淺談內(nèi)燃叉車冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計

董明軍（機械科學研究院軍用改裝車試驗場，北京 102100）

淺談內(nèi)燃叉車冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計

董明軍
（機械科學研究院軍用改裝車試驗場，北京 102100）

本文介紹了內(nèi)燃叉車冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計要點，為技術(shù)人員設(shè)計冷卻系統(tǒng)提供合理化建議和參考。關(guān)鍵詞：內(nèi)燃叉車；冷卻系統(tǒng)；散熱器；風扇

內(nèi)燃叉車的冷卻系統(tǒng)是整車平穩(wěn)安全工作的基本保障系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，目前行業(yè)中仍有部分設(shè)計人員對冷卻系統(tǒng)設(shè)計不太重視，在夏季或叉車的工作環(huán)境惡劣時，其設(shè)計的叉車極易發(fā)生“開鍋”現(xiàn)象，輕則停車影響工作進度，重則引起車輛人員損傷，所以相關(guān)設(shè)計人員必須給予足夠的重視。良好的冷卻系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：（1）散熱能力滿足發(fā)動機在各種工況下運轉(zhuǎn)需要，當工況環(huán)境變化時，仍能保證發(fā)動機可靠工作，維持發(fā)動機最佳工作溫度。（2）噪聲在可接受范圍內(nèi)。（3）燃油消耗率較低。（4）密封好，不漏冷卻液，漏潤滑油。（5）使用可靠，壽命長，制造成本低。（6）維修方便。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計要統(tǒng)籌考慮散熱器、風扇、護風罩、管路、水泵以及出風口的設(shè)計選型及布置等。

1 散熱器的設(shè)計選型及布置

散熱器是冷卻系統(tǒng)的核心部件，散熱器的選定尤為重要。首先初步選定散熱面積，根據(jù)發(fā)動機的額定功率用計算叉車發(fā)動機所需散熱面積，

式中：P——發(fā)動機額定功率，kW；

可用計算結(jié)果從供貨商中初步選定散熱面積，然后初步選定散熱器正面積，即芯子的寬×高。

可知，在散熱器總散熱面積不變的情況下，增加正面積，既可減少厚度，使通風阻力下降，提高散熱效率又可防止堵塞，清潔方便。因此在空間允許的條件下應(yīng)盡可能增大散熱器的正面積，減少芯子厚度。由經(jīng)驗推薦，發(fā)動機額定功率每100 kW的散熱器芯子正面積（即正面積系數(shù)）應(yīng)在0.38~0.50 m2之間，所以安裝空間根據(jù)客戶使用的環(huán)境（如熱帶、沙漠環(huán)境等）在這范圍內(nèi)選定或協(xié)調(diào)，來計算散熱器的正面積。散熱器正面積計算完成后選擇散熱器的結(jié)構(gòu)，市場上主要分為兩種：管帶式和管片式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 散熱器結(jié)構(gòu)

管片式的芯子結(jié)構(gòu)強度好，剛度強，廣泛應(yīng)用于工程機械上。管帶式的結(jié)構(gòu)剛度雖不如管片式，但制造簡單，同等正面積時散熱效果好。散熱器從材料上主要有兩種：銅質(zhì)和鋁質(zhì)。銅質(zhì)散熱器成本高但強度高，散熱性好，便于維修。鋁質(zhì)散熱器成本低，重量輕，制作工藝不斷革新。一般，鋁制散熱器都是管帶式，銅制散熱器主要是管片式。綜合叉車工作場所的特點，和重量輕、結(jié)構(gòu)強度高，散熱性能好等實際要求，叉車行業(yè)70%以上選擇管帶式散熱器，建議選擇鋁制管帶式散熱器。散熱器的芯子多為2~5排管子，建議選用3~4排，既保證了總散熱面積，又能減少風阻。選好散熱器的結(jié)構(gòu)后應(yīng)考慮散熱器的布置。

一般中小噸位叉車油散熱器建議在水室內(nèi)置，而隨著增壓中冷發(fā)動機的選用越來越多，大噸位、重裝叉車油散熱器建議與水散熱器并聯(lián)，以解決串聯(lián)散熱器風阻大，容易堵塞，不易清潔保養(yǎng)的弊病，提升散熱能力。叉車散熱器多選擇四點懸置，應(yīng)盡量將所有懸置點布置在同一部件總成上，之間以膠墊或膠套等非金屬材料過渡，以改善散熱器受力情況，減少振動強度。

2 風扇及護風罩的選擇與布置

由于同等功耗情況下，低轉(zhuǎn)速，大直徑的風扇的冷卻效果明顯優(yōu)于高轉(zhuǎn)速，小直徑的風扇，還可降低噪音，所以應(yīng)盡量選擇大直徑的風扇(風扇葉尖的線速度不能超4 200~5 000 m/min，否則會增加噪聲，降低葉片壽命)或選用環(huán)形風扇，可適當降低風扇高速旋轉(zhuǎn)時的噪音。必要時可采用增加葉片數(shù)目、增加葉片安裝角、增大葉片弦的寬度、使用凸面葉片等措施，增大通風量，提高散熱性能。護風罩是風扇與散熱器之間的銜接部分，護風罩與散熱器之間進行良好的密封，避免了氣流回流或渦流損失。常見的護風罩有三種：文杜里式，環(huán)式、箱式，如圖2所示。護風罩要過渡圓滑，叉車使用的大多為箱式。

圖2 護風罩的種類及風扇的布置

選擇完風扇和護風罩，就要考慮散熱器、風扇、護風罩三者的布置了。

首先要合理確定風扇葉片和散熱器的芯子距離，距離過小，風扇產(chǎn)生的氣流還沒有散開、風流不均；距離過遠氣流散開過大，風流不集中，效率不高。試驗證明當風扇直徑小于500 mm時，合理距離在80~100 mm；當風扇直徑大于500 mm時，合理距離在100~120 mm。

然后要合理確定風扇葉端和護風罩之間的徑向間隙，理論上間隙越小風扇葉端氣流回流越小，但是二者分別安裝在散熱器和發(fā)動機上，在車輛工作時相對運動不可避免，二者間隙一般取風扇直徑的1.5%~2.5%之間。而軸向位置關(guān)系選取按圖中所示葉片投影寬度（P.W.）的1/3~1/2，此時進風量最大。風扇中心與散熱器芯部中心的相對位置也非常重要，從正面看，散熱器芯部未被風扇葉片掃過的面積最小時，風扇的效率最高，因此最佳方案是選擇正方形或近似正方形的散熱器芯，風扇中心與散熱器中心重合，并盡量使風扇直徑與散熱器短邊相等，這樣通過散熱器的氣流分布最為均勻，散熱效果最好。

3 管路布置

管路應(yīng)沿水流方向適當上翹以去除系統(tǒng)中的空氣和蒸汽，盡量避免水平布置和呈凸形的管路，管路的彎角處或直徑變化處必須圓滑過渡。管路布置應(yīng)考慮各元件之間的相互運動，避免干涉磨損。長度在150 mm以下的膠管可直接安裝，而長度超過450 mm的膠管應(yīng)考慮支撐問題。對于中冷系統(tǒng)而言，管路越直越好，減少彎頭的處數(shù)。軟管部分不要安裝于氣流拐彎處以免脫落，彎折處應(yīng)用硬管。

4 出風口布置

如果叉車配重出風口太小，熱風不能及時排出而產(chǎn)生回流，會對叉車二次加熱，使冷卻系統(tǒng)過熱。所以盡量增大出風口。考慮到空氣流動阻力，應(yīng)將出風口設(shè)計為圓滑過渡，配重加強筋由橫置改為縱置。車架設(shè)計時也應(yīng)減少對氣流的阻擋。

5 水泵設(shè)計

如果水泵轉(zhuǎn)速過快則會縮短水泵使用壽命，所以在保證水泵進水管中的水流速不超過3 m/s的條件下，可以適當加大皮帶輪的直徑，這樣可以增加水泵排量。

6 除氣能力

內(nèi)燃叉車冷卻系統(tǒng)為閉式循環(huán)冷卻，水路中出現(xiàn)的氣體(空氣、蒸氣和漏入的燃氣)會對機件氧化腐蝕，對冷卻系統(tǒng)危害很大。大噸位叉車和非經(jīng)濟型高配叉車都設(shè)置有副水箱。根據(jù)經(jīng)驗，副水箱的體積應(yīng)為冷卻水總量的5%~8%，副水箱加水后應(yīng)留出副水箱體積的1/3~1/2做為膨脹空間。安裝時副水箱與散熱器的頂部高低差應(yīng)小于150 mm。

實例驗證：某廠生產(chǎn)的普通型10T液力內(nèi)燃平衡重式叉車選用玉柴Y C6B125-T20型發(fā)動機，額定功率92 kW,Eρ取0.25，Eε取0.95，由式1計算得到所需的散熱總面積29.7 m2,考慮到成本及整車空間布局初選鋁制管帶式30 m2散熱器，正面積系數(shù)選擇0.38，計算得0.35 m2，選擇近似正方形的598.5 mm×608 mm×90 mm的散熱器，風扇為發(fā)動機自帶風扇，護風罩選擇箱式，經(jīng)過合理設(shè)計布置管路及出風口等，反復(fù)調(diào)試后，銷售給用戶，用戶反映良好。

綜上所述，散熱器，風扇，護風罩，管路等的選擇與布置對冷卻系統(tǒng)發(fā)揮最大效能有著很大的影響，本文只提出合理化建議，設(shè)計人員遇到特殊訂單還需具體分析。內(nèi)燃叉車的冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計需要設(shè)計人員既從整體著眼，又從局部精確細化，整車設(shè)計完成后還需進行試制調(diào)試，不合理處及時整改，在不斷改進中設(shè)計出效果良好的冷卻系統(tǒng)，一個新型號車輛才能完全定型。

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1671-0711（2016）07（下）-0065-02