淺談內燃叉車冷卻系統匹配設計

董明軍（機械科學研究院軍用改裝車試驗場，北京 102100）

淺談內燃叉車冷卻系統匹配設計

董明軍
（機械科學研究院軍用改裝車試驗場，北京 102100）

本文介紹了內燃叉車冷卻系統的匹配設計要點，為技術人員設計冷卻系統提供合理化建議和參考。關鍵詞：內燃叉車；冷卻系統；散熱器；風扇

內燃叉車的冷卻系統是整車平穩安全工作的基本保障系統，冷卻系統的匹配設計是一個系統工程，目前行業中仍有部分設計人員對冷卻系統設計不太重視，在夏季或叉車的工作環境惡劣時，其設計的叉車極易發生“開鍋”現象，輕則停車影響工作進度，重則引起車輛人員損傷，所以相關設計人員必須給予足夠的重視。良好的冷卻系統設計應滿足以下要求：（1）散熱能力滿足發動機在各種工況下運轉需要，當工況環境變化時，仍能保證發動機可靠工作，維持發動機最佳工作溫度。（2）噪聲在可接受范圍內。（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。冷卻系統的設計要統籌考慮散熱器、風扇、護風罩、管路、水泵以及出風口的設計選型及布置等。

1 散熱器的設計選型及布置

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

式中：P——發動機額定功率，kW；

可用計算結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盡可能增大散熱器的正面積，減少芯子厚度。由經驗推薦，發動機額定功率每100 kW的散熱器芯子正面積（即正面積系數）應在0.38~0.50 m2之間，所以安裝空間根據客戶使用的環境（如熱帶、沙漠環境等）在這范圍內選定或協調，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構，市場上主要分為兩種：管帶式和管片式，結構如圖1所示。

圖1 散熱器結構

管片式的芯子結構強度好，剛度強，廣泛應用于工程機械上。管帶式的結構剛度雖不如管片式，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：銅質和鋁質。銅質散熱器成本高但強度高，散熱性好，便于維修。鋁質散熱器成本低，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、結構強度高，散熱性能好等實際要求，叉車行業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。選好散熱器的結構后應考慮散熱器的布置。

一般中小噸位叉車油散熱器建議在水室內置，而隨著增壓中冷發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，以解決串聯散熱器風阻大，容易堵塞，不易清潔保養的弊病，提升散熱能力。叉車散熱器多選擇四點懸置，應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，低轉速，大直徑的風扇的冷卻效果明顯優于高轉速，小直徑的風扇，還可降低噪音，所以應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)或選用環形風扇，可適當降低風扇高速旋轉時的噪音。必要時可采用增加葉片數目、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

管路應沿水流方向適當上翹以去除系統中的空氣和蒸汽，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的膠管應考慮支撐問題。對于中冷系統而言，管路越直越好，減少彎頭的處數。軟管部分不要安裝于氣流拐彎處以免脫落，彎折處應用硬管。

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生回流，會對叉車二次加熱，使冷卻系統過熱。所以盡量增大出風口。考慮到空氣流動阻力，應將出風口設計為圓滑過渡，配重加強筋由橫置改為縱置。車架設計時也應減少對氣流的阻擋。

5 水泵設計

如果水泵轉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

內燃叉車冷卻系統為閉式循環冷卻，水路中出現的氣體(空氣、蒸氣和漏入的燃氣)會對機件氧化腐蝕，對冷卻系統危害很大。大噸位叉車和非經濟型高配叉車都設置有副水箱。根據經驗，副水箱的體積應為冷卻水總量的5%~8%，副水箱加水后應留出副水箱體積的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小于150 mm。

實例驗證：某廠生產的普通型10T液力內燃平衡重式叉車選用玉柴Y C6B125-T20型發動機，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，風扇為發動機自帶風扇，護風罩選擇箱式，經過合理設計布置管路及出風口等，反復調試后，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發揮最大效能有著很大的影響，本文只提出合理化建議，設計人員遇到特殊訂單還需具體分析。內燃叉車的冷卻系統匹配設計需要設計人員既從整體著眼，又從局部精確細化，整車設計完成后還需進行試制調試，不合理處及時整改，在不斷改進中設計出效果良好的冷卻系統，一個新型號車輛才能完全定型。

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1671-0711（2016）07（下）-0065-02