关于LT1055起重机发动机高温问题解决方案的研究

李志国

摘  要：从LT1055起重机发动机水温超高问题出发，对发动机高温问题从车辆使用和维修技术角度进行了探讨分析，引起发动机高温的原因是多方面的，有自然因素，有操作因素、有维修因素，面对如此复杂的系统工程，本文从理论方面进行了系统阐述、并在试验运行过程中的关键步骤如核心数据进行了重点说明，提出了较为适用、合理、有效的方案，并最终取得良好效果。

关键词：起重机  发动机  高温  散热器  风扇  冷却液。

中图分类号：TU607                           文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）11（c）-0059-04

Research on Solution of LT1055 Crane Engine High Temperature Problem

LI Zhiguo

（Zhuneng Equipment Maintenance Center， Ordos， Inner Mongolia Autonmous Region， 010300 China）

Abstract： Starting from the problem of super high water temperature of LT1055 crane engine， this paper discusses and analyzes the high temperature problem of engine from the perspective of vehicle use and maintenance technology. The causes of engine high temperature are various， including natural factors， operation factors and maintenance factors. In the face of such complex system engineering， this paper systematically expounds the theoretical aspects， and in the process of test operation the key steps such as the core data are highlighted， and a more applicable， reasonable and effective scheme is proposed， and good results are finally achieved.

Key Words： Crane; Engine; High temperature; Radiator; Fan; Coolant

LT1055起重機在准能公司黑岱沟露天煤矿（以下简称“黑岱沟露天煤矿”）的使用维修情况

LT1055起重机是由四川长江工程起重机有限责任公司生产，2007年准能公司设备维修中心购入，共3台，日常使用维护保养由准能公司设备维修中心整备车间负责。该型号起重机上车起重系统和下车行走系统分别采用独立的发动机动力系统。上车发动机选用132kW/2200r/min的康明斯6BTA5.9-C180柴油发动机;下车发动机使用的是维柴WP10.336发动机，该发动机为直列6缸、水冷式，（176kW/2500r/min）柴油发动机。

这3台LT1055起重机在新投运的前几年整车状况还算正常，但在后期的使用中，每到夏季环境气温达到20℃以上的时候，车辆进行大长坡道的爬坡运行时就总会出现高温熄火车辆自动保护动作的现象。黑岱沟露天煤矿位于内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗境内，属温带大陆性气候，夏季干旱炎热、气温一般在20～30℃之间。作为年生产能力3400万t的大型露天煤矿，卡车、电铲24h不间断工作，随之配套的的起重设备调配频繁，出动率要求较高，必须在90%以上，出入采掘区域和大坡道行驶是常态，由于高温故障频发，导致该类型车辆一到夏季就很难保证正常的作业调配了。

1  发动机高温故障的成因分析

总体来说，内燃机的发明和使用改变了人们的生活方式，引发了能源革命的转型，为汽车、火车、轮船提供了动力来源，也为人类社会的高速发展做出了极大的贡献。在内燃机发明后的一百年里人类社会历经了工业大革命，机械化程度飞速发展、上天入地的神话变为了现实。但是随着工业化的不断发展随之而来的能源问题、污染问题也日趋突现。最初的内燃机虽然实现了能源的自动转化，可是能源利用效率却不高的，据资料显示至20世纪末我们大量的内燃机的燃料能量有效利用率还大多停留在50%以下，甚至有的只有30%左右。如此低的能量利用率究其根本主要就是热能的直接浪费。众所周知内燃机是依靠燃料在燃烧室内快速燃烧把燃料中的化学能变成热能的，热能使气体瞬间膨胀爆发推动活塞移动，才形成了运动所需要的机械能，被人类利用。其中的燃烧是能源从化学能量转变成机械能必须的重要过程，但目前并不能完全地利用这份燃烧所产生的能量，大量无法利用的剩余热能只能积蓄在内燃机里，成为了内燃机继续正常运行的最大障碍。这些剩余的热能造成机器的红热，改变结构机理，破坏运行环境甚至是机体的彻底瓦解报废。为此人们设计了将这些剩余热能的导出机构，这就是发动机的散热冷却系统。

从车辆使用的角度出发，车辆发动机出现高温现象解决排除时一般考虑的不外乎就是以下几点：（1）缺水引发高温。长时间的微量渗漏或是溢流蒸发一般是不会引起使用者的注意，但经过较长时间的积攒到最后某一天就会发生缺水报警甚至是引发高温停机。这种情况比较常见，所以在对待发动机高温情况时，人们第一做法就是检查冷却液水位，通过补充冷却液就可以解决问题了;（2）超载引发高温。偶然遇到长时间、大负荷连续高速运行的条件下，突发发动机高温，这种情况出现对于故障的判断一般比较容易，即使不懂维修的人都会觉得是不是“累着了，让机器歇缓歇缓”，短暂的停机后故障一般也就会自然消失了。类似的故障还有就是一些时候由于某些特殊情况或是人为的原因使车辆长时间低档大油门运行，这种时候也必然会出现发动机高温现象;（3）环境温度高而引发发动机高温。这类情况一般多见于炎热的夏季或是一些室内使用的发动机，由于环境温度过高、通风不良造成散热不足引发发动机高温;（4）高原地带高海拔造成的低温时的假“开锅”和冷却液膨胀胀溢出;（5）冷却液质量不符合要求，沸点不达标造成的低温沸腾。一般情况下要求冷却液在一个标准大气压时的沸腾点在104℃左右。当加入到发动机的冷却系统里面时，由于散热器蒸气阀的加压作用其使用的沸腾点应该在110℃左右。

以上情况是较常见的发动机高温现象，后两项受地理因素和产品质量元素影响较大，前三项虽然常见但不属于故障，无需进行专门的维修处理，加强司机的车辆使用技能学习，提高车辆的点检和日常维护就可以避免了。

从维修技术的角度看有以下几种情况比较多常见。（1）散热器堵塞。散热器堵塞分内部堵塞和外面堵塞两种情况。散热器最多见就是中空、多通道的栅格式热交换器。多通道的散热栅格管内通径较小很容易被水垢或是沉积的杂物堵塞造成冷却液过流减少、散热不足而引起高温。另外为了兼顾体积和散热效果，一般的散热器在选材和结构上都是比较轻、薄的。为了增大散热表面积，栅格两侧几乎全部采用窝孔状松散折叠的轻质金属散热片来填充并增加散热面积。这个片很薄、很软，轻微的机械刮蹭就会造成众多的窝孔损坏，甚至高压水枪的强力冲洗也可能会所向披靡地造成大面积窝孔损伤封闭，使散热器丧失大量的散热通风孔目。

（2）循环水泵故障造成高温。发动机循环水泵故障必然会造成冷却液循环量的减少或是停止，冷却液循环的停止也就意味着对外热交换的停止。

（3）传感器故障也可能造成发动机高温。传感器的故障造成温度报告错误或是散热温控开关打开不及时。温控开关是设定发动机冷却系统强制散热的关键，温度上升到应该开启散热的时候还不能启动散热功能，后果自然就是高温无疑了。

（4）散热器蒸气阀故障。蒸气阀一般是设置在散热器注水口盖上的一个蒸气压力溢流开启阀。蒸气阀的作用在于提高冷却液的沸点、降低冷却液的蒸发量，避免冷却液频繁的蒸发损耗。当蒸气阀开启压力不足时，冷却液就会提前沸腾，沸腾产生蒸气引发压力溢流并损失大量的冷却液，冷却液不足又会再次加剧高温的发生。

（5）节温器故障。节温器其实就是一个温控散热开关，当机体内水温较低时，机体内的冷却液就只是在内部循环，当温度上升（一般是82℃开启）时，节温器开启，冷却液进入通往外部的散热器而进行强制散热。当节温器因故障在高温时不能开启强制散热通道时，高温就在所难免了。

（6）冷却系统内水垢较多。发动机气缸内频繁的燃烧和做功使得这里自然成为了温度最集中的地方，如果这里多余的热量不能及时被带走，那么气缸被烧到红热的状态也就是一小会儿的事了。而这些热量完全是依靠流经它表面的冷却液带走的，所以在气缸表面与冷却液的热交换和交换效率就是一个很重要的问题了。由于炽热的气缸体表面常常会引发一些化学或是物理的反应，总会造成一些化合物的沉积，这种沉积最多的就是水垢。据资料显示：每1mm的水垢隔热程度相当于15cm钢板的隔热能力。可见水垢对散热能力的影响之大。其实水垢不仅在气缸体表面沉积，它也会在循环管道和散热内大量沉积，这其实也就是好多老旧发动机散热能力不足和高温的重要成因之一。

（7）发动机气缸壁穴蚀开孔、气缸垫损坏造成发动机内的高温压缩气体进入冷却系统造成冷机时的沸腾。

2  分析解决问题的思路和过程

这三台吊车最初出现这类故障的时候，我们还是按照偶然故障进行处理，先后多次经历了检查补充冷却液、降低载荷、清洗散热器内外、更换散热器、水泵及节温器等部件等工作，但还是未能解决问题，最后委托专业技术人员也未能解决这个高温问题。

后来我们在发动机发生高温但还在运行中的时候，用红外测温枪分别检测了散热器上下水室的温度：上水室达94℃，下水室约是84℃左右。散热温度差接近10℃，这说明循环冷却的功能和运行方面是没有问题的，那么就只是散热能力不足的问题了。如何加强散热器的散热能力？最容易想到的就是加强凉爽气体的流通或是加大散面积。加大散热面积，想法是没问题的，可是从种种条件制约来说就不太现实了，因為散热器已是客观的存在，而且受发动机机仓空间的限制要想改换大体积的散热器很难做到，而且还得同时考虑解决风扇、风罩、水管布局、风扇皮带等等一系列的空间问题，难度较大不易实现。那么想办法加大空气流通，降低机仓温度就成了最可行的解决方案。我们首先想到的就是揭掉活动部分的机仓罩盖，使稠热的高温气体迅速离开机体，可是一番试验下来发现问题根本没那么简单，这样发动机温度似乎上升的更快了！原来发动机机仓从前的进气格栅、散热器、风扇、发动机、变速箱的整体布局在设计上就是一个散热风道，看似影响散热的机仓和罩盖其实都是导风散热系统的一部分。这样人为地拿掉一部分罩盖就是直接破坏了后面的散热气流流向，使后面的机体失去了原来设计中的散热气流。这个分析结论使我们只能从不改变结构单从增大冷却气流方面想办法了，于是我们把目光转向了散热风扇。经过研究得出两种方案：（1）提高风扇转速。通过减小风扇驱动带轮直径提高传动比的办法，增加风扇转速、增大气流流通量。但是很快这个方案就被迫放弃了。因为皮带和带轮的尺寸都是系列化和标准化的。在网上几乎没找到预想尺寸的带轮和皮带，而且考虑这样的情况下风扇皮带轮的皮带包角过小，增大功率传输动力势必会造成皮带打滑;（2）更换在同转速的情况能提供更大气流的风扇。设想的是能换用叶片数量更多，叶片扭转角度更大的风扇来增加风扇的风流量，从而形成更好的散热效能。后来经过咨询有关专家得知，是有某些发动机在设计时为了适应寒冷地带和高热地带而设计有若干种有可选配的不同风量的风扇。通过渠道我们也如愿寻得了结构尺寸相近，风扇叶片扭转角度不同，而且风扇的叶片外径封闭自带导风功能的环形风扇——引风增强型风扇，及与之配套的帘式导风罩。

通过阅读风扇说明书上的参数和查阅有关资料上风扇风量的计算方法，我们进行了如下的比对和计算。

两种风扇的工作参数分别是：

原发动机配置的风扇        改用的引风增强型风扇

叶片外径D1=610mm            叶片外径D2=620mm

叶片小径d1=240mm             叶片小径d2=230mm

叶片宽B=120mm              叶片宽B=120mm

叶片数量：10                   叶片数量：10

通过风扇引风量公式计算：

Q=π/4（D2-d2）CaKHQN

式中：Ca——空气流速和叶片宽度基本呈正线性关系;

K——为引风量和叶片数量的关系系数;

该系数一般为实地测定，与风扇结构、流量、压力等许多因素相关。经过查阅相关资料，寒冷地带选用型的风扇取K1=0.75;引风增强型的风扇取K2=0.9。

H为压力系数;Q为流量系数;N为功率系数。

因为风扇结构特点相同，所以两种扇叶的上述数值相同。将有关数值代入公式。则引风增强型的风扇引风量和原发动机选用型的风扇理论引风量之间的比例关系：

Q2=π/4（D22-d22）Ca2K2H2Q2N2

Q1=π/4（D12-d12）Ca1K1H1Q1N1

则：=125%。

Q2-Q1=25%

从这里的理论计算来看，选用热带型的风扇，引风量理论上将会增加约25%，但是由于这里没计风扇扇叶变长后驱动阻力增加引起的皮带传动可能出现的打滑以及其他不周全因素的影响，再将新风扇的引风量作适量的减值估算，将取值由计算结果的25%下调到15%～20%应该更合理、更接近真实情况。

风扇叶片变长前后两种风扇扇叶扫风面积差是：

S2-S1=π/4（D22-d22）-π/4（D12-d12）=14.3%

从以上的计算说明结果可以看出，改造后的风扇引风量增加了约15%～20%， 散热器过风面积增加了14.3%。

改装完成后我们在30℃左右的气温条件下进行了多次持续大长坡的爬坡实验，行车中水温表针始终稳定在绿色区域之内。用手持式红处线测温枪对散热器上下水室的检测温度也分别稳定在92℃和80℃附近，温度差一直处在12℃以上的期望值范围，散热能力得到了明显改善。发动机运行稳定、动力输出正常。

3  结语

這3台车均全部按该方案进行了改造，从完成改造并投入使用到现在，经历了近两个月夏季气温下的考验，发动机的温度状况一直处于正常状态，为同类型内燃式起重机相同或相似故障提供了参考，为解决高温问题进行了有益尝试探索。随着控制技术的发展以及发动机技术的不断改进，发动机各系统也已经过了深层次、多方位、对角度的优化和提高，如目前一部分起重机的发动机冷却系统采用电气自动反馈控制冷却散热系统，发动机各处的温度传感器监测到的信号通过电脑分析处理并指令冷却系统进行不同程度的冷却，使发动机温度保持在经济合理的最佳状态，既节约能耗又提高效率。

参考文献

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