装载机湿式制动驱动桥散热系统的研究和应用
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TAN Yan-hui，JIANG Wei，NONG Mian-geng，WANG Tao，SUN Feng
装载机在港口作业时，在堆料区铲装物料装 运卡车，工作面很小，还经常吊入船仓做物料铲 装、船舱清理等工作，空间比较狭窄，装载机前 进、后退速度快，频繁制动，而且由于船舶停泊有 时间要求，为赶工期，除必要的停机添加燃油，装 载机一般只换司机、不停机连续作业。
驱（动3）Q桥aQ选的a用散QᮓQ带n热ᮓ傜'/风流䗮(/'(扇量t'a UtQ的满aaUqc散K足apcV)p热需u) 1求器00。，0=要12求93Qr/散m≥in2P桥=
Th1——进口油温，为100℃； Th2——出口油温，取70℃；
12kW冷，却进'空行T'气mT驱=m流=ª¬动 Q量ª¬T桥 hẕ'T1根h散1 据Tq热cT21散n c器1傜' 热䗮的 KT系 Vh匹T2统h/2配1T0的计c0T20散c 算2º¼ 热º¼1。ª¬1量lnª¬.9l 确nLT h/T定1 hm1 iTncT1 c1/ /T hT2h2
根据选定散热器内各翅片参数，计算散热 器的散热面积为20.8m2，大于设计所需散热面积 15m2，满足使用要求。
风面尺寸取560mm×420mm（高×宽），计算需 要通过散热器的风速
式中
Va=Qa/Aa Qa——风量，为0.5674m3/s； Aa——散热器迎风面积，为0.2352m2。
由以上得Va=2.41m/s
CONSTRUCTION MACHINERY 2016.8 85
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产品结构 PRODUCTS & STRUCTURE
的工作温度。 某型装载机的驱动桥散热系统工作原理如图2
所示。油箱中的液压油经过液压泵6、滤油器7进入 分流阀9，按1∶1比例分配后进入马达泵1和2，驱 动齿轮马达带动齿轮泵工作，将驱动桥里的油液吸 出，经散热器10散热后再回到驱动桥内。当温度传 感器8检测到油温达到80℃时，集成在散热器上的 风扇开始工作，增强散热能力。系统油液压力达到 2.5MPa时即通过溢流阀4回油箱，当外部气温过低 时，可通过开关阀5手动切断散热系统油源，驱动 桥散热系统停止工作，油液通过开关阀5回油箱。
（1）该单桥外接散热功率P桥=6kW，同时 要满足桥的散热流量Q桥=12L/min，且最高温度 ≤100℃。
（2）由于布置空间限制，马达转速不能太 低；由于驱动桥油粘度高，转速也不能过高。马达 转速取1500r/min时，在满足容积效率的情况下， 马达泵的尺寸及吸油流速都能满足要求。液压泵供 给每个马达的最大流量为
马达泵取的q1为排q1量18nc为傜' mn䗮傜3/Q䗮r，KQV桥quK 1V油0u0散100热0cm0流=31/量r29为3r1/m2Lin/min，则
q2 Qẕ' n傜Q䗮qẕK2nV傜' u䗮1K0V0/01=080.70 m1l1/r.9 L / min
式中取Qq2桥为—n1傜—' 0Q䗮c桥am油3Q/Qr散qᮓ，K 热/V选(u'油定1ta0量U马0a0，c达=p1取)泵2913规2rL/格m/mi，nin。其中马达
Δt——空气进出散热器前后的温差，一般 取20℃。
Tc1
/
A——散热器所需散热面积，m2；
Th2K—Tc—2 散º¼ 热 器 散 热 系 数 ，取 3
（m2·℃）。 由以上得A≈15m2。
8
.
5
W
/
由以上得Qa=0.5674m3/s。 驱动桥散热器选用铝质板翅式强制换热结 构，考虑散热器的布置位置和空间，散热器芯体迎
散热器所需散热面积
Q散=AKΔTm
Bӧڀᣁरͻˊ
Cڀᣁरͻˊ
Dቈरͻˊ
图4 装载机作业方式
从最大制动能量转化分析角度看，装载机半 回转式作业方式具有代表意义。根据使用反馈，某 型装载机在夏季连续作业2～3h即出现驱动桥轮边 高温问题。
按照用户实际工况，由操作熟练的司机按半 回转式作业方式，在试验场进行测试。
［关键词］轮式装载机；湿式制动驱动桥；外部循环；热平衡 ［中图分类号］TH243 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2016）08-0085-03
Research and application of wheel loader wet brake axles external circulation cooling system
（下转第90页）
CONSTRUCTION MACHINERY 2016.8 87
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产品结构 PRODUCTS & STRUCTURE
柄突然释放后，主阀阀芯的B口变成回油口，主阀 阀芯复位时伺服油腔的油液通过单向节流阀1-3-1 的节流孔，使主阀阀芯的复位速度降低，油缸中的 液压油有时间泄至油箱，进而降低整机的冲击。C 口进油与A口进油具有同样效果，都能使斗杆停摆 时产生的振动消除。
Ғ үೄ ʹܧ
Ց үೄ ʹܧ
1. 前驱动桥吸油马达泵 2. 后驱动桥吸油马达泵 3. 液 压油散热器 4. 溢流阀 5. 开关阀 6. 液压泵 7. 滤油器
8. 温度传感器 9. 分流阀 10. 驱动桥散热器组件 图2 驱动桥散热系统原理图
2.2 驱动桥散热系统的功能和特点 （1）可利用整机制动系统油源，简洁有效。 （2）采用双马达泵形式，每个马达泵负责1
排1个量。为18cmQẕ3''/rT，mq=泵2nª¬傜排 ' T䗮h量K1 V为T/ 1c110 00c0m T3h/12r1，.9T前Lc2/后 mº¼ 桥iª¬nl各n 配Th1置 Tc1 / Th2 Tc2
马达实Q际a 转Q速ᮓ和/ (桥't油a U实acp际) 流量为
一般情况下，摩擦片产生的热量可通过驱动 桥内的油液循环及桥壳体等与外界进行热交换，但 在恶劣工况下，驱动桥本身的自然散热能力不能及 时有效地散热。因此需要设计驱动桥外部循环散热 系统，改善油液的冷却效果，以保证驱动桥有合适
DOI:10.14189/ki.cm1981.2016.08.009 ［收稿日期］2016-02-19 ［通讯地址］谭艳辉，广西柳州市柳工大道2号，全球研发 中心
1 驱动桥温度过高的不利影响
装载机在通风条件不佳、连续长时间作业、 制动频繁情况下，制动产生的热能使制动器过热， 制动片摩擦力下降，导致制动性能降低。
同时，驱动桥油温升高将使油液的粘度降 低，形成的油膜变薄甚至破坏，润滑性能急剧下 降，轴承、齿轮等零部件会产生磨损、烧焦、点蚀 等现象。而温度升高同样使密封件加速老化，造成 系统泄漏，这些都会降低元件的使用寿命及工作效 率。研究表明，温度上升是引起润滑油氧化的直接 原因，引起油液气化、变质，使用寿命缩短，变质 的油液会严重影响系统的正常运行。因此，驱动桥 的散热条件是十分重要的。
个桥油的循环，安装位置可更靠近桥吸油口，吸油 效率高。
（3）采用分流阀，使液压油分配不受负载影 响，均匀地分为2部分进入马达泵。
（4）内置温度传感器，当油温高于设定温度 时，开启风扇，增加散热能力。
（5）系统采用可通断模式，在寒冷区域作业 时系统可关闭。
（6）内置旁通溢流阀，保护系统。
（7）一体式散热器可同时分别对液压油及桥 油散热。
3 驱动桥散热系统的设计
针对某型装载机在港口及国外用户使用时的 反馈，经现场调查和测量，该机作业工况主要为 短距离15m、半回转式作业装车（也称V型作业装 车），作业循环时间约为20～25s，持续作业时间 长、需要频繁制动，驱动桥轮边制动摩擦片产生的 热量无法完全由驱动桥本身散发。为此设计了桥散 热系统：
（3）改进效果。 为比较和评价改进前后方案，分别测试加装 缓冲装置前后A、B、C、D口的压力变化，如图4 所示。 比较图4a和b，可以得出以下结论：①阶段表 示手柄从开始推动到开度最大；②阶段表示手柄持 续处于最大开度；③阶段表示释放手柄后。 （1）在①阶段加装缓冲装置后，A口和B口压 力曲线几乎没有出现滞后，说明加装缓冲装置后操 作时没有滞后现象，不影响正常工作，且实际操作 感受亦是如此。 （2）在②阶段加装缓冲装置后，A口和B口压 力曲线也几乎没有压差及滞后，说明加装缓冲装置 不影响正常工作，且实际操作感受亦是如此。 （3）在③阶段加装缓冲装置后，A口压力曲 线高于B口压力曲线，且时间比未加装缓冲装置明
86 建筑机械 2016.8
'Tm = ª¬ Th1 Tc1 Th2 Tc2 º¼ ª¬ln Th1 Tc1 / Th2 Tc2 º¼
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q2
Qẕ n傜䗮KV
u 1000=8.7 ml/r
2 湿式制动驱动桥散热系统原理和功能
2.1 驱动桥散热系统原理 湿式制动器也称多片式制动器，结构如图1所
示。制动时，高压制动油驱动、压紧制动活塞，使 各摩擦副产生摩擦力矩，使车轮制动。由于制动器 全封闭在驱动桥内，可有效防止泥沙、尘土和油 污，摩擦片浸在驱动桥油液里，通过油液散热。
湿式制动器
图1 驱动桥湿式制动器
TcT2 c 2º¼T º¼c1——进气温
45℃；
度
，
即
最
高
环
境
温
度
，
设
定
Qa Qᮓ / ('ta Uacp )
Tc2——空气出口温度，取65℃；
式中
ρcp—a———空空气'气T定密m 压=度ª¬比 ，T热h1取容1T.，c01取1 k1g ./0Tm4h273；kJT/（c2k º¼g/℃ª¬l）n ； Th1
考虑成本因素以及散热器的风阻，选用批量
生产的厚度113mm的散热器。同时选用成熟的电
机驱动风扇，并进行匹配计算，如图3所示。
250 散热器风阻曲线
4 驱动桥散热系统测试和应用
某型装载机驱动桥散热器组件包含前、后驱 动桥2个散热器，并联式安装，1个风扇及附件等， 安装在装载机驾驶室左侧挡泥板下方，便于安装和 维护。
Q=（q泵n泵ηV/1000）/2 式中 q泵——液压泵排量，取25cm3/r；
n泵——液压泵转速，取2200r/min； ηV——容积效率，取0.92。 由以上得Q=25.3L/min。 马达所需排量为
q1
Q n傜䗮KV
u1000
cm3 /r
式中由n以马上达—得—qq21马=1达n8傜Q.3转䗮ẕ3Kc速Vmu，3/1r取0。0105=080.7r/ mmiln/r。
q1q1 n傜nQ䗮傜KQ䗮VKVu1un0傜'10䗮0000cQmcmq3K/r3V/ru1000=1293r/min
n傜' 䗮
Q KV u1000=1293r/min q
Qẕ' q2n傜' 䗮KV / 1000 11.9L / min
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装载机湿式制动驱动桥散热系统的研究和应用
谭艳辉，姜 炜，农棉庚，王 涛，孙 锋
（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007）
［摘要］装载机长时间作业时，由于通风条件差、制动频繁，驱动桥会产生大量热能，且很难通过 自然散热，从而可能导致驱动桥温度持续上升，制动能力下降，长期高温还会造成油品变质、密封件加 速老化等质量问题，降低驱动桥的使用寿命。因此设计合适的湿式制动驱动桥外部循环散热系统，可以 使装载机驱动桥热平衡温度控制在合理范围内，保证装载机能在某些恶劣工况下正常作业。
一般驱动桥轮边制动部位为热源，温度最 高。通过检测驱动桥轮边桥壳温度，可评价驱动桥 工作温度。测试中使用热成像仪进行温度检测。
装载机一般有3种常用作业方式，如图4所示。
200
风扇静压曲线
风压/Pa
150Hale Waihona Puke 100500
0
1
2
3
4
5
6
风速/(m/s)
图3 散热器与风扇匹配曲线
由图3可知，风速达到3.3m/s，大于设计值， 符合使用要求。
min Qa Qᮓ / ('ta Uacp )
'Tm = ª¬ Th1 Tc1 Th2 Tc2 º¼ ª¬ln Th1 Tc1 / Th2 ª¬ln Th1 Tc1 / Th2 Tc2 º¼
式中 Q散——散热器需要散掉的热量，为12kW；
Tc 2
º¼
装载机在港口作业时，在堆料区铲装物料装 运卡车，工作面很小，还经常吊入船仓做物料铲 装、船舱清理等工作，空间比较狭窄，装载机前 进、后退速度快，频繁制动，而且由于船舶停泊有 时间要求，为赶工期，除必要的停机添加燃油，装 载机一般只换司机、不停机连续作业。
驱（动3）Q桥aQ选的a用散QᮓQ带n热ᮓ傜'/风流䗮(/'(扇量t'a UtQ的满aaUqc散K足apcV)p热需u) 1求器00。，0=要12求93Qr/散m≥in2P桥=
Th1——进口油温，为100℃； Th2——出口油温，取70℃；
12kW冷，却进'空行T'气mT驱=m流=ª¬动 Q量ª¬T桥 hẕ'T1根h散1 据Tq热cT21散n c器1傜' 热䗮的 KT系 Vh匹T2统h/2配1T0的计c0T20散c 算2º¼ 热º¼1。ª¬1量lnª¬.9l 确nLT h/T定1 hm1 iTncT1 c1/ /T hT2h2
根据选定散热器内各翅片参数，计算散热 器的散热面积为20.8m2，大于设计所需散热面积 15m2，满足使用要求。
风面尺寸取560mm×420mm（高×宽），计算需 要通过散热器的风速
式中
Va=Qa/Aa Qa——风量，为0.5674m3/s； Aa——散热器迎风面积，为0.2352m2。
由以上得Va=2.41m/s
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的工作温度。 某型装载机的驱动桥散热系统工作原理如图2
所示。油箱中的液压油经过液压泵6、滤油器7进入 分流阀9，按1∶1比例分配后进入马达泵1和2，驱 动齿轮马达带动齿轮泵工作，将驱动桥里的油液吸 出，经散热器10散热后再回到驱动桥内。当温度传 感器8检测到油温达到80℃时，集成在散热器上的 风扇开始工作，增强散热能力。系统油液压力达到 2.5MPa时即通过溢流阀4回油箱，当外部气温过低 时，可通过开关阀5手动切断散热系统油源，驱动 桥散热系统停止工作，油液通过开关阀5回油箱。
（1）该单桥外接散热功率P桥=6kW，同时 要满足桥的散热流量Q桥=12L/min，且最高温度 ≤100℃。
（2）由于布置空间限制，马达转速不能太 低；由于驱动桥油粘度高，转速也不能过高。马达 转速取1500r/min时，在满足容积效率的情况下， 马达泵的尺寸及吸油流速都能满足要求。液压泵供 给每个马达的最大流量为
马达泵取的q1为排q1量18nc为傜' mn䗮傜3/Q䗮r，KQV桥quK 1V油0u0散100热0cm0流=31/量r29为3r1/m2Lin/min，则
q2 Qẕ' n傜Q䗮qẕK2nV傜' u䗮1K0V0/01=080.70 m1l1/r.9 L / min
式中取Qq2桥为—n1傜—' 0Q䗮c桥am油3Q/Qr散qᮓ，K 热/V选(u'油定1ta0量U马0a0，c达=p1取)泵2913规2rL/格m/mi，nin。其中马达
Δt——空气进出散热器前后的温差，一般 取20℃。
Tc1
/
A——散热器所需散热面积，m2；
Th2K—Tc—2 散º¼ 热 器 散 热 系 数 ，取 3
（m2·℃）。 由以上得A≈15m2。
8
.
5
W
/
由以上得Qa=0.5674m3/s。 驱动桥散热器选用铝质板翅式强制换热结 构，考虑散热器的布置位置和空间，散热器芯体迎
散热器所需散热面积
Q散=AKΔTm
Bӧڀᣁरͻˊ
Cڀᣁरͻˊ
Dቈरͻˊ
图4 装载机作业方式
从最大制动能量转化分析角度看，装载机半 回转式作业方式具有代表意义。根据使用反馈，某 型装载机在夏季连续作业2～3h即出现驱动桥轮边 高温问题。
按照用户实际工况，由操作熟练的司机按半 回转式作业方式，在试验场进行测试。
［关键词］轮式装载机；湿式制动驱动桥；外部循环；热平衡 ［中图分类号］TH243 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2016）08-0085-03
Research and application of wheel loader wet brake axles external circulation cooling system
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柄突然释放后，主阀阀芯的B口变成回油口，主阀 阀芯复位时伺服油腔的油液通过单向节流阀1-3-1 的节流孔，使主阀阀芯的复位速度降低，油缸中的 液压油有时间泄至油箱，进而降低整机的冲击。C 口进油与A口进油具有同样效果，都能使斗杆停摆 时产生的振动消除。
Ғ үೄ ʹܧ
Ց үೄ ʹܧ
1. 前驱动桥吸油马达泵 2. 后驱动桥吸油马达泵 3. 液 压油散热器 4. 溢流阀 5. 开关阀 6. 液压泵 7. 滤油器
8. 温度传感器 9. 分流阀 10. 驱动桥散热器组件 图2 驱动桥散热系统原理图
2.2 驱动桥散热系统的功能和特点 （1）可利用整机制动系统油源，简洁有效。 （2）采用双马达泵形式，每个马达泵负责1
排1个量。为18cmQẕ3''/rT，mq=泵2nª¬傜排 ' T䗮h量K1 V为T/ 1c110 00c0m T3h/12r1，.9T前Lc2/后 mº¼ 桥iª¬nl各n 配Th1置 Tc1 / Th2 Tc2
马达实Q际a 转Q速ᮓ和/ (桥't油a U实acp际) 流量为
一般情况下，摩擦片产生的热量可通过驱动 桥内的油液循环及桥壳体等与外界进行热交换，但 在恶劣工况下，驱动桥本身的自然散热能力不能及 时有效地散热。因此需要设计驱动桥外部循环散热 系统，改善油液的冷却效果，以保证驱动桥有合适
DOI:10.14189/ki.cm1981.2016.08.009 ［收稿日期］2016-02-19 ［通讯地址］谭艳辉，广西柳州市柳工大道2号，全球研发 中心
1 驱动桥温度过高的不利影响
装载机在通风条件不佳、连续长时间作业、 制动频繁情况下，制动产生的热能使制动器过热， 制动片摩擦力下降，导致制动性能降低。
同时，驱动桥油温升高将使油液的粘度降 低，形成的油膜变薄甚至破坏，润滑性能急剧下 降，轴承、齿轮等零部件会产生磨损、烧焦、点蚀 等现象。而温度升高同样使密封件加速老化，造成 系统泄漏，这些都会降低元件的使用寿命及工作效 率。研究表明，温度上升是引起润滑油氧化的直接 原因，引起油液气化、变质，使用寿命缩短，变质 的油液会严重影响系统的正常运行。因此，驱动桥 的散热条件是十分重要的。
个桥油的循环，安装位置可更靠近桥吸油口，吸油 效率高。
（3）采用分流阀，使液压油分配不受负载影 响，均匀地分为2部分进入马达泵。
（4）内置温度传感器，当油温高于设定温度 时，开启风扇，增加散热能力。
（5）系统采用可通断模式，在寒冷区域作业 时系统可关闭。
（6）内置旁通溢流阀，保护系统。
（7）一体式散热器可同时分别对液压油及桥 油散热。
3 驱动桥散热系统的设计
针对某型装载机在港口及国外用户使用时的 反馈，经现场调查和测量，该机作业工况主要为 短距离15m、半回转式作业装车（也称V型作业装 车），作业循环时间约为20～25s，持续作业时间 长、需要频繁制动，驱动桥轮边制动摩擦片产生的 热量无法完全由驱动桥本身散发。为此设计了桥散 热系统：
（3）改进效果。 为比较和评价改进前后方案，分别测试加装 缓冲装置前后A、B、C、D口的压力变化，如图4 所示。 比较图4a和b，可以得出以下结论：①阶段表 示手柄从开始推动到开度最大；②阶段表示手柄持 续处于最大开度；③阶段表示释放手柄后。 （1）在①阶段加装缓冲装置后，A口和B口压 力曲线几乎没有出现滞后，说明加装缓冲装置后操 作时没有滞后现象，不影响正常工作，且实际操作 感受亦是如此。 （2）在②阶段加装缓冲装置后，A口和B口压 力曲线也几乎没有压差及滞后，说明加装缓冲装置 不影响正常工作，且实际操作感受亦是如此。 （3）在③阶段加装缓冲装置后，A口压力曲 线高于B口压力曲线，且时间比未加装缓冲装置明
86 建筑机械 2016.8
'Tm = ª¬ Th1 Tc1 Th2 Tc2 º¼ ª¬ln Th1 Tc1 / Th2 Tc2 º¼
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q2
Qẕ n傜䗮KV
u 1000=8.7 ml/r
2 湿式制动驱动桥散热系统原理和功能
2.1 驱动桥散热系统原理 湿式制动器也称多片式制动器，结构如图1所
示。制动时，高压制动油驱动、压紧制动活塞，使 各摩擦副产生摩擦力矩，使车轮制动。由于制动器 全封闭在驱动桥内，可有效防止泥沙、尘土和油 污，摩擦片浸在驱动桥油液里，通过油液散热。
湿式制动器
图1 驱动桥湿式制动器
TcT2 c 2º¼T º¼c1——进气温
45℃；
度
，
即
最
高
环
境
温
度
，
设
定
Qa Qᮓ / ('ta Uacp )
Tc2——空气出口温度，取65℃；
式中
ρcp—a———空空气'气T定密m 压=度ª¬比 ，T热h1取容1T.，c01取1 k1g ./0Tm4h273；kJT/（c2k º¼g/℃ª¬l）n ； Th1
考虑成本因素以及散热器的风阻，选用批量
生产的厚度113mm的散热器。同时选用成熟的电
机驱动风扇，并进行匹配计算，如图3所示。
250 散热器风阻曲线
4 驱动桥散热系统测试和应用
某型装载机驱动桥散热器组件包含前、后驱 动桥2个散热器，并联式安装，1个风扇及附件等， 安装在装载机驾驶室左侧挡泥板下方，便于安装和 维护。
Q=（q泵n泵ηV/1000）/2 式中 q泵——液压泵排量，取25cm3/r；
n泵——液压泵转速，取2200r/min； ηV——容积效率，取0.92。 由以上得Q=25.3L/min。 马达所需排量为
q1
Q n傜䗮KV
u1000
cm3 /r
式中由n以马上达—得—qq21马=1达n8傜Q.3转䗮ẕ3Kc速Vmu，3/1r取0。0105=080.7r/ mmiln/r。
q1q1 n傜nQ䗮傜KQ䗮VKVu1un0傜'10䗮0000cQmcmq3K/r3V/ru1000=1293r/min
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装载机湿式制动驱动桥散热系统的研究和应用
谭艳辉，姜 炜，农棉庚，王 涛，孙 锋
（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007）
［摘要］装载机长时间作业时，由于通风条件差、制动频繁，驱动桥会产生大量热能，且很难通过 自然散热，从而可能导致驱动桥温度持续上升，制动能力下降，长期高温还会造成油品变质、密封件加 速老化等质量问题，降低驱动桥的使用寿命。因此设计合适的湿式制动驱动桥外部循环散热系统，可以 使装载机驱动桥热平衡温度控制在合理范围内，保证装载机能在某些恶劣工况下正常作业。
一般驱动桥轮边制动部位为热源，温度最 高。通过检测驱动桥轮边桥壳温度，可评价驱动桥 工作温度。测试中使用热成像仪进行温度检测。
装载机一般有3种常用作业方式，如图4所示。
200
风扇静压曲线
风压/Pa
150Hale Waihona Puke 100500
0
1
2
3
4
5
6
风速/(m/s)
图3 散热器与风扇匹配曲线
由图3可知，风速达到3.3m/s，大于设计值， 符合使用要求。
min Qa Qᮓ / ('ta Uacp )
'Tm = ª¬ Th1 Tc1 Th2 Tc2 º¼ ª¬ln Th1 Tc1 / Th2 ª¬ln Th1 Tc1 / Th2 Tc2 º¼
式中 Q散——散热器需要散掉的热量，为12kW；
Tc 2
º¼