自行式高空作业车发动机冷却系统设计

张延召 刘立霞

摘要：自行式高空作业车是工程机械领域的一个重要分支，其工作特点是将操作人员运送到一定高度，为其进行高空作业提供便利，因此对作业安全性和可靠性要求尤为严格。发动机作为高空车的动力心脏，对其可靠性更是有不可忽视的影响。而发动机的故障中有70%是源自于冷却系统。因此，一个良好的冷却系统设计方案，就是对整个高空作业车可靠性和质量稳定性的有利保障。本文介绍了一款典型的26米自行式高空作业车的发动机冷却系统中水箱和风扇这两项重要因素的计算和选型。

关键词：自行式高空作业车;冷却系统;散热面积;水箱;风扇

中图分类号：TU69                                        文献标识码：A                                     文章编号：1674-957X（2020）20-0001-03

0  引言

自行式高空作业车作为工程机械领域的一个重要分支，现在广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防、港口货运等行业，是新兴的技术产业。

本文介绍的26米高空作业车是依托航天科技平台，综合对比国内外同类产品，消化吸收后自主研发的自行式高空作业车。其最大平台高度26.2m，高速行走速度4.8km/h，低速行走速度1.1km/h，最大载重350kg，动力60kW。选用美国康明斯B3.3T-C80柴油发动机。

由于发动机供货状态为裸机，所以水箱，风扇等外围配套附件需主机厂自行匹配。

1  水箱散热能力计算

1.1 发动机散热功率

额定功率时  35kW——康明斯公司提供

最大扭矩时  28.2kW——康明斯公司提供

由表1数据可知，只要冷却系统满足额定功率时的散热要求，就满足能发动机在正常工况下的使用要求。

1.2 散热面积计算

水箱的散热面积：

F=

β——散热面积储备系数，经验值，一般取1.1～1.15。

Qw——发动机散热量，现有发动机最大功率时Qw=35kW，最大扭矩时Qw=28.2kW。

ΔT——平均温差。

Kr——传热系数。

传热系数是评价水箱换热效能的重要参数，其主要受水箱芯部结构，水管中冷却水的流速，通过水箱的空气流速、管片材料以及制造质量（特别是焊接质量）等诸多因素的影响，因此需根据实验数据确定，一般铜制管带式水箱可取Kr=0.093～0.116kW/（m2.K）。此處取 Kr=0.096kW/（m2.K）。

1.2.1 计算平均温差

①水箱进水温度ts1。

闭式冷却系统可取 ts1=95～100℃。此处选ts1=95℃（节温器全开温度）。

②水箱出水温度 ts2。

ts2=ts1-Δts

Δts——冷却液在水箱中的最大温降。

最大功率工况：Δts1===5.6℃

最大扭矩工况：Δts2===13.5℃

③进入水箱的空气温度tk1。

根据设备使用环境要求，一般取 tk1=40～46℃。高空作业车的设计最高使用环境为46℃，故此处选tk1=46℃。

④流出水箱的空气温度 tk2。

tk2=tk1+Δtk

式中：Δtk——空气流过水箱的温升，可按下式进行计算：

式中：Q——发动机散热量，35kW;

AZ——水箱芯部的正面面积（迎风面积）。一般选 0.31～0.37m2/100kW。

现有发动机为60kW（80hp）取  AZ=0.35×60/100=0.21m2。

CP——空气比热容， CP=1.005kJ/kg.℃ =0.24 kcal/kg.℃。

VK——水箱前的空气流速。最大功率取 VK=5m/s，最大扭矩取VK=4m/s。高空作业车属于低速车辆，故空气与车辆的相对运动速度可忽略不计。

ρK——空气密度。设在一个大气压下，气温50℃，ρK=1.093kg/m3。

最大功率工况：℃

最大扭矩工况：℃

得到tk2=tk1+Δtk=46+30.3=76.3℃

t′k2=tk1+Δtk=46+30.6=76.6℃

⑤平均温差修正系数ψ。

发动机的冷却形式，属于两种流体（空气和冷却液）互不混合的交叉流式换热形式。与热力学的简单顺流与逆流的换热形式不同，所以要以修正系数ψ对平均温差结果进行计算修正。而ψ值的大小取决于两个无量纲的参数P及R。

P=       R=

式中，下标1，2分别表示两种流体，此处即为冷却液和空气。上标“'”及“"”表示进口和出口。

最大功率工况：

t=ts1=95℃，t=ts2=89.4℃，

t= tk1=46℃，t=tk2=76.3℃

代入得  P=0.62   R=0.18

查图1 得ψ=0.98

最大扭矩工况：

代入得 P=0.69  R=0.18

查图1 得ψ=0.99

⑥平均温差ΔT。

根据传热学原理，平均温差ΔT可按下式计算：

ΔT=ψ

最大功率工况：

Δtmax=ts1-tk1=95-46=49℃

Δtmin=ts2-tk2=89.4-76.3=13.1℃

最大扭矩工况：

Δtmax=ts1-tk1=95-46=49℃

Δtmin=ts2-tk2=81.5-76.6=4.9℃

代入公式可得：

ΔT1=0.9826.7℃

ΔT2=0.99×=19℃

1.2.2 计算散热面积

最大功率工况：

F=？茁·=1.15×=15.7 m2

最大扭矩工况：

F=？茁·=1.15×=17.8 m2

二者取最大值，理论散热面积为17.8m2。

1.3 水箱实际散热面积选择

根据计算结果选择水箱厂家水箱型号：

CZTM-26-00

水箱芯部有效尺寸为 485×600×70mm，散热面积 20 m2，满足发动机散热要求。

2  风扇散热能力计算

2.1 额定工况下空气流量计算

Va=

式中：ρa——27℃时空气密度，ρa=1.1774kg/m3;

Cp——27℃时空气比热容，Cp=1.005 kJ/kg.K;

ΔTa——空气进入水箱的前后温差ΔTa=Δtk=23℃。

假定散热总量全部是由水箱散出，则：

Va=1.28m3/s=2707CFM

查风扇曲线（图2）得：

风扇消耗功率  5.5 kW

风压          0.9Kpa

复核水箱正面空气流速：

V=Va/FR

FR——水箱正面面积，现有水箱为0.485×0.6=0.29m2。

V=1.28/0.29=4.4m/s≈VK=5m/s与估算值相符，计算结果可用。

2.2 风扇外径D

按照总布置的要求和水箱芯子尺寸，风扇外径扫过面积应占水箱芯子正面面积的45～65%，风扇轮叶的内径与外径之比为0.28～0.38。

πD2=4×（0.45～0.65）FR

D=（0.8～0.98）

=（0.8～0.98）=0.431～0.528 m

2.3 风扇选型

根据计算数据，选择宁波华纳圣龙风扇，型号为：4035-38449-YF-508-01。

风扇外直径 D=508 mm      满足要求

风扇内外直径比  d/D=194/508=0.38  满足要求

3  实践效果

根据上述计算过程进行设计和选型的水箱和风扇装配后，车辆工作状态良好。未出现过因冷却系统引起的发动机故障。现在车辆已批量生产，销售到葫芦岛和南通等造船厂，在高粉尘，高负荷率的使用过程中，冷却系统工作稳定，表现良好，未出现故障。客户对发动机表现满意。实践证明上述计算方法是可靠和有效的，值得推荐。

参考文献：

[1]李登龙，廖平.让你的发动机“冷静”下来[J].MC现代零部件，2007，1.

[2]柏红专，罗亮平.国内高空作業机械行业现状及发展方向[J].建筑机械，2006.08.

[3]康明斯.《康明斯冷却系统安装推荐》Bulletin 3382171，rev.10/80.

[4]Perkins 《Perkins installation manual》TBD 1536 issue 1， Feb.2005.

[5]李增芳，孙培峰.后置发动机冷却系统改进设计[J].农机化研究，2002，02.