閆振

（中國煤炭科工集團 太原研究院，山西 太原 030006）

某型支架搬運車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計

閆振

（中國煤炭科工集團 太原研究院，山西 太原 030006）

通過對支架搬運車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)過熱原因和發(fā)動機冷卻方式的研究，在不影響發(fā)動機動力、整車性能的前提下，在節(jié)能環(huán)保的基礎上，對散熱器和風扇進行合理的優(yōu)化匹配設計，并經冷卻性能實驗，使該車的平衡溫度不超過水溫傳感器設定的103℃，解決該種車型冷卻系統(tǒng)自身冷卻能力不足、發(fā)動機高溫的問題。

支架搬運車；發(fā)動機；冷卻系統(tǒng)；優(yōu)化設計

0 引言

近年來，隨著煤礦開采技術的快速發(fā)展，煤炭開采效率逐步提高，對綜采工作面的安裝與撤出的效率要求也逐步提高，對支架搬運車的使用頻率也大大提高，導致支架搬運車經常超負荷運轉，做為某礦區(qū)主力車型之一的某型進口鏟板式支架搬運車，自然也經常在超負荷的情況運轉。在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)：該車型在出廠時散熱器與風扇的設計不匹配，導致該礦區(qū)共計40余輛的該型支架搬運車在使用過程中，尤其在重載爬坡時，經常出現(xiàn)水溫超過傳感器的設定溫度103℃而保護停機的故障，只有待水溫自然降至正常溫度后才能繼續(xù)工作，此種故障嚴重影響了生產效率，礦方也希望能有一種方案來徹底解決該故障。

1 支架搬運車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)過熱帶來的后果

發(fā)動機在運行時，其燃燒室內的溫度瞬間最高可達2000℃，在此溫度下，受熱的零部件工作將不正常，會產生一系列嚴重的后果，如：活塞、缸體、氣缸蓋和等發(fā)動機的其他零部件和高溫可燃混合氣接觸而強烈受熱，其機械性能如剛度和強度會顯著下降，以至發(fā)生變形和裂損；氣缸內容比增大，氣缸充氣系數降低，空燃比失調，發(fā)動機異常燃燒功率下降；氣缸內溫度太高還會使混合氣提前點燃，導致爆震現(xiàn)象發(fā)生，嚴重損害發(fā)動機；溫度過高還會使?jié)櫥蜔龘p和氧化，粘度降低，潤滑條件惡化，加劇了零部件的磨損，加大了功率消耗；溫度過高，還會破壞零件間的正常配合間隙，嚴重時還會引起粘著磨損、拉缸等故障。在實際服務、大修該車型的過程中，經常會遇到水溫過高引起的發(fā)動機功率下降、缸蓋和排氣歧管炸裂、曲軸和凸輪軸等零部件磨損嚴重的故障，此類故障的服務量占全年總服務量的20%，并且加大了維修成本。另外，從整車的角度來說，發(fā)動機水溫若高于水溫傳感器設定的103℃，會導致保護系統(tǒng)起作用而停機，只有待水溫自然降至正常溫度后才能繼續(xù)工作，生產效率會大大降低。

為了避免上述后果，使發(fā)動機正常運行，冷卻系統(tǒng)是必不可少的，但不能說發(fā)動機的溫度越低越好，過度冷卻也會對發(fā)動機造成不利影響，如：考慮到熱脹冷縮，發(fā)動機在設計時，在氣門、活塞與缸套等零件之間均預留有一定的間隙，當發(fā)動機工作時，各部件之間的間隙達到最佳配合。但若過度冷卻時，會使間隙達不到理想的配合狀態(tài)，造成氣缸內漏氣、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)動機內部形成積碳；發(fā)動機潤滑油在低溫狀態(tài)下粘度加大，流動性變差，造成潤滑不均勻，加劇了發(fā)動機內部零部件的磨損，有統(tǒng)計顯示：發(fā)動機在40℃時的磨損量是90℃時的5倍。

由此可見，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)在支架搬運車動力系統(tǒng)中有著非同尋常的作用，若冷卻系統(tǒng)不能正常工作，將會導致發(fā)動機無法正常工作，進而導致整車不能正常運行，從而影響到生產。

2 支架搬運車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)過熱原因的研究

該型支架搬運車采用CAT3126柴油發(fā)動機作為動力源，在柴油的化學能通過燃燒做功轉化為機械能的過程中，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)動機零部件以熱輻射和熱傳導方式來散熱是遠不能滿足強負荷工況下散熱要求的，因此，發(fā)動機必須有一個冷卻系統(tǒng)來實現(xiàn)這一功能。該系統(tǒng)主要由冷卻液、散熱器、節(jié)溫器，水泵、風扇組成。

2.1 冷卻液

發(fā)動機加注的冷卻水應為清潔的軟水。若使用硬水，其中的大量礦物質在高溫時會從水中沉析出來形成水垢，易造成管道堵塞，散熱器等零部件的導熱性能降低，影響冷卻系的散熱效果。

2.2 散熱器

散熱器將吸收發(fā)動機熱量后的冷卻液降溫，使之再次循環(huán)對發(fā)動機冷卻。散熱器外部堵塞如散熱面被煤塵、油泥等覆蓋，導致傳熱系數降低而影響散熱效果；散熱器內部堵塞時，冷卻液的循環(huán)不暢通，導致發(fā)動機水溫過高。

2.3 節(jié)溫器

節(jié)溫器會根據冷卻水的溫度來控制其在發(fā)動機內的循環(huán)路徑（大循環(huán)或小循環(huán)），使發(fā)動機保持在最佳溫度范圍內工作。節(jié)溫器若損壞，將會使發(fā)動機長時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)動機管道內循環(huán)流動。水泵皮帶松動、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 風扇

風扇安裝在散熱器和發(fā)動機之間，其作用是加快流經散熱器的氣流的速度，提高散熱器的散熱能力，風扇的風量與其轉速、風扇直徑、形狀及安裝角度等有關。風扇和散熱器組合匹配效率越高，其散熱能力也越高。

通過在實際服務和井下現(xiàn)場調研，分析該型支架搬運車冷卻系統(tǒng)過熱是由于散熱器的散熱面積不足、風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 某型支架搬運車發(fā)動機冷卻方式的研究

發(fā)動機按冷卻方式可劃分為水冷和風冷兩種。水冷是間接冷卻方式，即以水或其它液體作為中間介質吸收氣缸壁面的熱量，再通過散熱器散發(fā)到空氣中；風冷是直接冷卻方式，即氣缸內多余的熱量通過壁面直接與作為冷卻介質的空氣進行交換。

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

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

4 某型支架搬運車冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計

結合上述對支架搬運車冷卻系統(tǒng)過熱原因與冷卻方式的研究，在不影響該車發(fā)動機動力、整車性能的前提下，在節(jié)能環(huán)保的基礎上，對該車的散熱器和風扇進行合理的優(yōu)化匹配設計。

對該型支架搬運車的散熱器進行重新優(yōu)化設計，增加其散熱面積，使其散熱面積達到合適大小，使發(fā)動機水溫維持在設定溫度范圍80～94℃內。

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）。按以下公式計算：

式中：Q—散熱器的散熱量 （kJ/h）；K—傳熱系數；△tm—平均溫差。

4.2 散熱量Q

式中：Hu—燃油低熱值；beh—標定工況燃油消耗率；Peh—額定功率；ηw—冷卻系統(tǒng)帶走熱量所占的比例。經計算，重新優(yōu)化設計后的散熱器的散熱量=227.4kW。

4.3 傳熱系數K

影響傳熱系數的因素主要有：散熱器的管片材料、芯部結構、冷卻水的流動速度、焊接工藝等，根據礦區(qū)井下的實際工況最終確定經優(yōu)化設計后的散熱器的傳熱系數為80W/m2℃。

4.4 平均溫差△tm

式中，ts1—散熱器進水溫度；tk1—進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—通過散熱器的空氣溫度（tk2＝tk1＋△ts）；△ts—空氣流過散熱器時的溫度增加量，可按下式計算：

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

經計算，優(yōu)化設計后的平均溫差△tm為29.5℃。

4.5 風扇與散熱器的匹配

（1）風扇應做到消耗功率小、效率高、噪音小、重量輕等；風扇葉片應具有足夠的強度；風扇材質需能抗靜電。

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

（3）散熱器芯部的壓差不應大于所選風扇特性曲線中最大工作壓力的70%。

（4）護風罩與風扇葉尖的徑向間隙應盡可能小，其徑向間隙也不應超過風扇直徑的2.5%，或者15～20 mm。

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

5 冷卻系統(tǒng)的冷卻性能實驗

根據多年大修該型支架搬運車的經驗，該車冷卻系統(tǒng)的冷卻性能可通過在坡道上行駛的平衡溫度來評價：環(huán)境溫度5℃以上，坡度8°左右，坡長10 km左右，在以下工況下試驗：車輛滿載，油門全開，使用 4擋行駛， 車輛運行 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，如果連續(xù)五次之間的溫差不大于 3℃，則可認為冷卻液溫度不再上升，達到最高穩(wěn)定點，此時的水溫為冷卻液平衡溫度。該型支架搬運車的平衡溫度應不超過水溫傳感器設定的103℃。

冷卻性能實驗過程中，并未出現(xiàn)因發(fā)動機水溫超過傳感器的設定溫度103℃而保護停機的故障。試驗結果表明：該車型的冷卻系統(tǒng)經優(yōu)化后，發(fā)動機水溫比優(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，在標準溫度80～94℃范圍內，而優(yōu)化前的冷卻系統(tǒng)的溫度在100℃時還有上升的趨勢。

圖1 散熱風扇P-Q曲線Fig.1 P-Q curve

圖2 散熱風扇運行參數Fig．2 Fan operating parameters

6 結語

通過對散熱器和風扇進行合理的優(yōu)化匹配設計，經冷卻性能實驗后，該車的平衡溫度未超過水溫傳感器設定的103℃，解決了該種車型冷卻系統(tǒng)自身冷卻能力不足、發(fā)動機高溫的問題，降低了服務及大修成本，提高了生產效率。近年來，各個大型煤炭企業(yè)引進的該型支架搬運車越來越多，該項目成功實施會有廣闊的應用前景。

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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)于長安大學機械設計制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)在山西天地煤機裝備有限公司內蒙古分公司工作。