關于LT1055起重機發動機高溫問題解決方案的研究

李志國

摘? 要：從LT1055起重機發動機水溫超高問題出發，對發動機高溫問題從車輛使用和維修技術角度進行了探討分析，引起發動機高溫的原因是多方面的，有自然因素，有操作因素、有維修因素，面對如此復雜的系統工程，本文從理論方面進行了系統闡述、并在試驗運行過程中的關鍵步驟如核心數據進行了重點說明，提出了較為適用、合理、有效的方案，并最終取得良好效果。

關鍵詞：起重機? 發動機? 高溫? 散熱器? 風扇? 冷卻液。

中圖分類號：TU607? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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起重機在準能公司黑岱溝露天煤礦（以下簡稱“黑岱溝露天煤礦”）的使用維修情況

LT1055起重機是由四川長江工程起重機有限責任公司生產，2007年準能公司設備維修中心購入，共3臺，日常使用維護保養由準能公司設備維修中心整備車間負責。該型號起重機上車起重系統和下車行走系統分別采用獨立的發動機動力系統。上車發動機選用132kW/2200r/min的康明斯6BTA5.9-C180柴油發動機;下車發動機使用的是維柴WP10.336發動機，該發動機為直列6缸、水冷式，（176kW/2500r/min）柴油發動機。

這3臺LT1055起重機在新投運的前幾年整車狀況還算正常，但在后期的使用中，每到夏季環境氣溫達到20℃以上的時候，車輛進行大長坡道的爬坡運行時就總會出現高溫熄火車輛自動保護動作的現象。黑岱溝露天煤礦位于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗境內，屬溫帶大陸性氣候，夏季干旱炎熱、氣溫一般在20～30℃之間。作為年生產能力3400萬t的大型露天煤礦，卡車、電鏟24h不間斷工作，隨之配套的的起重設備調配頻繁，出動率要求較高，必須在90%以上，出入采掘區域和大坡道行駛是常態，由于高溫故障頻發，導致該類型車輛一到夏季就很難保證正常的作業調配了。

1? 發動機高溫故障的成因分析

總體來說，內燃機的發明和使用改變了人們的生活方式，引發了能源革命的轉型，為汽車、火車、輪船提供了動力來源，也為人類社會的高速發展做出了極大的貢獻。在內燃機發明后的一百年里人類社會歷經了工業大革命，機械化程度飛速發展、上天入地的神話變為了現實。但是隨著工業化的不斷發展隨之而來的能源問題、污染問題也日趨突現。最初的內燃機雖然實現了能源的自動轉化，可是能源利用效率卻不高的，據資料顯示至20世紀末我們大量的內燃機的燃料能量有效利用率還大多停留在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熱能的直接浪費。眾所周知內燃機是依靠燃料在燃燒室內快速燃燒把燃料中的化學能變成熱能的，熱能使氣體瞬間膨脹爆發推動活塞移動，才形成了運動所需要的機械能，被人類利用。其中的燃燒是能源從化學能量轉變成機械能必須的重要過程，但目前并不能完全地利用這份燃燒所產生的能量，大量無法利用的剩余熱能只能積蓄在內燃機里，成為了內燃機繼續正常運行的最大障礙。這些剩余的熱能造成機器的紅熱，改變結構機理，破壞運行環境甚至是機體的徹底瓦解報廢。為此人們設計了將這些剩余熱能的導出機構，這就是發動機的散熱冷卻系統。

從車輛使用的角度出發，車輛發動機出現高溫現象解決排除時一般考慮的不外乎就是以下幾點：（1）缺水引發高溫。長時間的微量滲漏或是溢流蒸發一般是不會引起使用者的注意，但經過較長時間的積攢到最后某一天就會發生缺水報警甚至是引發高溫停機。這種情況比較常見，所以在對待發動機高溫情況時，人們第一做法就是檢查冷卻液水位，通過補充冷卻液就可以解決問題了;（2）超載引發高溫。偶然遇到長時間、大負荷連續高速運行的條件下，突發發動機高溫，這種情況出現對于故障的判斷一般比較容易，即使不懂維修的人都會覺得是不是“累著了，讓機器歇緩歇緩”，短暫的停機后故障一般也就會自然消失了。類似的故障還有就是一些時候由于某些特殊情況或是人為的原因使車輛長時間低檔大油門運行，這種時候也必然會出現發動機高溫現象;（3）環境溫度高而引發發動機高溫。這類情況一般多見于炎熱的夏季或是一些室內使用的發動機，由于環境溫度過高、通風不良造成散熱不足引發發動機高溫;（4）高原地帶高海拔造成的低溫時的假“開鍋”和冷卻液膨脹脹溢出;（5）冷卻液質量不符合要求，沸點不達標造成的低溫沸騰。一般情況下要求冷卻液在一個標準大氣壓時的沸騰點在104℃左右。當加入到發動機的冷卻系統里面時，由于散熱器蒸氣閥的加壓作用其使用的沸騰點應該在110℃左右。

以上情況是較常見的發動機高溫現象，后兩項受地理因素和產品質量元素影響較大，前三項雖然常見但不屬于故障，無需進行專門的維修處理，加強司機的車輛使用技能學習，提高車輛的點檢和日常維護就可以避免了。

從維修技術的角度看有以下幾種情況比較多常見。（1）散熱器堵塞。散熱器堵塞分內部堵塞和外面堵塞兩種情況。散熱器最多見就是中空、多通道的柵格式熱交換器。多通道的散熱柵格管內通徑較小很容易被水垢或是沉積的雜物堵塞造成冷卻液過流減少、散熱不足而引起高溫。另外為了兼顧體積和散熱效果，一般的散熱器在選材和結構上都是比較輕、薄的。為了增大散熱表面積，柵格兩側幾乎全部采用窩孔狀松散折疊的輕質金屬散熱片來填充并增加散熱面積。這個片很薄、很軟，輕微的機械刮蹭就會造成眾多的窩孔損壞，甚至高壓水槍的強力沖洗也可能會所向披靡地造成大面積窩孔損傷封閉，使散熱器喪失大量的散熱通風孔目。

（2）循環水泵故障造成高溫。發動機循環水泵故障必然會造成冷卻液循環量的減少或是停止，冷卻液循環的停止也就意味著對外熱交換的停止。

（3）傳感器故障也可能造成發動機高溫。傳感器的故障造成溫度報告錯誤或是散熱溫控開關打開不及時。溫控開關是設定發動機冷卻系統強制散熱的關鍵，溫度上升到應該開啟散熱的時候還不能啟動散熱功能，后果自然就是高溫無疑了。

（4）散熱器蒸氣閥故障。蒸氣閥一般是設置在散熱器注水口蓋上的一個蒸氣壓力溢流開啟閥。蒸氣閥的作用在于提高冷卻液的沸點、降低冷卻液的蒸發量，避免冷卻液頻繁的蒸發損耗。當蒸氣閥開啟壓力不足時，冷卻液就會提前沸騰，沸騰產生蒸氣引發壓力溢流并損失大量的冷卻液，冷卻液不足又會再次加劇高溫的發生。

（5）節溫器故障。節溫器其實就是一個溫控散熱開關，當機體內水溫較低時，機體內的冷卻液就只是在內部循環，當溫度上升（一般是82℃開啟）時，節溫器開啟，冷卻液進入通往外部的散熱器而進行強制散熱。當節溫器因故障在高溫時不能開啟強制散熱通道時，高溫就在所難免了。

（6）冷卻系統內水垢較多。發動機氣缸內頻繁的燃燒和做功使得這里自然成為了溫度最集中的地方，如果這里多余的熱量不能及時被帶走，那么氣缸被燒到紅熱的狀態也就是一小會兒的事了。而這些熱量完全是依靠流經它表面的冷卻液帶走的，所以在氣缸表面與冷卻液的熱交換和交換效率就是一個很重要的問題了。由于熾熱的氣缸體表面常常會引發一些化學或是物理的反應，總會造成一些化合物的沉積，這種沉積最多的就是水垢。據資料顯示：每1mm的水垢隔熱程度相當于15cm鋼板的隔熱能力。可見水垢對散熱能力的影響之大。其實水垢不僅在氣缸體表面沉積，它也會在循環管道和散熱內大量沉積，這其實也就是好多老舊發動機散熱能力不足和高溫的重要成因之一。

（7）發動機氣缸壁穴蝕開孔、氣缸墊損壞造成發動機內的高溫壓縮氣體進入冷卻系統造成冷機時的沸騰。

2? 分析解決問題的思路和過程

這三臺吊車最初出現這類故障的時候，我們還是按照偶然故障進行處理，先后多次經歷了檢查補充冷卻液、降低載荷、清洗散熱器內外、更換散熱器、水泵及節溫器等部件等工作，但還是未能解決問題，最后委托專業技術人員也未能解決這個高溫問題。

后來我們在發動機發生高溫但還在運行中的時候，用紅外測溫槍分別檢測了散熱器上下水室的溫度：上水室達94℃，下水室約是84℃左右。散熱溫度差接近10℃，這說明循環冷卻的功能和運行方面是沒有問題的，那么就只是散熱能力不足的問題了。如何加強散熱器的散熱能力？最容易想到的就是加強涼爽氣體的流通或是加大散面積。加大散熱面積，想法是沒問題的，可是從種種條件制約來說就不太現實了，因為散熱器已是客觀的存在，而且受發動機機倉空間的限制要想改換大體積的散熱器很難做到，而且還得同時考慮解決風扇、風罩、水管布局、風扇皮帶等等一系列的空間問題，難度較大不易實現。那么想辦法加大空氣流通，降低機倉溫度就成了最可行的解決方案。我們首先想到的就是揭掉活動部分的機倉罩蓋，使稠熱的高溫氣體迅速離開機體，可是一番試驗下來發現問題根本沒那么簡單，這樣發動機溫度似乎上升的更快了！原來發動機機倉從前的進氣格柵、散熱器、風扇、發動機、變速箱的整體布局在設計上就是一個散熱風道，看似影響散熱的機倉和罩蓋其實都是導風散熱系統的一部分。這樣人為地拿掉一部分罩蓋就是直接破壞了后面的散熱氣流流向，使后面的機體失去了原來設計中的散熱氣流。這個分析結論使我們只能從不改變結構單從增大冷卻氣流方面想辦法了，于是我們把目光轉向了散熱風扇。經過研究得出兩種方案：（1）提高風扇轉速。通過減小風扇驅動帶輪直徑提高傳動比的辦法，增加風扇轉速、增大氣流流通量。但是很快這個方案就被迫放棄了。因為皮帶和帶輪的尺寸都是系列化和標準化的。在網上幾乎沒找到預想尺寸的帶輪和皮帶，而且考慮這樣的情況下風扇皮帶輪的皮帶包角過小，增大功率傳輸動力勢必會造成皮帶打滑;（2）更換在同轉速的情況能提供更大氣流的風扇。設想的是能換用葉片數量更多，葉片扭轉角度更大的風扇來增加風扇的風流量，從而形成更好的散熱效能。后來經過咨詢有關專家得知，是有某些發動機在設計時為了適應寒冷地帶和高熱地帶而設計有若干種有可選配的不同風量的風扇。通過渠道我們也如愿尋得了結構尺寸相近，風扇葉片扭轉角度不同，而且風扇的葉片外徑封閉自帶導風功能的環形風扇——引風增強型風扇，及與之配套的簾式導風罩。

通過閱讀風扇說明書上的參數和查閱有關資料上風扇風量的計算方法，我們進行了如下的比對和計算。

兩種風扇的工作參數分別是：

原發動機配置的風扇? ? ? ? 改用的引風增強型風扇

葉片外徑D1=610mm? ? ? ? ? ? 葉片外徑D2=620mm

葉片小徑d1=240mm? ? ? ? ? ? ?葉片小徑d2=230mm

葉片寬B=120mm? ? ? ? ? ? ? 葉片寬B=120mm

葉片數量：10? ? ? ? ? ? ? ? ? ?葉片數量：10

通過風扇引風量公式計算：

Q=π/4（D2-d2）CaKHQN

式中：Ca——空氣流速和葉片寬度基本呈正線性關系;

K——為引風量和葉片數量的關系系數;

該系數一般為實地測定，與風扇結構、流量、壓力等許多因素相關。經過查閱相關資料，寒冷地帶選用型的風扇取K1=0.75;引風增強型的風扇取K2=0.9。

H為壓力系數;Q為流量系數;N為功率系數。

因為風扇結構特點相同，所以兩種扇葉的上述數值相同。將有關數值代入公式。則引風增強型的風扇引風量和原發動機選用型的風扇理論引風量之間的比例關系：

Q2=π/4（D22-d22）Ca2K2H2Q2N2

Q1=π/4（D12-d12）Ca1K1H1Q1N1

則：=125%。

Q2-Q1=25%

從這里的理論計算來看，選用熱帶型的風扇，引風量理論上將會增加約25%，但是由于這里沒計風扇扇葉變長后驅動阻力增加引起的皮帶傳動可能出現的打滑以及其他不周全因素的影響，再將新風扇的引風量作適量的減值估算，將取值由計算結果的25%下調到15%～20%應該更合理、更接近真實情況。

風扇葉片變長前后兩種風扇扇葉掃風面積差是：

S2-S1=π/4（D22-d22）-π/4（D12-d12）=14.3%

從以上的計算說明結果可以看出，改造后的風扇引風量增加了約15%～20%， 散熱器過風面積增加了14.3%。

改裝完成后我們在30℃左右的氣溫條件下進行了多次持續大長坡的爬坡實驗，行車中水溫表針始終穩定在綠色區域之內。用手持式紅處線測溫槍對散熱器上下水室的檢測溫度也分別穩定在92℃和80℃附近，溫度差一直處在12℃以上的期望值范圍，散熱能力得到了明顯改善。發動機運行穩定、動力輸出正常。

3? 結語

這3臺車均全部按該方案進行了改造，從完成改造并投入使用到現在，經歷了近兩個月夏季氣溫下的考驗，發動機的溫度狀況一直處于正常狀態，為同類型內燃式起重機相同或相似故障提供了參考，為解決高溫問題進行了有益嘗試探索。隨著控制技術的發展以及發動機技術的不斷改進，發動機各系統也已經過了深層次、多方位、對角度的優化和提高，如目前一部分起重機的發動機冷卻系統采用電氣自動反饋控制冷卻散熱系統，發動機各處的溫度傳感器監測到的信號通過電腦分析處理并指令冷卻系統進行不同程度的冷卻，使發動機溫度保持在經濟合理的最佳狀態，既節約能耗又提高效率。

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