閆振

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

某型支架搬運(yùn)車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

閆振

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

通過(guò)對(duì)支架搬運(yùn)車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)過(guò)熱原因和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻方式的研究，在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、整車性能的前提下，在節(jié)能環(huán)保的基礎(chǔ)上，對(duì)散熱器和風(fēng)扇進(jìn)行合理的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)，并經(jīng)冷卻性能實(shí)驗(yàn)，使該車的平衡溫度不超過(guò)水溫傳感器設(shè)定的103℃，解決該種車型冷卻系統(tǒng)自身冷卻能力不足、發(fā)動(dòng)機(jī)高溫的問(wèn)題。

支架搬運(yùn)車；發(fā)動(dòng)機(jī)；冷卻系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

近年來(lái)，隨著煤礦開采技術(shù)的快速發(fā)展，煤炭開采效率逐步提高，對(duì)綜采工作面的安裝與撤出的效率要求也逐步提高，對(duì)支架搬運(yùn)車的使用頻率也大大提高，導(dǎo)致支架搬運(yùn)車經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，做為某礦區(qū)主力車型之一的某型進(jìn)口鏟板式支架搬運(yùn)車，自然也經(jīng)常在超負(fù)荷的情況運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：該車型在出廠時(shí)散熱器與風(fēng)扇的設(shè)計(jì)不匹配，導(dǎo)致該礦區(qū)共計(jì)40余輛的該型支架搬運(yùn)車在使用過(guò)程中，尤其在重載爬坡時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)水溫超過(guò)傳感器的設(shè)定溫度103℃而保護(hù)停機(jī)的故障，只有待水溫自然降至正常溫度后才能繼續(xù)工作，此種故障嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率，礦方也希望能有一種方案來(lái)徹底解決該故障。

1 支架搬運(yùn)車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)過(guò)熱帶來(lái)的后果

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其燃燒室內(nèi)的溫度瞬間最高可達(dá)2000℃，在此溫度下，受熱的零部件工作將不正常，會(huì)產(chǎn)生一系列嚴(yán)重的后果，如：活塞、缸體、氣缸蓋和等發(fā)動(dòng)機(jī)的其他零部件和高溫可燃混合氣接觸而強(qiáng)烈受熱，其機(jī)械性能如剛度和強(qiáng)度會(huì)顯著下降，以至發(fā)生變形和裂損；氣缸內(nèi)容比增大，氣缸充氣系數(shù)降低，空燃比失調(diào)，發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒功率下降；氣缸內(nèi)溫度太高還會(huì)使混合氣提前點(diǎn)燃，導(dǎo)致爆震現(xiàn)象發(fā)生，嚴(yán)重?fù)p害發(fā)動(dòng)機(jī)；溫度過(guò)高還會(huì)使?jié)櫥蜔龘p和氧化，粘度降低，潤(rùn)滑條件惡化，加劇了零部件的磨損，加大了功率消耗；溫度過(guò)高，還會(huì)破壞零件間的正常配合間隙，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起粘著磨損、拉缸等故障。在實(shí)際服務(wù)、大修該車型的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到水溫過(guò)高引起的發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、缸蓋和排氣歧管炸裂、曲軸和凸輪軸等零部件磨損嚴(yán)重的故障，此類故障的服務(wù)量占全年總服務(wù)量的20%，并且加大了維修成本。另外，從整車的角度來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫若高于水溫傳感器設(shè)定的103℃，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)起作用而停機(jī)，只有待水溫自然降至正常溫度后才能繼續(xù)工作，生產(chǎn)效率會(huì)大大降低。

為了避免上述后果，使發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，冷卻系統(tǒng)是必不可少的，但不能說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度越低越好，過(guò)度冷卻也會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不利影響，如：考慮到熱脹冷縮，發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，在氣門、活塞與缸套等零件之間均預(yù)留有一定的間隙，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，各部件之間的間隙達(dá)到最佳配合。但若過(guò)度冷卻時(shí)，會(huì)使間隙達(dá)不到理想的配合狀態(tài)，造成氣缸內(nèi)漏氣、竄油等現(xiàn)象；另外在低溫下，可燃混合氣蒸發(fā)性能降低，霧化效果變差，燃油消耗量，還容易使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部形成積碳；發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油在低溫狀態(tài)下粘度加大，流動(dòng)性變差，造成潤(rùn)滑不均勻，加劇了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零部件的磨損，有統(tǒng)計(jì)顯示：發(fā)動(dòng)機(jī)在40℃時(shí)的磨損量是90℃時(shí)的5倍。

由此可見，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)在支架搬運(yùn)車動(dòng)力系統(tǒng)中有著非同尋常的作用，若冷卻系統(tǒng)不能正常工作，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作，進(jìn)而導(dǎo)致整車不能正常運(yùn)行，從而影響到生產(chǎn)。

2 支架搬運(yùn)車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)過(guò)熱原因的研究

該型支架搬運(yùn)車采用CAT3126柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，在柴油的化學(xué)能通過(guò)燃燒做功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程中，要釋放大量的多余熱量。除了一部分熱量由尾氣帶走外，剩余的熱量若只靠發(fā)動(dòng)機(jī)零部件以熱輻射和熱傳導(dǎo)方式來(lái)散熱是遠(yuǎn)不能滿足強(qiáng)負(fù)荷工況下散熱要求的，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)必須有一個(gè)冷卻系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。該系統(tǒng)主要由冷卻液、散熱器、節(jié)溫器，水泵、風(fēng)扇組成。

2.1 冷卻液

發(fā)動(dòng)機(jī)加注的冷卻水應(yīng)為清潔的軟水。若使用硬水，其中的大量礦物質(zhì)在高溫時(shí)會(huì)從水中沉析出來(lái)形成水垢，易造成管道堵塞，散熱器等零部件的導(dǎo)熱性能降低，影響冷卻系的散熱效果。

2.2 散熱器

散熱器將吸收發(fā)動(dòng)機(jī)熱量后的冷卻液降溫，使之再次循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻。散熱器外部堵塞如散熱面被煤塵、油泥等覆蓋，導(dǎo)致傳熱系數(shù)降低而影響散熱效果；散熱器內(nèi)部堵塞時(shí)，冷卻液的循環(huán)不暢通，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高。

2.3 節(jié)溫器

節(jié)溫器會(huì)根據(jù)冷卻水的溫度來(lái)控制其在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的循環(huán)路徑（大循環(huán)或小循環(huán)），使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在最佳溫度范圍內(nèi)工作。節(jié)溫器若損壞，將會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在低溫或高溫狀態(tài)下工作。

2.4 水泵

冷卻水由水泵加壓后才能在發(fā)動(dòng)機(jī)管道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。水泵皮帶松動(dòng)、水封損壞造成泄漏、水泵葉輪卡死或變形均影響冷卻系的冷卻效果。

2.5 風(fēng)扇

風(fēng)扇安裝在散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間，其作用是加快流經(jīng)散熱器的氣流的速度，提高散熱器的散熱能力，風(fēng)扇的風(fēng)量與其轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇直徑、形狀及安裝角度等有關(guān)。風(fēng)扇和散熱器組合匹配效率越高，其散熱能力也越高。

通過(guò)在實(shí)際服務(wù)和井下現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析該型支架搬運(yùn)車?yán)鋮s系統(tǒng)過(guò)熱是由于散熱器的散熱面積不足、風(fēng)扇與散熱器的匹配效率不高、未加注清潔的冷卻水而造成堵塞等幾方面的原因而造成的。

3 某型支架搬運(yùn)車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻方式的研究

發(fā)動(dòng)機(jī)按冷卻方式可劃分為水冷和風(fēng)冷兩種。水冷是間接冷卻方式，即以水或其它液體作為中間介質(zhì)吸收氣缸壁面的熱量，再通過(guò)散熱器散發(fā)到空氣中；風(fēng)冷是直接冷卻方式，即氣缸內(nèi)多余的熱量通過(guò)壁面直接與作為冷卻介質(zhì)的空氣進(jìn)行交換。

由于井下通風(fēng)條件有限，若采用風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)，其冷卻系統(tǒng)很難達(dá)到均勻的散熱效果。而水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻均勻，工作可靠，冷卻效果好，目前煤礦機(jī)械大多采用水冷方式。

該型支架搬運(yùn)車也采用水冷發(fā)動(dòng)機(jī)、強(qiáng)制冷卻的方式，利用水泵對(duì)冷卻水加壓，迫使其在冷卻系水路中循環(huán)流動(dòng)，并通過(guò)散熱器帶走熱量，該種冷卻方式工作可靠，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在適宜溫度下工作。

4 某型支架搬運(yùn)車?yán)鋮s系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合上述對(duì)支架搬運(yùn)車?yán)鋮s系統(tǒng)過(guò)熱原因與冷卻方式的研究，在不影響該車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、整車性能的前提下，在節(jié)能環(huán)保的基礎(chǔ)上，對(duì)該車的散熱器和風(fēng)扇進(jìn)行合理的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)。

對(duì)該型支架搬運(yùn)車的散熱器進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加其散熱面積，使其散熱面積達(dá)到合適大小，使發(fā)動(dòng)機(jī)水溫維持在設(shè)定溫度范圍80～94℃內(nèi)。

4．1 散熱面積A

散熱器的散熱面積是散熱器芯與空氣接觸的總表面積（m2）。按以下公式計(jì)算：

式中：Q—散熱器的散熱量 （kJ/h）；K—傳熱系數(shù)；△tm—平均溫差。

4.2 散熱量Q

式中：Hu—燃油低熱值；beh—標(biāo)定工況燃油消耗率；Peh—額定功率；ηw—冷卻系統(tǒng)帶走熱量所占的比例。經(jīng)計(jì)算，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)后的散熱器的散熱量=227.4kW。

4.3 傳熱系數(shù)K

影響傳熱系數(shù)的因素主要有：散熱器的管片材料、芯部結(jié)構(gòu)、冷卻水的流動(dòng)速度、焊接工藝等，根據(jù)礦區(qū)井下的實(shí)際工況最終確定經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的散熱器的傳熱系數(shù)為80W/m2℃。

4.4 平均溫差△tm

式中，ts1—散熱器進(jìn)水溫度；tk1—進(jìn)入散熱器的空氣溫度；ts2—散熱器出水溫度 （ts2＝ts1－△ts）； △ts—冷卻水在散熱器中的最大降溫；tk2—通過(guò)散熱器的空氣溫度（tk2＝tk1＋△ts）；△ts—空氣流過(guò)散熱器時(shí)的溫度增加量，可按下式計(jì)算：

式中，Az—散熱器芯部的迎風(fēng)面積；Cp—空氣比定壓熱容；Vk—散熱器前面的空氣流速；ρk—空氣密度。

經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的平均溫差△tm為29.5℃。

4.5 風(fēng)扇與散熱器的匹配

（1）風(fēng)扇應(yīng)做到消耗功率小、效率高、噪音小、重量輕等；風(fēng)扇葉片應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度；風(fēng)扇材質(zhì)需能抗靜電。

（2）風(fēng)扇葉尖的圓周速度不應(yīng)大于91m/s，且風(fēng)扇掃過(guò)的面積盡可能大地覆蓋散熱器芯子的迎風(fēng)面積，使氣流全面地通過(guò)散熱器。

（3）散熱器芯部的壓差不應(yīng)大于所選風(fēng)扇特性曲線中最大工作壓力的70%。

（4）護(hù)風(fēng)罩與風(fēng)扇葉尖的徑向間隙應(yīng)盡可能小，其徑向間隙也不應(yīng)超過(guò)風(fēng)扇直徑的2.5%，或者15～20 mm。

在本次優(yōu)化設(shè)計(jì)中，散熱器的風(fēng)圈直徑為770mm，因此選取風(fēng)扇直徑為740mm，葉片材料選用防靜電玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯，該種材料適用于防爆工作環(huán)境，葉片數(shù)量為9片，葉片角度為30°， 該風(fēng)扇的P－Q曲線和運(yùn)行參數(shù)分別見圖1和圖2。

5 冷卻系統(tǒng)的冷卻性能實(shí)驗(yàn)

根據(jù)多年大修該型支架搬運(yùn)車的經(jīng)驗(yàn)，該車?yán)鋮s系統(tǒng)的冷卻性能可通過(guò)在坡道上行駛的平衡溫度來(lái)評(píng)價(jià)：環(huán)境溫度5℃以上，坡度8°左右，坡長(zhǎng)10 km左右，在以下工況下試驗(yàn)：車輛滿載，油門全開，使用 4擋行駛， 車輛運(yùn)行 30～60min，冷卻液溫度上升至大致穩(wěn)定后，每隔10min記錄一次水溫表讀數(shù)，如果連續(xù)五次之間的溫差不大于 3℃，則可認(rèn)為冷卻液溫度不再上升，達(dá)到最高穩(wěn)定點(diǎn)，此時(shí)的水溫為冷卻液平衡溫度。該型支架搬運(yùn)車的平衡溫度應(yīng)不超過(guò)水溫傳感器設(shè)定的103℃。

冷卻性能實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，并未出現(xiàn)因發(fā)動(dòng)機(jī)水溫超過(guò)傳感器的設(shè)定溫度103℃而保護(hù)停機(jī)的故障。試驗(yàn)結(jié)果表明：該車型的冷卻系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫比優(yōu)化前降低了10℃左右，冷卻效果非常顯著。優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)的溫度保持在90～92℃之間，在標(biāo)準(zhǔn)溫度80～94℃范圍內(nèi)，而優(yōu)化前的冷卻系統(tǒng)的溫度在100℃時(shí)還有上升的趨勢(shì)。

圖1 散熱風(fēng)扇P-Q曲線Fig.1 P-Q curve

圖2 散熱風(fēng)扇運(yùn)行參數(shù)Fig．2 Fan operating parameters

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)散熱器和風(fēng)扇進(jìn)行合理的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)，經(jīng)冷卻性能實(shí)驗(yàn)后，該車的平衡溫度未超過(guò)水溫傳感器設(shè)定的103℃，解決了該種車型冷卻系統(tǒng)自身冷卻能力不足、發(fā)動(dòng)機(jī)高溫的問(wèn)題，降低了服務(wù)及大修成本，提高了生產(chǎn)效率。近年來(lái)，各個(gè)大型煤炭企業(yè)引進(jìn)的該型支架搬運(yùn)車越來(lái)越多，該項(xiàng)目成功實(shí)施會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

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[4]黃海波.燃?xì)馄嚱Y(jié)構(gòu)原理與維修[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

Heavy Load Carrier Engine Cooling System Optimization Design

YAN Zhen
(Taiyuan Institute of China Coal Technology and Engineering Group,Taiyuan Shanxi 030006,China)

Through the study of the stent truck engine cooling system and engine cooling overheated reason way,without prejudice to the engine power,the premise of vehicle performance in energy saving,based on the heat sink and fan for optimal matching design reasonable and after cooling performance test,so that the temperature does not exceed the balance of the car temperature sensor setting of 103℃,the kinds of models to solve their lack of cooling capacity cooling system,engine temperature problem.

heavy load carrier；engine；cooling system；optimization design

TB47

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.024

1002－6673（2014）03－060－03

2014－04－10

閆振，男，陜西人，助理工程師，2006年畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)在山西天地煤機(jī)裝備有限公司內(nèi)蒙古分公司工作。