張少輝

(林德(中國)叉車有限公司,福建 廈門 361009)

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內燃叉車熱平衡系統匹配優(yōu)化及試驗

張少輝

(林德(中國)叉車有限公司,福建 廈門 361009)

針對某型號內燃叉車熱平衡溫度試驗結果偏高問題，利用經驗公式計算該型號叉車的散熱量，重新核算散熱器的散熱面積，優(yōu)化散熱器.同時對叉車結構進行分析，改善影響散熱效果的幾個因素：在叉車前板開進氣格柵，提高通過散熱器空氣的平均溫差；調整消聲器、催化器位置以減小風阻及熱影響；對發(fā)動機排氣管進行隔熱，隔絕熱源.將優(yōu)化后的散熱器及影響散熱效果的改善方案應用在叉車上并實車試驗.測試結果表明放行溫度達到設計要求.本文的優(yōu)化方案對叉車散熱系統優(yōu)化具有一定的參考價值.

內燃叉車；熱平衡；散熱系統；放行溫度

內燃叉車被廣泛應用于各個行業(yè)，其工作環(huán)境惡劣，作業(yè)強度大且超載狀況嚴重.頻繁超載容易導致發(fā)動機負荷大，引起水溫過熱，甚至“開鍋”.發(fā)動機水溫過熱使發(fā)動機功率下降，使用壽命和可靠性下降，動力性和經濟性變差.因此，內燃叉車冷卻系統必須具備良好的性能.目前，國內外有很多關于內燃叉車散熱系統優(yōu)化方面的研究，文獻[1]介紹了關于散熱量計算等經驗公式，這些經驗公式在散熱系統設計計算中具有關鍵的作用.文獻[2]闡述了散熱器散熱面積的計算方法，對內燃叉車散熱器散熱面積計算有一定的參考價值.當前的文獻資料大部分在做理論上的研究，缺乏實踐.本文針對某型號內燃叉車溫升偏高問題，根據文獻中介紹的對散熱系統散熱量計算的經驗及對散熱器散熱面積計算的經驗，重新對散熱系統及散熱器散熱面積進行分析計算，改善散熱器，優(yōu)化影響散熱效果的因素，并通過試驗驗證改善方案，為內燃叉車冷卻系統優(yōu)化提供解決方案.

1　熱平衡計算及分析

目前，國內叉車動力系統通常采用以下3種方式：一是內燃機；二是蓄電池—電機；三是上述兩種都具備的雙動力模式.叉車發(fā)動機大多是四沖程柴油機，采用閉式循環(huán)冷卻系統.為滿足散熱要求，在設計冷卻系統時，一般以發(fā)動機達到最大功率時的工況作為計算的依據.

1.1散熱系統散熱量

散熱量Qw是設計計算散熱系統的數據依據.由于發(fā)動機功率、壓縮比以及結構型式等因素的影響，精確地計算散熱量比較困難.因此，冷卻系統的散熱量一般采用經驗公式進行計算.

(1)

式(1)中：A為傳給散熱系統的熱量與燃料熱能的比值，一般情況下，柴油發(fā)動機A=0.18～0.25,可取A=0.25；ge為燃油消耗率,柴油發(fā)動機一般為0.23～0.3kg·(kW·h)-1,取ge=0.3 kg·(kW·h)-1；Pe為內燃機功率,發(fā)動機功率Pe=47 kW；hn為燃料低熱值,柴油為41.870J·kg-1.

把數據代入式(1)，計算得出Qw=41 kJ·s-1.可知，該冷卻系統應散發(fā)出去的熱量為41 kJ/s.

1.2冷卻水的循環(huán)量

計算出發(fā)動機散熱量后，可由熱平衡方程計算出冷卻水的循環(huán)量.

(2)

式(2)中：Δtw為冷卻水循環(huán)前后的溫差(6～12 ℃),可取Δtw=8 ℃；ρw為冷卻水的密度，ρw=1 000 kg·m-3；Cw為冷卻水的比熱，Cw=4.187 kJ·(kg·℃)-1.

把數據代入式(2)，計算得出冷卻水循環(huán)量Vw=1.23×10-3m3·s-1.

1.3冷卻空氣的需要量

根據冷卻系統的散熱量Qw計算冷卻空氣的需要量Va，公式[1]如下.

(3)

式(3)中：Δta為冷卻空氣進出散熱器前后的溫差，一般情況下，Δta=10～30 ℃，可取Δta=20 ℃；ρa為冷卻空氣的密度，ρa=1.01kg·m-3；Cpa為冷卻空氣的比熱，取Cpa=1.047kJ·(kg·℃)-1.

把數據代入式(3)，計算得出冷卻空氣循環(huán)量Va=1.94 m3·s-1.

1.4散熱器散熱面積的計算

散熱系統中最關鍵的散熱部件是散熱器，散熱器散熱性能的優(yōu)劣直接影響著冷卻效果.增加散熱器的散熱面積對散熱性能可起到積極的作用.由于叉車結構的限制，散熱器的尺寸一般無法較大改變.設計散熱器時，不僅要考慮外形尺寸，還要根據散熱器散熱片與冷卻空氣接觸的總表面積FS進行考慮.散熱面積可按如下公式(4)[3]估算.

(4)

式(4)中：Qw為散熱量，按式(1)計算的結果；φ為散熱器的儲備系數，由于水垢及油泥的影響，一般地，φ=1.1～1.5,取1.1；KS為散熱器的傳熱系數；Δt為散熱器中冷卻水的平均溫度與冷卻空氣的平均溫度的差值.

傳熱系數KS是冷卻系統中散熱器散熱效能重要的評價參數，傳熱系數越大，散熱效能越好.改善散熱效能可從影響傳熱系數的因素入手.影響傳熱系數的因素主要有散熱器的芯部結構和尺寸大小，管片材料的熱傳導特性及制造質量，水管中冷卻水的流速，冷卻空氣的流速等.傳熱系數可按公式(5)[4]計算.

(5)

式(5)中：αw為冷卻水散熱器壁之間的導熱系數，在冷卻水的流速為0.2～0.6m·s-1時，αw=8 368～14 644 kJ·(m2·h·℃)-1,可取14 644 kJ·(m2·h·℃)-1；λα為散熱器散熱管片導熱系數，純鋁材料的導熱系數為203.5 W·(m·℃)-1；δα為散熱器散熱管的壁厚，取0.2 mm；αL為從散熱器散熱管到空氣的散熱系數，當通過散熱器的空氣流速為10～20 m·s-1時，αL=251.04～439.32kJ·(m2·h·℃)-1，取440.0kJ·(m2·h·℃)-1.

把數據代入式(5)，計算得出散熱器的傳熱系數KS=426.47 kJ·(m2·h·℃)-1.

由于散熱器不同部位的溫度不同，冷卻水與冷卻空氣溫差也不同，故一般情況下采用平均溫差[3]，即

(6)

式(6)中：ts1為散熱器進水溫度，取90 ℃(節(jié)溫器的開啟溫度一般為90 ℃)；ts2為散熱管出水溫度，取82 ℃(根據熱平衡試驗結果取平均值)；tk1為空氣進入散熱器時的溫度，取32 ℃(由于散熱器在叉車尾部，進散熱器的風在機艙中經過發(fā)動機加熱，且夏天氣溫較高，因此取空氣進入散熱器的溫度為32 ℃)；tk2為空氣離開散熱器時的溫度，取52 ℃.

汽車冷卻系的沸騰風溫數值可分為輕型冷卻系(沸騰風溫為32 ℃),標準型冷卻系(沸騰風溫為40 ℃)和加強型冷卻系(沸騰風溫為52 ℃).由于叉車使用中工況惡劣且頻繁超載，另外受到散熱器后置等因素影響，需采用加強型冷卻系，溫度取52 ℃.把數據代入式(6)中，計算得出平均溫差Δt=44 ℃.

把式(1)(5)(6)的計算結果代入式(4)進行計算，得出FS=8.65m2.由此可知，散熱器的散熱面積必須大于等于8.65m2才能滿足散熱要求.

1.5冷卻風扇的選擇

該型號內燃叉車冷卻風扇為固定傳動比風扇，風扇散風量Vf可由如下公式(7)[5]計算.

(7)

式(7)中：Va為冷卻空氣的需要量，根據式(3)的計算結果；η為冷卻風扇的容積率，由冷卻風扇與導風罩之間的間隙決定，可取η=0.7～0.9.

由于散熱器散熱面積的增加，外形尺寸相應地擴大，風扇及導風罩直徑需要相應地增大.根據散風量、風壓要求及風扇的性能曲線選擇合適的風扇.

1.6冷卻水泵

由于冷卻水泵與發(fā)動機一起由發(fā)動機供應商提供，更換難度較大，本次優(yōu)化暫時不對水泵進行更改.

2　優(yōu)化方案

根據熱平衡計算結果及對整車結構布置重新分析，該型號叉車散熱系統優(yōu)化方案從以下幾方面進行.2.1增加散熱面積

該型號叉車散熱器為管帶式型式，其散熱面積由散熱帶散熱面積和散熱管散熱面積組成[2].散熱器結構分為上中下三部分，上部分為冷卻水散熱部分，中部分為傳動油散熱部分，下部分為驅動橋齒輪油散熱部分.散熱器芯部結構采用管帶式結構，如圖1所示.冷卻水散熱部分有22個冷卻通道，傳動油有4個冷卻通道，齒輪油有4個冷卻通道.

散熱器的芯高H=290mm,芯寬W=580mm,芯厚T=65mm,散熱帶數量m，熱邊散熱管數量n.每片散熱帶有效散熱面積(雙面)為

(8)

單個散熱管散熱面積為

(9)

散熱器的總散熱面積為

S=mS1+nS2.

(10)

把數據代入式(8)～(10)，計算得出水冷部分散熱總面積S=8.22 m2,比要求的8.65 m2略小.因此，該散熱器的散熱面積不足，需要增加散熱面積.由需要的散熱面積8.65 m2推算出m，n的最小值為24.由改進前的熱平衡測試數據可以看出，散熱器齒輪油的冷卻部分效果較好，可減少齒輪油冷卻部分的散熱面積，增大冷卻水部分的散熱面積.同時，從叉車結構上考慮，可以在允許的范圍內適當增加H的值.改進后的散熱器冷卻水部分可增加至25個通道，傳動油冷卻通道不變，為4通道，齒輪油冷卻通道減少為3通道.新散熱器冷卻水部分散熱面積為9.34 m2，滿足散熱系統對散熱器散熱面積的要求.

2.2改善進散熱器的空氣質量

a.選擇合適的風扇，讓風扇的風能吹到散熱器更多的有效面積.重新設計導風罩提高風扇容積率.

b.提高進散熱器前后空氣的溫差：對散熱器周圍間隙進行密封，間隙較大的采用熱氣隔板隔絕(如圖2所示)，防止散熱器尾部熱氣回流.同時把叉車前板改成進氣格柵，使機艙外冷的空氣更容易進入機艙.

2.3減少出風阻力，減少排氣管的熱影響

a.調整催化器及消聲器位置，使之盡量遠離散熱器，減輕吹出去的熱氣受到催化器及消聲器的阻擋.盡可能讓消聲器及催化器遠離散熱器水冷卻部分，減少熱源對散熱器的影響.

b.排氣管利用隔熱棉隔絕，減少熱影響，如圖3所示.

3　實車試驗

將優(yōu)化方案逐一分別應用到叉車上并進行實車試驗.每個方案對發(fā)動機熱平衡系統都能起到積極的作用.單一的優(yōu)化方案雖能改善散熱效果，但是未能達到目標.因此，對單一的優(yōu)化方案不做詳細的闡述.

將所有的優(yōu)化方案及重新設計的散熱裝置應用到叉車上，根據平衡重式叉車整機試驗方法[6]要求對叉車進行熱平衡測試.強制打開發(fā)動機節(jié)溫器，使冷卻水經過大循環(huán)即散熱器循環(huán).

熱平衡測試采用NiCr-Ni-熱電偶/熱傳感器及德國Ahlborn品牌的ALMEMO 2890-9溫度數據采集設備.熱電偶傳感器分別布置在散熱器的進出水口、進出油口、散熱器進出空氣的兩側、發(fā)動機油底殼內部、液壓郵箱內部，監(jiān)測并記錄環(huán)境溫度的變化.按JB/T 3300要求的循環(huán)路線以最大的工作強度運行叉車，使叉車接近極限工況.觀察溫度變化，在溫度平衡后結束試驗.

為更好地對測量數據進行對比，將溫度換算成放行溫度.放行溫度可按照以下公式計算.

(11)

式(11)中：Tr為放行溫度；Ta為允許溫度；Tm為最大測試溫度；Te為環(huán)境溫度.

最大的允許溫度由發(fā)動機、散熱器及相應管路技術要求決定.最大測試溫度為散熱器進口最大的溫度.環(huán)境溫度測試時應避免將熱電偶傳感器暴露在陽光下.放行溫度表示該叉車可在不超過該溫度下的環(huán)境使用.

表1 散熱系統優(yōu)化前后試驗數據對比Table1 Testresultsofradiatorbeforeandafteroptimization單位:℃優(yōu)化前優(yōu)化后發(fā)動機水溫4654傳動油溫度5856齒輪油溫度6257

散熱系統優(yōu)化前后試驗數據如表1所示.由表1的測試結果可知，改進前后發(fā)動機水溫放行溫度由46 ℃提升到54 ℃，提高了8 ℃,有了很大的改善，達到了發(fā)動機廠家不低于49 ℃的要求.傳動油放行溫度比改進前降低了2 ℃，這主要是由于消聲器及催化器位置的調整對散熱器產生熱影響造成.齒輪油放行溫度下降了5 ℃，是由于散熱面積減少造成的.散熱通道數由原來的4通道減少為3通道.從試驗的結果看，該優(yōu)化方案使發(fā)動機水溫有了很大的改善，雖然傳動油及齒輪油放行溫度有輕微的變差，但仍能滿足要求.

4　結語

基于工程實例中遇到的內燃叉車溫升偏高問題，利用現有針對散熱系統的理論研究及計算方法，對內燃叉車散熱系統重新分析計算，優(yōu)化了散熱器及影響散熱效果的幾個因素.通過試驗驗證改善方案，有效地解決了內燃叉車溫升偏高的問題，對改善內燃叉車散熱系統的工程實踐具有一定的參考意義.

[1]姚仲鵬，王新國.車輛冷卻傳熱[M].北京：北京理工大學出版社，2001：99-100.

[2]黃新明,華文林.汽車發(fā)動機散熱器散熱面積的計算[J].黃石高等?？茖W校學報,2004,20(4):37-39.

[3]焦高榮.防爆膠輪車柴油發(fā)動機散熱器的設計[J].煤炭技術,2007,26(5):12-13.

[4]李余峰.車用管帶式鋁釬焊散熱器換熱特性研究[D].北京：北京航空航天大學,2003：6.

[5]張杰.簡述發(fā)動機冷卻系統設計及散熱量的計算[J].裝備制造技術,2004(2):42.

[6]平衡重式叉車整機試驗方法：JB/T 3300—2010[S].北京：機械工業(yè)出版社出版，2010：18.

(責任編輯李寧)

Heat Balance System Optimization for an Internal Combustion Forklift Truck

ZHANG Shaohui

(Linde (China) Forklift Truck,Xiamen 361009,China)

To reduce the high temperature in tests of a type of forklift truck,empirical formula was used to calculate the heat and radiator area, and radiator improved.Causation analysis and optimization includes the following: change of the front plate to the mesh plate to improve the mean temperature difference of coolant air through the radiator,optimized layout of muffler and catalyst to reduce coolant air drag and heat influence,insulation for engine exhaust pipe,and finally the field truck test with the optimized radiator and improved solution.The test results meet the design requirement and the solution has a certain value for the forklift truck cooling system optimization.

internal combustion forklift truck;heat balance;cooling system;release temperature

2015-12-10

2016-04-22

張少輝(1981-)，男，工程師，研究方向為工業(yè)車輛測試.E-mail:shaohui.zhang@linde-china.com

U464.238

A

1673-4432(2016)03-0012-05