接口尺寸主要参数为：飞轮壳连接螺栓孔12×M12分布圆552 mm，飞轮连接螺栓孔12×M12分布圆400 mm，飞轮壳安装面与飞轮安装面平齐。飞轮和变矩器动力输入轴之间由弹性板连接，此处连接应选用较高强度的螺栓，同时使用相应的扭紧力矩，避免由于连接松动引起弹性板扭曲损坏。特别要注意315变矩器为湿式连接，会有少量变矩器传动油泄漏到飞轮壳内，所以柴油机后端曲轴油封应使用质量及可靠性高的双向油封。

D6114柴油机由于总体长度较短，在使用时多使用连接盘和连接轴，要特别注意连接轴的强度以及热处理后的加工工艺性能，谨防加工缺陷产生应力集中，导致连接轴断裂。

3.2 柴油机的支承

ZL50装载机的支承系统一般是指整个动力总成的支承系统，其承受的重量包括发动机、变矩器、变速箱以及相关附件的重量。

支承装置的设计应满足以下要求：1）使发动机处于一个相对稳固的位置；2）有效的隔振；3）隔离噪音；4）尽量减轻车架与支承机构间的应力；5）具有足够的通用性；6）可靠而耐用；7）经济性好；8）便于安装。

ZL50装载机的柴油机一般布置在整机后端，柴油机前端朝后。使用的支承系统多为四点支承，少数为三点支承，共同点在于柴油机后支承都使用了变速箱两侧的V型支承，不同点是前者在柴油机前支承上采用两侧两点支承结构，后者使用前端居中部位一点支承。从理论上讲，三点支承更能适应车架的变形，但四点支承的实现更为简便，且实践证明其可靠性也能满足装载机的要求。采用四点支承时，前支承多采用钢制材料，三点支承时，前支承多选用铸铁或球铁材料。

3.3 空滤器与消声器

对配套设计来说，空滤器的选型是进气系统设计中最关键的环节。多数装载机经常在十分恶劣的环境中工作，作业地点空气中常含有大量（1.2~ 1.5 g/m3）的灰尘或沙土等杂质，某些在矿山或者沙漠地带工作的环境就更为恶劣。如果柴油机吸入的空气不清洁，那么其中的硬质沙尘将使发动机产生早期磨损，缩短柴油机的使用寿命。所以选用高效的空气滤清器，是保证柴油机可靠工作、延长使用寿命的非常重要的环节。

在选用空滤器时，还应该考虑空滤器的额定空气流量是否满足柴油机的进气量要求，以及额定流量下的空滤器总成原始阻力是否满足要求。

消声器的选择是排气系统配套设计需要重点考虑的因素，对消声器的要求是：1）消声性能好，应降低排气噪声10~15 dB(A)；2）排气阻力低，一般不大于10 kPa；3）装上消声器后柴油机的功率损失一般不超过3%～4%[2]。

以与ZL50装载机配套的D6114发动机为例，其配套装载机用的空滤器为沙漠型空滤器，是带有旋风管及废气引射排尘装置的双级干式空气滤清器总成。粗滤器中有旋流管，配合消声器，使用排气引射尾管将空气中的沙尘随排气排出，经过粗滤后，较清洁的空气通过纸质滤芯和安全滤芯后进入进气管。此种纸质滤芯的空滤器，额定空气流量950 m3/h，总成效率≥99.5%，额定流量下的进气阻力≤2.45 kPa。

空滤器布置时要注意空气进口位置应选在能够提供适宜温度的空气，同时水分、灰尘和排气吸收得少的地方。ZL50装载机一般将空滤器安装在发动机上，空滤器安装应牢固可靠，并有隔振措施，其进口通常布置在机罩顶部，空滤器粗滤器上带防雨帽，此外为便于空滤器的保养和滤芯的更换，要确保滤芯在不拆除其他零件的情况下能够毫无困难且无损伤地抽出。消声器的布置可根据装载机的结构采用卧式或立式，一般消声器也安装在发动机上，同样要固定牢固，消声器尾管的高度应高于并尽量远离空滤器进口。此外，布置在机罩外的柴油机进排气系统部分，不应妨碍驾驶员视线。

3.4 电气系统

电气系统主要包括发电机、起动电机、停机电磁铁、传感器、仪表、停机电磁铁和冷起动装置等。

ZL50装载机的发电机要求一般为：电压28 V，电流55 A，功率1.5 kW；起动电机的要求一般为：标称功率7.5 kW，电压24 V，全密封结构。特别要指出的是，为了保护起动电机的寿命提高可靠性，应要求整机厂在起动线路中加装起动继电器。

柴油机的传感器主要包括转速传感器、水温传感器、机油压力传感器和机油温度传感器，应该注意传感器和显示仪表的配套使用，如果由整机厂自配，要为其提供相应的接口位置和尺寸。

柴油机的停机电磁铁分为通电断油型和断电断油型，推荐使用通电断油型，其控制线路简单，且工作时间短，只要正常使用或者加装保护线圈，其可靠性将高于断电断油型。另外，根据油泵调速器的不同，停机电磁铁的结构和安装位置也不同，选用时要注意区分。

装载机在低温区域使用时，应加装冷起动装置，采用火焰预热器是一种有效的措施，它主要包括火焰预热塞和控制电路两部分，目前在D6114柴油机上配合使用该装置，冷起动温度可达到-35%。

3.5 其他主要附件和注意事项

1）柴油机各部分零件应避免与装载机的管路或装置发生干涉；

2）柴油机三滤周围应留有适当的空间，便于拆卸、更换；

3）柴油机油尺位置应便于使用；

4）柴油机空滤器指示器的安装位置应方便观察；

5）生产时，一般将柴油机与双变合体后作为动力总成再安装到车架上，因此要注意为吊装提供吊耳和空间，以防吊装过程中发生碰撞或挤压导致柴油机损坏；

6）消声器与涡轮增压器出口的连接应采用活塞环、加箍或者波纹管等柔性连接方式，使其在受热膨胀方向上有一定的裕度，避免对涡轮增压器产生外部应力，对其造成损伤；

7）选用合适的空气压缩机，满足装载机制动的排气压力和排量的要求；

8）推荐在燃油管路中加装油水分离器，以提高对油品的适应性。

4 冷却系统匹配设计

4.1 确定柴油机的单机热平衡参数

一般用装载机在全速全油门跑车工况时的热平衡能力，来评价装载机整车的热平衡能力，国家标准规定装载机适应的工作环境温度≥40%，即可认定为优等品。

在ZL50装载机上，柴油机的散热占主要部分，故要对装载机整车的冷却系统进行匹配，必须掌握发动机的散热情况。目前，柴油机基本上都为水冷式，发动机需要散热器带走的热量即发动机冷却水带走的热量。

通常通过柴油机在总功率条件下的单机热平衡试验，来测量并计算发动机的热量分布，包括燃料燃烧的总热量、转化为有效功的热量、传给冷却水的热量、废气带走的热量及余热损失等的数值、所占的比例等。

对于ZL50装载机的冷却系统匹配，测定柴油机在跑车工况点的热量分配尤为重要。根据发动机与变矩器的匹配计算，以及多次实际测量所得数据，可以发动机在总功率调速特性上2 300 r/min时达到热平衡后测得的冷却水散热量作为匹配数据。增压柴油机的单机热平衡试验示意图如图2所示。

测定柴油机的单机热平衡热量分布的同时，还应该测定柴油机冷却系统的外部阻力特性，即不同转速下柴油机冷却系统水流量同柴油机外部水阻之间的变化关系，这也是散热系统匹配的重要数据。

4.2 计算总的散热功率

对配套ZL50装载机用柴油机的散热系统来说，除了要满足柴油机自身的散热外，还需要满足变矩器、液压系统及空调系统的散热要求。故在柴油机散热系统匹配时，总的散热功率应该包括所有由柴油机冷却水带走的热量。在国内ZL50装载机上，一般都将变矩器油散热器放入柴油机的冷却水路中。而液压系统的散热，大多采用油箱自然冷却的形式，对液压系统散热要求高的装载机，则采用风冷的形式，另配液压油散热器。空调也配备散热器。液压油散热器大多利用柴油机风扇散热，而空调散热器大多也靠柴油机的风扇散热，也有独立布置用专门风扇散热的情况。建议空调散热器最好独立布置，因为空调散热器的散热功率本身不大，在3~5 kW之间，但其所增加的风阻却对整个散热系统的影响很大。

一般情况下，某工况下的柴油机散热系统总功率可按如下公式计算：

柴油机冷却系统总散热功率=该工况下柴油机单机热平衡冷却水散热功率+该工况下装载机变矩器热平衡散热功率

4.3 风扇的选型

风扇按气流方向，分为吹风式和吸风式两种。ZL50装载机的发动机布置为后置式，发动机风扇端朝后，考虑到跑车时的迎风速度和减轻驾驶室下方的热量，大多都选用吹风式风扇。同样是吹风式风扇，按照材料又可分为塑料风扇和铁皮风扇两种。在相同风扇直径和风叶转角下，与铁皮风扇相比，塑料风扇叶形好，风场较均匀，重量轻，对轴承的附加弯矩小，且一般情况下噪声相对较低，但其风压、风量和耗功方面往往不及铁皮风扇。另一方面塑料风扇较易产生热变形、振动、老化，抗冲击能力差，易损坏，质量难以控制等。所以选用何种风扇要根据装载机具体的作业环境以及配套适应性来决定。

图2 单机热平衡试验装置示意图

4.4 水箱的选型

目前用于ZL50装载机的水箱主要有管片式和管带式两种，材料大多为铜质。相比之下，做到相同散热面积，管带式的成本略低，但其强度较低，散热带易被堵塞且不易清洗，故目前国内主机厂还是用管片式水箱的居多。管片式水箱易清洗，通风性好，结构强度高。但选用时应避免使用带窗片的管片式水箱，散热片上开窗，不仅容易积存污物，而且会使风阻增加，整体散热性能不一定能够提高。

选用水箱时，要考虑其热力性能和阻力特性这两个主要指标，不同的材料、结构型式、焊接工艺都会影响水箱的传热效率。

4.5 散热系统的匹配

整车的散热系统匹配设计，应能够保证整机在各种设计工况和环境条件下，所需冷却的介质都能在其最佳温度范围内安全可靠工作，匹配的实质就是做到一定边界条件下的散热系统能量平衡。

由于整车系统的实际风侧阻力无法测量或精确计算，所以通常采用计算和试验相结合的工程方法。即先按照经验选用一套已有的系统进行试配，再根据实际使用的效果和测得的数据，以及散热系统零部件的性能特性参数，对散热系统进行优化。

对于ZL50装载机，为了简化匹配和试验工作量，往往选择运行最恶劣的工况进行匹配即可，一般选择装载机的全速全油门跑车工况。匹配时需要掌握的数据和参数有：1）发动机散热系统在此工况时的总散热功率，即4.2中提到的内容；2）散热器总成的特性曲线；3）风扇在此工况转速下的特性曲线；4）满足设计工况热平衡时的气液温差要求；5）外部冷却系统水阻等。

有了以上数据后，冷却系统的流量可以根据柴油机的外部冷却系统水阻，从柴油机的水流量-外部阻力特性曲线上找到相应的流量；而对气液温差，考虑到留有一定的裕度，一般可选用30%。有了水流量和气液温差这2个边界条件，就可以在风洞试验台上取得相应条件下散热器总成的水侧散热功率与风量之间的特性关系图，如图3。通过风洞试验，还可测得风扇在规定转速下的风扇静压力特性曲线，如图4。需要注意的是，散热器总成应该包括水箱和其它装在水箱前后两侧影响散热系统风阻的装置，通常有液压油散热器或空调散热器等。

图3 水箱的散热量－空气流量曲线

图4 风扇匹配示意图

从图中可以看出，一定边界条件下水箱的散热功率是随空气流量的增大而加大的。因此，提高热平衡能力，首先应考虑采取加大空气流量的做法。要加大由风扇产生的空气流量，可以从4个方面入手：1)加大风扇直径；2）优化风扇的布置，如调整风扇在发动机与水箱间的安装距离，调整其放入导风罩的比例，减小其叶尖与导风罩间的间隙等；3）提高装载机机罩的通风性和减少回风；4）提高风扇转速。以上3个措施中应该尽量采取1）、2）或3），在不得已的条件下再考虑措施4），因为风扇的耗功与转速的三次方成正比关系。一般情况下，应该保证风扇的耗功<6%的发动机标定功率，且叶尖速度应小于76 m/s[2]。实践证明，措施3）往往对提高装载机整车热平衡能力最有效。

对单方面提高空气流量仍无法解决的情况，就要从水箱入手，主要措施有：1）增大散热面积；2）适当减小风阻，增大空气流量；3）改变水箱结构：4）更换水箱材料。措施1）和2）有时是矛盾的，对管片式水箱，在既定的空间内要增加散热面积，只有通过增加散热片或加大水箱芯厚，这反过来会加大风阻，减少空气的流量。因此，如果根据匹配结果发现由于水箱风阻过大，导致水箱散热能力未能充分发挥，则不妨大胆减少散热面积，增大片距，有时也能达到增大散热功率的效果。更改水箱配置，最好重新进行风洞试验，而水箱风洞试验的耗费是比较高的，制作样品的费用也很高，故应该作为后备方案。

装载机的作业环境一般灰尘比较大，散热器芯子容易堵塞，引起系统阻力增加，热平衡能力下降，所以热平衡系统的匹配应该留有一定的余量，应该提醒用户定期清理水箱，保持水箱的散热能力。

4.6 安装要求

国内的ZL50装载机多要求将风扇装在发动机上，虽然水箱也安装在车架上，但由于支承不同，风扇与导风罩之间会有相对位移，故风扇叶尖与导风罩之间应留有安全间隙，考虑到导风效果，一般要求该间隙≤风扇直径的1.5%。吹风式风扇推荐叶片宽度的2/3左右在导风罩外，但实际使用时其最理想的位置取决于安装中的许多可变因素，通常只能通过试验来确定。

风扇应距离散热器芯子80~120 mm，另外应尽可能拉大风扇与发动机之间的距离，以减小风扇进气阻力，同时减少回风。风扇与柴油机零部件靠得过近，不但阻挡了气流，还可能引起风扇振动，造成风扇损坏和增加噪声。使用铁皮风扇时要保证风扇和其他零部件之间的最小间隙至少>10 mm，以防产生干涉；而对于塑料风扇来说，这一安全距离数值还应该加上风扇的最大变形量。

4.7 水管路的设计

外部冷却水管直径应按照柴油机推荐的标准设计，散热器及连接通路中的最小有效直径应该大于柴油机进水管的直径。

另外水管材料要坚固，不易产生吸瘪。水管固定要牢靠，避免产生脱落，或引起管路中橡胶水管承受较大应力而变形或易振动损坏，若在高温或紫外线照射强的环境下应该使用硅橡胶管。

5 整机匹配考核试验

5.1 装载机性能测试

在装载机样机生产完成后，要对装载机的各项主要技术参数进行测试，包括铲斗容量、额定载重量、整机质量、最大行驶速度、最小转弯半径、最大牵引力、最大掘起力、工作装置动作三项和、实际作业油耗、跑车油耗等，此外还要进行工业性考核和耐久考核，这些试验通常由装载机生产厂家完成。配套人员要根据装载机的各项性能试验和考核结果，对发动机性能或结构上的不足进行修正。

5.2 柴油机装机评定

柴油机装机评定主要包括安装评定和热平衡能力评定两个方面。对于ZL50装载机来说，安装评定主要是看柴油机各部分与装载机连接是否可靠，有无干涉，风扇等的安装是否合理，柴油机的除气性能是否良好，柴油机的检查和维护接近性是否满足要求等，并以此对配套设计进行改进或者向整机厂提出改进建议。热平衡试验主要是进行全速全油门跑车试验，一般装载机跑车1.5~2 h后水温即可平衡，按照热平衡后测得的数据，在柴油机调温器全开的情况下，其计算公式为：装载机允许使用最高环境温度tmax=冷却液沸点温度-柴油机上水室温度+环境温度。使用最高环境温度tmax，我国一般取达到40%即能满足要求，实际配套设计中以达到45%以上为佳。

6 发展趋势

6.1 电控技术的应用

随着国内针对工程机械排放相关法规的陆续出台，很多装载机企业都开始了电控柴油机在装载机上的配套工作。目前阶段，大多采用进口电控发动机进行试配，但随着国产电控柴油机的技术成熟和可靠性的提高，国产电控柴油机在装载机上的配套势在必行。配套设计中与普通增压型柴油机的主要不同在于：1）结构上增加了空空中冷器，需要对管路和散热器进行重新设计；2）电气系统匹配较复杂，需要为实现电控功能而增加传感器以及线束设计；3）性能标定还需要摸索。

6.2 动力匹配技术

随着测试技术的发展和电脑模拟软件的应用，可以通过无线即时动态扭矩测试技术，对装载机作业工况的载荷谱进行测定，将测试结果输入到车辆动力系统匹配软件如AVL-Cruise中进行匹配计算，再通过软件进行柴油机性能优化，并将优化结果结合电控技术，在电控柴油机上实现提高燃油经济性或者提高装载机作业效率的目的。

7 结论

柴油机配套设计是一个系统工程，其涉及到的技术和知识既广泛又有一定深度，涉及机械设计、传热学、电气工程、测量与测试技术、材料学等多个学科。作为配套设计师，做好整机结构配套仅是开始，了解各部分功能的匹配原理和掌握一定匹配技术和经验，才是做好配套设计工作的关键。ZL50装载机用柴油机的配套设计，属于一种典型的工程机械动力配套设计，其涉及的内容较全面，包含很多配套设计的基础知识，值得去研究和深化。通过这一典型的配套实例，去掌握和理解配套设计的理念和方法是有效的。

1工程机械设计与维修丛书编辑委员会.轮式装载机[M].化学工业出版社，2006.

2中国内燃机学会.柴油机动力装置匹配[M].机械工业出版社，2000.

Engine Application Design for Wheel Loader 50

Tang Hongyuan
(Shanghai Diesel Engine Company Limited,Shanghai 200438,China)

Approach of and notices for engine application design for wheel loader 50 is introduced from engine performance match to application components structure design,to selection of auxiliaries and to cooling system match.

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来稿日期：2009-02-16

汤泓渊（1980-11），男，工程师，主要研究方向为发动机整机开发和配套设计。