某型支架搬运车发动机冷却系统的优化设计

闫振

（中国煤炭科工集团 太原研究院，山西 太原 030006）

某型支架搬运车发动机冷却系统的优化设计

闫振

（中国煤炭科工集团 太原研究院，山西 太原 030006）

通过对支架搬运车发动机冷却系统过热原因和发动机冷却方式的研究，在不影响发动机动力、整车性能的前提下，在节能环保的基础上，对散热器和风扇进行合理的优化匹配设计，并经冷却性能实验，使该车的平衡温度不超过水温传感器设定的103℃，解决该种车型冷却系统自身冷却能力不足、发动机高温的问题。

支架搬运车；发动机；冷却系统；优化设计

0 引言

近年来，随着煤矿开采技术的快速发展，煤炭开采效率逐步提高，对综采工作面的安装与撤出的效率要求也逐步提高，对支架搬运车的使用频率也大大提高，导致支架搬运车经常超负荷运转，做为某矿区主力车型之一的某型进口铲板式支架搬运车，自然也经常在超负荷的情况运转。在实际使用过程中发现：该车型在出厂时散热器与风扇的设计不匹配，导致该矿区共计40余辆的该型支架搬运车在使用过程中，尤其在重载爬坡时，经常出现水温超过传感器的设定温度103℃而保护停机的故障，只有待水温自然降至正常温度后才能继续工作，此种故障严重影响了生产效率，矿方也希望能有一种方案来彻底解决该故障。

1 支架搬运车发动机冷却系统过热带来的后果

发动机在运行时，其燃烧室内的温度瞬间最高可达2000℃，在此温度下，受热的零部件工作将不正常，会产生一系列严重的后果，如：活塞、缸体、气缸盖和等发动机的其他零部件和高温可燃混合气接触而强烈受热，其机械性能如刚度和强度会显著下降，以至发生变形和裂损；气缸内容比增大，气缸充气系数降低，空燃比失调，发动机异常燃烧功率下降；气缸内温度太高还会使混合气提前点燃，导致爆震现象发生，严重损害发动机；温度过高还会使润滑油烧损和氧化，粘度降低，润滑条件恶化，加剧了零部件的磨损，加大了功率消耗；温度过高，还会破坏零件间的正常配合间隙，严重时还会引起粘着磨损、拉缸等故障。在实际服务、大修该车型的过程中，经常会遇到水温过高引起的发动机功率下降、缸盖和排气歧管炸裂、曲轴和凸轮轴等零部件磨损严重的故障，此类故障的服务量占全年总服务量的20%，并且加大了维修成本。另外，从整车的角度来说，发动机水温若高于水温传感器设定的103℃，会导致保护系统起作用而停机，只有待水温自然降至正常温度后才能继续工作，生产效率会大大降低。

为了避免上述后果，使发动机正常运行，冷却系统是必不可少的，但不能说发动机的温度越低越好，过度冷却也会对发动机造成不利影响，如：考虑到热胀冷缩，发动机在设计时，在气门、活塞与缸套等零件之间均预留有一定的间隙，当发动机工作时，各部件之间的间隙达到最佳配合。但若过度冷却时，会使间隙达不到理想的配合状态，造成气缸内漏气、窜油等现象；另外在低温下，可燃混合气蒸发性能降低，雾化效果变差，燃油消耗量，还容易使发动机内部形成积碳；发动机润滑油在低温状态下粘度加大，流动性变差，造成润滑不均匀，加剧了发动机内部零部件的磨损，有统计显示：发动机在40℃时的磨损量是90℃时的5倍。

由此可见，发动机冷却系统在支架搬运车动力系统中有着非同寻常的作用，若冷却系统不能正常工作，将会导致发动机无法正常工作，进而导致整车不能正常运行，从而影响到生产。

2 支架搬运车发动机冷却系统过热原因的研究

该型支架搬运车采用CAT3126柴油发动机作为动力源，在柴油的化学能通过燃烧做功转化为机械能的过程中，要释放大量的多余热量。除了一部分热量由尾气带走外，剩余的热量若只靠发动机零部件以热辐射和热传导方式来散热是远不能满足强负荷工况下散热要求的，因此，发动机必须有一个冷却系统来实现这一功能。该系统主要由冷却液、散热器、节温器，水泵、风扇组成。

2.1 冷却液

发动机加注的冷却水应为清洁的软水。若使用硬水，其中的大量矿物质在高温时会从水中沉析出来形成水垢，易造成管道堵塞，散热器等零部件的导热性能降低，影响冷却系的散热效果。

2.2 散热器

散热器将吸收发动机热量后的冷却液降温，使之再次循环对发动机冷却。散热器外部堵塞如散热面被煤尘、油泥等覆盖，导致传热系数降低而影响散热效果；散热器内部堵塞时，冷却液的循环不畅通，导致发动机水温过高。

2.3 节温器

节温器会根据冷却水的温度来控制其在发动机内的循环路径（大循环或小循环），使发动机保持在最佳温度范围内工作。节温器若损坏，将会使发动机长时间在低温或高温状态下工作。

2.4 水泵

冷却水由水泵加压后才能在发动机管道内循环流动。水泵皮带松动、水封损坏造成泄漏、水泵叶轮卡死或变形均影响冷却系的冷却效果。

2.5 风扇

风扇安装在散热器和发动机之间，其作用是加快流经散热器的气流的速度，提高散热器的散热能力，风扇的风量与其转速、风扇直径、形状及安装角度等有关。风扇和散热器组合匹配效率越高，其散热能力也越高。

通过在实际服务和井下现场调研，分析该型支架搬运车冷却系统过热是由于散热器的散热面积不足、风扇与散热器的匹配效率不高、未加注清洁的冷却水而造成堵塞等几方面的原因而造成的。

3 某型支架搬运车发动机冷却方式的研究

发动机按冷却方式可划分为水冷和风冷两种。水冷是间接冷却方式，即以水或其它液体作为中间介质吸收气缸壁面的热量，再通过散热器散发到空气中；风冷是直接冷却方式，即气缸内多余的热量通过壁面直接与作为冷却介质的空气进行交换。

由于井下通风条件有限，若采用风冷发动机，其冷却系统很难达到均匀的散热效果。而水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，目前煤矿机械大多采用水冷方式。

该型支架搬运车也采用水冷发动机、强制冷却的方式，利用水泵对冷却水加压，迫使其在冷却系水路中循环流动，并通过散热器带走热量，该种冷却方式工作可靠，可以保证发动机在适宜温度下工作。

4 某型支架搬运车冷却系统的优化设计

结合上述对支架搬运车冷却系统过热原因与冷却方式的研究，在不影响该车发动机动力、整车性能的前提下，在节能环保的基础上，对该车的散热器和风扇进行合理的优化匹配设计。

对该型支架搬运车的散热器进行重新优化设计，增加其散热面积，使其散热面积达到合适大小，使发动机水温维持在设定温度范围80～94℃内。

4．1 散热面积A

散热器的散热面积是散热器芯与空气接触的总表面积（m2）。按以下公式计算：

式中：Q—散热器的散热量 （kJ/h）；K—传热系数；△tm—平均温差。

4.2 散热量Q

式中：Hu—燃油低热值；beh—标定工况燃油消耗率；Peh—额定功率；ηw—冷却系统带走热量所占的比例。经计算，重新优化设计后的散热器的散热量=227.4kW。

4.3 传热系数K

影响传热系数的因素主要有：散热器的管片材料、芯部结构、冷却水的流动速度、焊接工艺等，根据矿区井下的实际工况最终确定经优化设计后的散热器的传热系数为80W/m2℃。

4.4 平均温差△tm

式中，ts1—散热器进水温度；tk1—进入散热器的空气温度；ts2—散热器出水温度 （ts2＝ts1－△ts）； △ts—冷却水在散热器中的最大降温；tk2—通过散热器的空气温度（tk2＝tk1＋△ts）；△ts—空气流过散热器时的温度增加量，可按下式计算：

式中，Az—散热器芯部的迎风面积；Cp—空气比定压热容；Vk—散热器前面的空气流速；ρk—空气密度。

经计算，优化设计后的平均温差△tm为29.5℃。

4.5 风扇与散热器的匹配

（1）风扇应做到消耗功率小、效率高、噪音小、重量轻等；风扇叶片应具有足够的强度；风扇材质需能抗静电。

（2）风扇叶尖的圆周速度不应大于91m/s，且风扇扫过的面积尽可能大地覆盖散热器芯子的迎风面积，使气流全面地通过散热器。

（3）散热器芯部的压差不应大于所选风扇特性曲线中最大工作压力的70%。

（4）护风罩与风扇叶尖的径向间隙应尽可能小，其径向间隙也不应超过风扇直径的2.5%，或者15～20 mm。

在本次优化设计中，散热器的风圈直径为770mm，因此选取风扇直径为740mm，叶片材料选用防静电玻璃纤维增强聚丙烯，该种材料适用于防爆工作环境，叶片数量为9片，叶片角度为30°， 该风扇的P－Q曲线和运行参数分别见图1和图2。

5 冷却系统的冷却性能实验

根据多年大修该型支架搬运车的经验，该车冷却系统的冷却性能可通过在坡道上行驶的平衡温度来评价：环境温度5℃以上，坡度8°左右，坡长10 km左右，在以下工况下试验：车辆满载，油门全开，使用 4挡行驶， 车辆运行 30～60min，冷却液温度上升至大致稳定后，每隔10min记录一次水温表读数，如果连续五次之间的温差不大于 3℃，则可认为冷却液温度不再上升，达到最高稳定点，此时的水温为冷却液平衡温度。该型支架搬运车的平衡温度应不超过水温传感器设定的103℃。

冷却性能实验过程中，并未出现因发动机水温超过传感器的设定温度103℃而保护停机的故障。试验结果表明：该车型的冷却系统经优化后，发动机水温比优化前降低了10℃左右，冷却效果非常显著。优化后的冷却系统的温度保持在90～92℃之间，在标准温度80～94℃范围内，而优化前的冷却系统的温度在100℃时还有上升的趋势。

图1 散热风扇P-Q曲线Fig.1 P-Q curve

图2 散热风扇运行参数Fig．2 Fan operating parameters

6 结语

通过对散热器和风扇进行合理的优化匹配设计，经冷却性能实验后，该车的平衡温度未超过水温传感器设定的103℃，解决了该种车型冷却系统自身冷却能力不足、发动机高温的问题，降低了服务及大修成本，提高了生产效率。近年来，各个大型煤炭企业引进的该型支架搬运车越来越多，该项目成功实施会有广阔的应用前景。

[1]陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社,2000.

[2]刘铮，王建昕.汽车发动机原理教程[M].北京：清华大学出版社，2001.

[3]倪计民.汽车内燃机原理[M].上海：同济大学出版社，1996.

[4]黄海波.燃气汽车结构原理与维修[M].北京：机械工业出版社，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

闫振，男，陕西人，助理工程师，2006年毕业于长安大学机械设计制造及其自动化专业，现在山西天地煤机装备有限公司内蒙古分公司工作。