Обзор основных типов привода крыльчатки системы охлаждения дорожных машин (часть 2)

В простом виде схема гидропривода вентилятора состоит из регулируемого аксиального насоса, антикавитационного клапана, установленного в линии, параллельной гидромотору, гидромотора, датчиков температуры и клапана реверса. В силу своей мобильности гидропривод вентилятора и радиатор можно разместить в любом удобном для этого месте. Размещение радиатора в месте, удаленном от главных источников пыли и грязи, означает, что он будет чистым более длительное время и сможет прослужить дольше. Кроме того, направление вращения вентилятора может быть изменено с целью очистки от скопившейся грязи с поверхности радиатора, а также для работы в зимнее время, когда удобнее и экономичнее задувать теплый воздух внутрь машины.

Регулирование объема насоса позволяет полностью останавливать вращение вентилятора, а также обеспечивает выход вентилятора на максимальные обороты вращения независимо от оборотов ДВС. Электронное управление объемом гидронасоса и системой реверса осуществляется либо с помощью контроллера самой машины, либо с помощью отдельного контроллера самой системы. Это позволяет тонко настраивать систему под нужды конкретной машины, ДВС и условия работы, например, автоматический реверс вентилятора на две минуты каждый час работы для особо пыльных условий эксплуатации.

Проведем сравнительный анализ механической, гидромеханической (вискомуфта) и гидравлической (Fan Drive) систем привода вентилятора. В качестве объекта исследований выступает силовая установка ЯМЗ-652 промышленного трактора ГСТ-20 производства «ДСТ-Урал». Режим работы двигателя моделировался по нагрузочной характеристике, на режиме номинальной мощности и режиме максимального вращающего момента соответственно. Стартом для расчета нагрузочных характеристик выступали данные внешней скоростной характеристики, полученные расчетным и экспериментальным путями. Выбор режимов работы двигателя обусловлен спецификой работы трактора. Характер изменения кривой расхода топлива по исследуемым характеристикам определялся интерполированием большего числа экспериментальных данных. Зная расход топлива, мы можем определить тепловой баланс двигателя на исследуемом режиме работы. Зависимость для определения количества тепла, выделившегося при сгорании единицы топлива, имеет следующий вид.

где G_T – часовой расход топлива, кг/ч, H_u – низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг.

Тепловой поток, отводимый системой охлаждения, определится по уравнению:

где С– коэффициент пропорциональности для 4-тактных ДВС = 0,45–0,53; i – число цилиндров; D – диаметр цилиндра; a– коэффициент избытка воздуха при установившемся режиме нагрузки, m = 0,6–0,7 – показатель степени для четырехтактных двигателей, n – частота вращения коленчатого вала, мин^-1.

Зная количество теплоты, переданное в систему охлаждения, можем определить требуемый расход воздуха (холодный теплоноситель), создаваемый вентилятором и необходимый для поддержания заданного теплового режима работы.

где – ∆T_возд температурный перепад воздуха (холодный теплоноситель) между температурами на входе и выходе из теплообменника, К, c_в1– теплоемкость воздуха при средней температуре, Дж/(кг*К).

Тепловой поток от масла, передаваемый в систему охлаждения, определится:

где – GВ_{_МР} расход масла в масляном контуре, м³/с, – r_м – плотность масла, кг/м³; c_м – удельная теплоемкость масла, Дж/(кг*К), ∆T_м – разница температур масла на входе и выходе из теплообменника К.

Расход воздуха, необходимый для отвода теплоты от масла за 1 с:

Тепловой поток, отводимый охладителем наддувочного воздуха (ОНВ):

Тепловой поток от масла, передаваемый в систему охлаждения, определится:

где G_{в_ОНВ} – расход воздуха через ОНВ [10] при установившемся режиме работы, м³/с, с_в2 – удельная теплоемкость воздуха при средней температуре в ОНВ Дж/(кг*К), – плотность воздуха при средней температуре воздуха в ОНВ кг/м³, – разница температур воздуха на входе и выходе из ОНВ, К.

На основании рассчитанных суммарных максимальных значений объемного расхода воздуха подбираем требуемый типоразмер вентилятора. Нашим запросам удовлетворяет модель вентилятора 21-196 с диаметром лопастей 787 мм фирмы ЗАО ПК «Технотрон» с параметрами, представленными в таблице.

Для расчета промежуточных значений мощности, затрачиваемой на привод вентилятора, и его частоты вращения, воспользуемся «Законом подобия вентиляторов».

Тогда мощность и частота вращения вентилятора определятся по уравнениям:

в которых, подстрочные индексы 1 и 2 означают меньшую и большую величины соответственно.

При подсчете затрат энергии на привод вискомуфты дополнительно учитывалась мощность, затрачиваемая на частоту ведения вентилятора, под которой будем понимать потери энергии в подшипниках вискомуфты. Частота ведения в 1442 и 1600 оборотов в минуту, указанная в таблице, относится к режимам максимального вращающего момента и номинальной мощности соответственно.

Соотношение частот вращения коленчатого вала и частоты вращения вискомуты составляет 0,735. То есть при работе двигателя с частотой, равной 1400 об/мин лопасти вентилятора вискомуфты и ременного привода будут вращаться с частотой 1900 и на номинале 2600 об/мин. Как показали расчеты, на режиме максимального вращающего момента при 100%-ной нагрузке частоты вращения лопастей вентилятора в 1900 об/мин будет недостаточно для создания им требуемого расхода воздуха, прогоняемого через теплообменник. Для соблюдения баланса теплоты требуемая расчетная частота вращения лопастей вентилятора должна составлять 2200 об/мин. По данным, представленным в таблице, построим графики а) и б) изменения среднеэффективного давления от мощности, затрачиваемой на привод вентилятора для режимов максимального вращающего момента и номинальной мощности соответственно.

Режим работы двигателя, соответствующий: а) режиму максимального вращающего момента и б) режиму номинальной мощности, где 1 – ременный привод (вентилятор работает постоянно, вне зависимости от теплового режима), 2 – вискомуфта, 3 – затраты на привод Fan Drive плюс потери на насос (НШ) и гидромотор, 4 – затраты только на привод Fan Drive.

Затраты энергии на привод вентилятора с ременным приводом и вискомуфтой оценивались при частоте вращения 2200 об/мин. Анализ представленных зависимостей показал, что затраты на клиноременной привод постоянны и увеличиваются с ростом частоты вращения коленчатого вала независимо от теплового режима работы двигателя. Затраты на привод вискомуфты на исследуемых режимах работы двигателя складываются из двух частей. Вискомуфта работает и выключена (вентилятор вращается с частотой ведения). Мерой времени в расчетах используется секунда, то есть для отвода генерирующей теплоты при 100%-ной нагрузке мы условно тратим 1 секунду при требуемых оборотах вентилятора.

При работе двигателя с нагрузкой, отличной от 100%-ной, будет меняться и время (доля секунды) работы вентилятора, меняющееся пропорционально режиму нагружения. При анализе работы вискомуфты не учитывались динамические затраты энергии на включение (разгон вентилятора до требуемой частоты вращения и остановка до частоты, равной частоте ведения) и выключение вентилятора. Поддержание требуемой частоты вращения вентилятора, реализованное в приводе Fan Drive, позволяет существенно, до 65%, снизить затраты на привод вентилятора в сравнении с приводом вентилятора от вискомуфты на исследуемых режимах работы двигателя. Наибольший эффект достигается в диапазоне малых и средних нагрузок независимо от скоростного режима работы двигателя. Плавное регулирование частоты вращения вентилятора будет способствовать снижению динамических нагрузок на переходных режимах в сравнении с приводом от вискомуфты.

Анализ показал, что использование клиноременного привода (постоянное вращение лопастей вентилятора) абсолютно не эффективно, кроме того, увеличивается время прогрева двигателя до рабочей температуры. Сложно обеспечить постоянный тепловой режим в холодный период эксплуатации. Вискомуфта работает по принципу вкл./ выкл. Частота вращения вискомуфты жестко связана с частотой вращения коленчатого вала, наличие повышенных динамических нагрузок при старте вискомуфты. Плавное (бесступенчатое) регулирование частоты вращения привода вентилятора позволяет существенно, до 65%, снизить затраты энергии на привод вентилятора в сравнении с вискомуфтой на всех скоростных режимах работы двигателя. Минимизация динамических нагрузок на переходных режимах работы вентилятора. Использование привода Fan Drive дает свободу размещения вентилятора и теплообменника в моторном отсеке. Реализована возможность изменения направления вращения вентилятора с целью очистки от скопившихся загрязнений с наружных поверхностей теплообменника.

Как видно из графиков, при среднеустановившейся работе привод Fan Drive экономит в среднем 10 кВт энергии ДВС, что соответствует 1,5 л дизельного топлива в час. За год при наработке машины в 3000 моточасов эта цифра равна 4500 л топлива. При цене топлива в 40 руб. чистая экономия на эксплуатации составит 180 000 руб. без учета очевидных эксплуатационных и технических преимуществ такого вида привода.

Для понимания экономической окупаемости системы завод «ДСТ-Урал» предлагает установку данной опции на своих бульдозерах 9-го, 10-го и 12-го классов всего за 120 000 руб. Такую низкую стоимость удалось получить благодаря серийно подготовленному месту отбора мощности под насос на рядных ДВС, наличию контроллера, внедрению однослойных радиаторов нового поколения и наличию электронных датчиков температуры на всех охлаждаемых системах машины. На более тяжелых машинах тяговых классов 15, 20, 25, а также трубоукладчиках система Fan Drive устанавливается серийно.