張少輝

(林德(中國(guó))叉車有限公司,福建 廈門 361009)

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內(nèi)燃叉車熱平衡系統(tǒng)匹配優(yōu)化及試驗(yàn)

張少輝

(林德(中國(guó))叉車有限公司,福建 廈門 361009)

針對(duì)某型號(hào)內(nèi)燃叉車熱平衡溫度試驗(yàn)結(jié)果偏高問(wèn)題，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算該型號(hào)叉車的散熱量，重新核算散熱器的散熱面積，優(yōu)化散熱器.同時(shí)對(duì)叉車結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，改善影響散熱效果的幾個(gè)因素：在叉車前板開(kāi)進(jìn)氣格柵，提高通過(guò)散熱器空氣的平均溫差；調(diào)整消聲器、催化器位置以減小風(fēng)阻及熱影響；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管進(jìn)行隔熱，隔絕熱源.將優(yōu)化后的散熱器及影響散熱效果的改善方案應(yīng)用在叉車上并實(shí)車試驗(yàn).測(cè)試結(jié)果表明放行溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求.本文的優(yōu)化方案對(duì)叉車散熱系統(tǒng)優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值.

內(nèi)燃叉車；熱平衡；散熱系統(tǒng)；放行溫度

內(nèi)燃叉車被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，其工作環(huán)境惡劣，作業(yè)強(qiáng)度大且超載狀況嚴(yán)重.頻繁超載容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大，引起水溫過(guò)熱，甚至“開(kāi)鍋”.發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)熱使發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，使用壽命和可靠性下降，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性變差.因此，內(nèi)燃叉車?yán)鋮s系統(tǒng)必須具備良好的性能.目前，國(guó)內(nèi)外有很多關(guān)于內(nèi)燃叉車散熱系統(tǒng)優(yōu)化方面的研究，文獻(xiàn)[1]介紹了關(guān)于散熱量計(jì)算等經(jīng)驗(yàn)公式，這些經(jīng)驗(yàn)公式在散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算中具有關(guān)鍵的作用.文獻(xiàn)[2]闡述了散熱器散熱面積的計(jì)算方法，對(duì)內(nèi)燃叉車散熱器散熱面積計(jì)算有一定的參考價(jià)值.當(dāng)前的文獻(xiàn)資料大部分在做理論上的研究，缺乏實(shí)踐.本文針對(duì)某型號(hào)內(nèi)燃叉車溫升偏高問(wèn)題，根據(jù)文獻(xiàn)中介紹的對(duì)散熱系統(tǒng)散熱量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)散熱器散熱面積計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)，重新對(duì)散熱系統(tǒng)及散熱器散熱面積進(jìn)行分析計(jì)算，改善散熱器，優(yōu)化影響散熱效果的因素，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證改善方案，為內(nèi)燃叉車?yán)鋮s系統(tǒng)優(yōu)化提供解決方案.

1　熱平衡計(jì)算及分析

目前，國(guó)內(nèi)叉車動(dòng)力系統(tǒng)通常采用以下3種方式：一是內(nèi)燃機(jī)；二是蓄電池—電機(jī)；三是上述兩種都具備的雙動(dòng)力模式.叉車發(fā)動(dòng)機(jī)大多是四沖程柴油機(jī)，采用閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng).為滿足散熱要求，在設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)，一般以發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大功率時(shí)的工況作為計(jì)算的依據(jù).

1.1散熱系統(tǒng)散熱量

散熱量Qw是設(shè)計(jì)計(jì)算散熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)依據(jù).由于發(fā)動(dòng)機(jī)功率、壓縮比以及結(jié)構(gòu)型式等因素的影響，精確地計(jì)算散熱量比較困難.因此，冷卻系統(tǒng)的散熱量一般采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算.

(1)

式(1)中：A為傳給散熱系統(tǒng)的熱量與燃料熱能的比值，一般情況下，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)A=0.18～0.25,可取A=0.25；ge為燃油消耗率,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一般為0.23～0.3kg·(kW·h)-1,取ge=0.3 kg·(kW·h)-1；Pe為內(nèi)燃機(jī)功率,發(fā)動(dòng)機(jī)功率Pe=47 kW；hn為燃料低熱值,柴油為41.870J·kg-1.

把數(shù)據(jù)代入式(1)，計(jì)算得出Qw=41 kJ·s-1.可知，該冷卻系統(tǒng)應(yīng)散發(fā)出去的熱量為41 kJ/s.

1.2冷卻水的循環(huán)量

計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量后，可由熱平衡方程計(jì)算出冷卻水的循環(huán)量.

(2)

式(2)中：Δtw為冷卻水循環(huán)前后的溫差(6～12 ℃),可取Δtw=8 ℃；ρw為冷卻水的密度，ρw=1 000 kg·m-3；Cw為冷卻水的比熱，Cw=4.187 kJ·(kg·℃)-1.

把數(shù)據(jù)代入式(2)，計(jì)算得出冷卻水循環(huán)量Vw=1.23×10-3m3·s-1.

1.3冷卻空氣的需要量

根據(jù)冷卻系統(tǒng)的散熱量Qw計(jì)算冷卻空氣的需要量Va，公式[1]如下.

(3)

式(3)中：Δta為冷卻空氣進(jìn)出散熱器前后的溫差，一般情況下，Δta=10～30 ℃，可取Δta=20 ℃；ρa(bǔ)為冷卻空氣的密度，ρa(bǔ)=1.01kg·m-3；Cpa為冷卻空氣的比熱，取Cpa=1.047kJ·(kg·℃)-1.

把數(shù)據(jù)代入式(3)，計(jì)算得出冷卻空氣循環(huán)量Va=1.94 m3·s-1.

1.4散熱器散熱面積的計(jì)算

散熱系統(tǒng)中最關(guān)鍵的散熱部件是散熱器，散熱器散熱性能的優(yōu)劣直接影響著冷卻效果.增加散熱器的散熱面積對(duì)散熱性能可起到積極的作用.由于叉車結(jié)構(gòu)的限制，散熱器的尺寸一般無(wú)法較大改變.設(shè)計(jì)散熱器時(shí)，不僅要考慮外形尺寸，還要根據(jù)散熱器散熱片與冷卻空氣接觸的總表面積FS進(jìn)行考慮.散熱面積可按如下公式(4)[3]估算.

(4)

式(4)中：Qw為散熱量，按式(1)計(jì)算的結(jié)果；φ為散熱器的儲(chǔ)備系數(shù)，由于水垢及油泥的影響，一般地，φ=1.1～1.5,取1.1；KS為散熱器的傳熱系數(shù)；Δt為散熱器中冷卻水的平均溫度與冷卻空氣的平均溫度的差值.

傳熱系數(shù)KS是冷卻系統(tǒng)中散熱器散熱效能重要的評(píng)價(jià)參數(shù)，傳熱系數(shù)越大，散熱效能越好.改善散熱效能可從影響傳熱系數(shù)的因素入手.影響傳熱系數(shù)的因素主要有散熱器的芯部結(jié)構(gòu)和尺寸大小，管片材料的熱傳導(dǎo)特性及制造質(zhì)量，水管中冷卻水的流速，冷卻空氣的流速等.傳熱系數(shù)可按公式(5)[4]計(jì)算.

(5)

式(5)中：αw為冷卻水散熱器壁之間的導(dǎo)熱系數(shù)，在冷卻水的流速為0.2～0.6m·s-1時(shí)，αw=8 368～14 644 kJ·(m2·h·℃)-1,可取14 644 kJ·(m2·h·℃)-1；λα為散熱器散熱管片導(dǎo)熱系數(shù)，純鋁材料的導(dǎo)熱系數(shù)為203.5 W·(m·℃)-1；δα為散熱器散熱管的壁厚，取0.2 mm；αL為從散熱器散熱管到空氣的散熱系數(shù)，當(dāng)通過(guò)散熱器的空氣流速為10～20 m·s-1時(shí)，αL=251.04～439.32kJ·(m2·h·℃)-1，取440.0kJ·(m2·h·℃)-1.

把數(shù)據(jù)代入式(5)，計(jì)算得出散熱器的傳熱系數(shù)KS=426.47 kJ·(m2·h·℃)-1.

由于散熱器不同部位的溫度不同，冷卻水與冷卻空氣溫差也不同，故一般情況下采用平均溫差[3]，即

(6)

式(6)中：ts1為散熱器進(jìn)水溫度，取90 ℃(節(jié)溫器的開(kāi)啟溫度一般為90 ℃)；ts2為散熱管出水溫度，取82 ℃(根據(jù)熱平衡試驗(yàn)結(jié)果取平均值)；tk1為空氣進(jìn)入散熱器時(shí)的溫度，取32 ℃(由于散熱器在叉車尾部，進(jìn)散熱器的風(fēng)在機(jī)艙中經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)加熱，且夏天氣溫較高，因此取空氣進(jìn)入散熱器的溫度為32 ℃)；tk2為空氣離開(kāi)散熱器時(shí)的溫度，取52 ℃.

汽車?yán)鋮s系的沸騰風(fēng)溫?cái)?shù)值可分為輕型冷卻系(沸騰風(fēng)溫為32 ℃),標(biāo)準(zhǔn)型冷卻系(沸騰風(fēng)溫為40 ℃)和加強(qiáng)型冷卻系(沸騰風(fēng)溫為52 ℃).由于叉車使用中工況惡劣且頻繁超載，另外受到散熱器后置等因素影響，需采用加強(qiáng)型冷卻系，溫度取52 ℃.把數(shù)據(jù)代入式(6)中，計(jì)算得出平均溫差Δt=44 ℃.

把式(1)(5)(6)的計(jì)算結(jié)果代入式(4)進(jìn)行計(jì)算，得出FS=8.65m2.由此可知，散熱器的散熱面積必須大于等于8.65m2才能滿足散熱要求.

1.5冷卻風(fēng)扇的選擇

該型號(hào)內(nèi)燃叉車?yán)鋮s風(fēng)扇為固定傳動(dòng)比風(fēng)扇，風(fēng)扇散風(fēng)量Vf可由如下公式(7)[5]計(jì)算.

(7)

式(7)中：Va為冷卻空氣的需要量，根據(jù)式(3)的計(jì)算結(jié)果；η為冷卻風(fēng)扇的容積率，由冷卻風(fēng)扇與導(dǎo)風(fēng)罩之間的間隙決定，可取η=0.7～0.9.

由于散熱器散熱面積的增加，外形尺寸相應(yīng)地?cái)U(kuò)大，風(fēng)扇及導(dǎo)風(fēng)罩直徑需要相應(yīng)地增大.根據(jù)散風(fēng)量、風(fēng)壓要求及風(fēng)扇的性能曲線選擇合適的風(fēng)扇.

1.6冷卻水泵

由于冷卻水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)一起由發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商提供，更換難度較大，本次優(yōu)化暫時(shí)不對(duì)水泵進(jìn)行更改.

2　優(yōu)化方案

根據(jù)熱平衡計(jì)算結(jié)果及對(duì)整車結(jié)構(gòu)布置重新分析，該型號(hào)叉車散熱系統(tǒng)優(yōu)化方案從以下幾方面進(jìn)行.2.1增加散熱面積

該型號(hào)叉車散熱器為管帶式型式，其散熱面積由散熱帶散熱面積和散熱管散熱面積組成[2].散熱器結(jié)構(gòu)分為上中下三部分，上部分為冷卻水散熱部分，中部分為傳動(dòng)油散熱部分，下部分為驅(qū)動(dòng)橋齒輪油散熱部分.散熱器芯部結(jié)構(gòu)采用管帶式結(jié)構(gòu)，如圖1所示.冷卻水散熱部分有22個(gè)冷卻通道，傳動(dòng)油有4個(gè)冷卻通道，齒輪油有4個(gè)冷卻通道.

散熱器的芯高H=290mm,芯寬W=580mm,芯厚T=65mm,散熱帶數(shù)量m，熱邊散熱管數(shù)量n.每片散熱帶有效散熱面積(雙面)為

(8)

單個(gè)散熱管散熱面積為

(9)

散熱器的總散熱面積為

S=mS1+nS2.

(10)

把數(shù)據(jù)代入式(8)～(10)，計(jì)算得出水冷部分散熱總面積S=8.22 m2,比要求的8.65 m2略小.因此，該散熱器的散熱面積不足，需要增加散熱面積.由需要的散熱面積8.65 m2推算出m，n的最小值為24.由改進(jìn)前的熱平衡測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，散熱器齒輪油的冷卻部分效果較好，可減少齒輪油冷卻部分的散熱面積，增大冷卻水部分的散熱面積.同時(shí)，從叉車結(jié)構(gòu)上考慮，可以在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增加H的值.改進(jìn)后的散熱器冷卻水部分可增加至25個(gè)通道，傳動(dòng)油冷卻通道不變，為4通道，齒輪油冷卻通道減少為3通道.新散熱器冷卻水部分散熱面積為9.34 m2，滿足散熱系統(tǒng)對(duì)散熱器散熱面積的要求.

2.2改善進(jìn)散熱器的空氣質(zhì)量

a.選擇合適的風(fēng)扇，讓風(fēng)扇的風(fēng)能吹到散熱器更多的有效面積.重新設(shè)計(jì)導(dǎo)風(fēng)罩提高風(fēng)扇容積率.

b.提高進(jìn)散熱器前后空氣的溫差：對(duì)散熱器周圍間隙進(jìn)行密封，間隙較大的采用熱氣隔板隔絕(如圖2所示)，防止散熱器尾部熱氣回流.同時(shí)把叉車前板改成進(jìn)氣格柵，使機(jī)艙外冷的空氣更容易進(jìn)入機(jī)艙.

2.3減少出風(fēng)阻力，減少排氣管的熱影響

a.調(diào)整催化器及消聲器位置，使之盡量遠(yuǎn)離散熱器，減輕吹出去的熱氣受到催化器及消聲器的阻擋.盡可能讓消聲器及催化器遠(yuǎn)離散熱器水冷卻部分，減少熱源對(duì)散熱器的影響.

b.排氣管利用隔熱棉隔絕，減少熱影響，如圖3所示.

3　實(shí)車試驗(yàn)

將優(yōu)化方案逐一分別應(yīng)用到叉車上并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn).每個(gè)方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡系統(tǒng)都能起到積極的作用.單一的優(yōu)化方案雖能改善散熱效果，但是未能達(dá)到目標(biāo).因此，對(duì)單一的優(yōu)化方案不做詳細(xì)的闡述.

將所有的優(yōu)化方案及重新設(shè)計(jì)的散熱裝置應(yīng)用到叉車上，根據(jù)平衡重式叉車整機(jī)試驗(yàn)方法[6]要求對(duì)叉車進(jìn)行熱平衡測(cè)試.強(qiáng)制打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器，使冷卻水經(jīng)過(guò)大循環(huán)即散熱器循環(huán).

熱平衡測(cè)試采用NiCr-Ni-熱電偶/熱傳感器及德國(guó)Ahlborn品牌的ALMEMO 2890-9溫度數(shù)據(jù)采集設(shè)備.熱電偶傳感器分別布置在散熱器的進(jìn)出水口、進(jìn)出油口、散熱器進(jìn)出空氣的兩側(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼內(nèi)部、液壓郵箱內(nèi)部，監(jiān)測(cè)并記錄環(huán)境溫度的變化.按JB/T 3300要求的循環(huán)路線以最大的工作強(qiáng)度運(yùn)行叉車，使叉車接近極限工況.觀察溫度變化，在溫度平衡后結(jié)束試驗(yàn).

為更好地對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將溫度換算成放行溫度.放行溫度可按照以下公式計(jì)算.

(11)

式(11)中：Tr為放行溫度；Ta為允許溫度；Tm為最大測(cè)試溫度；Te為環(huán)境溫度.

最大的允許溫度由發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器及相應(yīng)管路技術(shù)要求決定.最大測(cè)試溫度為散熱器進(jìn)口最大的溫度.環(huán)境溫度測(cè)試時(shí)應(yīng)避免將熱電偶傳感器暴露在陽(yáng)光下.放行溫度表示該叉車可在不超過(guò)該溫度下的環(huán)境使用.

表1 散熱系統(tǒng)優(yōu)化前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table1 Testresultsofradiatorbeforeandafteroptimization單位:℃優(yōu)化前優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)水溫4654傳動(dòng)油溫度5856齒輪油溫度6257

散熱系統(tǒng)優(yōu)化前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.由表1的測(cè)試結(jié)果可知，改進(jìn)前后發(fā)動(dòng)機(jī)水溫放行溫度由46 ℃提升到54 ℃，提高了8 ℃,有了很大的改善，達(dá)到了發(fā)動(dòng)機(jī)廠家不低于49 ℃的要求.傳動(dòng)油放行溫度比改進(jìn)前降低了2 ℃，這主要是由于消聲器及催化器位置的調(diào)整對(duì)散熱器產(chǎn)生熱影響造成.齒輪油放行溫度下降了5 ℃，是由于散熱面積減少造成的.散熱通道數(shù)由原來(lái)的4通道減少為3通道.從試驗(yàn)的結(jié)果看，該優(yōu)化方案使發(fā)動(dòng)機(jī)水溫有了很大的改善，雖然傳動(dòng)油及齒輪油放行溫度有輕微的變差，但仍能滿足要求.

4　結(jié)語(yǔ)

基于工程實(shí)例中遇到的內(nèi)燃叉車溫升偏高問(wèn)題，利用現(xiàn)有針對(duì)散熱系統(tǒng)的理論研究及計(jì)算方法，對(duì)內(nèi)燃叉車散熱系統(tǒng)重新分析計(jì)算，優(yōu)化了散熱器及影響散熱效果的幾個(gè)因素.通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證改善方案，有效地解決了內(nèi)燃叉車溫升偏高的問(wèn)題，對(duì)改善內(nèi)燃叉車散熱系統(tǒng)的工程實(shí)踐具有一定的參考意義.

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(責(zé)任編輯李寧)

Heat Balance System Optimization for an Internal Combustion Forklift Truck

ZHANG Shaohui

(Linde (China) Forklift Truck,Xiamen 361009,China)

To reduce the high temperature in tests of a type of forklift truck,empirical formula was used to calculate the heat and radiator area, and radiator improved.Causation analysis and optimization includes the following: change of the front plate to the mesh plate to improve the mean temperature difference of coolant air through the radiator,optimized layout of muffler and catalyst to reduce coolant air drag and heat influence,insulation for engine exhaust pipe,and finally the field truck test with the optimized radiator and improved solution.The test results meet the design requirement and the solution has a certain value for the forklift truck cooling system optimization.

internal combustion forklift truck;heat balance;cooling system;release temperature

2015-12-10

2016-04-22

張少輝(1981-)，男，工程師，研究方向?yàn)楣I(yè)車輛測(cè)試.E-mail:shaohui.zhang@linde-china.com

U464.238

A

1673-4432(2016)03-0012-05