叉車(chē)風(fēng)扇的選型設(shè)計(jì)

文/ 李克忠 毛景松 李元松 鄭云華

一、機(jī)型、工況

本文選用杭叉5噸平衡重式叉車(chē)為案列機(jī)型，本機(jī)型配美國(guó)通用GM4.3液化石油氣及汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)定工況為連續(xù)滿負(fù)荷作業(yè)，允許的環(huán)境溫度最高為50℃，冷卻液超過(guò)110℃將開(kāi)鍋，發(fā)動(dòng)機(jī)功率P1=70kW，最大扭矩時(shí)功率P2=60kW，燃油消耗率b=340g/（kW·h）；LPG熱值H=46.13MJ/kg；發(fā)動(dòng)機(jī)傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比η=0.25；冷卻系統(tǒng)額定功率需散熱量Q1與最大扭矩處散熱量Q2為：

二、冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及風(fēng)扇型式選擇

叉車(chē)風(fēng)扇布置于整車(chē)后方，整車(chē)往前方行駛，為了有利于迎面風(fēng)的利用，冷卻風(fēng)扇一般選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便的軸流式吹風(fēng)扇，如下圖。綜合考慮散熱量及噪聲因素，叉車(chē)風(fēng)扇葉片建議使用低噪聲大風(fēng)量的鐮刀形葉片。

風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)圈的徑向間隙控制在10mm～15mm，最大不宜超過(guò)3%，否則將大大降低風(fēng)扇效率。風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)圈軸向關(guān)系上吹風(fēng)扇在護(hù)風(fēng)圈內(nèi)的寬度為1/3風(fēng)扇葉片寬度為宜，吸風(fēng)扇為在護(hù)風(fēng)圈內(nèi)寬度為2/3風(fēng)扇葉片寬度。

風(fēng)扇端面離散熱器芯子太近或者太遠(yuǎn)，會(huì)出現(xiàn)無(wú)風(fēng)區(qū)或者發(fā)生回流現(xiàn)象，一般要求風(fēng)扇端面至散熱器芯子端面為風(fēng)扇直徑的10%～15%。

三、風(fēng)扇參數(shù)

1.風(fēng)扇的外徑

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的原理，風(fēng)扇的流量與轉(zhuǎn)速成正比，消耗功率與轉(zhuǎn)速成三次方關(guān)系，風(fēng)扇的噪聲與轉(zhuǎn)速成對(duì)數(shù)關(guān)系，因此，從燃油經(jīng)濟(jì)性和降低噪聲考慮，應(yīng)增大風(fēng)扇的直徑，降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，一般情況推薦風(fēng)扇葉尖的圓周線速度在60m/s～76.2m/s之間。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇傳動(dòng)比及散熱器芯子的寬度和高度確定后，可以用上述推薦值來(lái)確定風(fēng)扇外徑，也可以通過(guò)調(diào)整風(fēng)扇傳動(dòng)比來(lái)匹配風(fēng)扇的外徑。

杭叉5噸平衡重式叉車(chē)：發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速w=2300r/min、曲軸與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速比η=1.05，水箱高度a=518mm，寬度b=528mm，葉頂間隙m=10mm，即可選擇風(fēng)扇直徑d：

得到風(fēng)扇直徑范圍為476mm≤d≤508mm。

2.風(fēng)扇的散熱量

叉車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率一般在70%左右，滿載加速行走時(shí)可達(dá)100%，并且常在最大扭矩點(diǎn)附近轉(zhuǎn)速工作，發(fā)熱量較大。因此選擇風(fēng)扇散熱量應(yīng)該把發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)與最大功率點(diǎn)兩個(gè)工況點(diǎn)都要考慮分析，散熱量數(shù)值需要通過(guò)風(fēng)扇的性能數(shù)據(jù)與散熱器的性能數(shù)據(jù)，通過(guò)匹配計(jì)算才能確定，具體方法如圖1。

風(fēng)扇的性能數(shù)據(jù)來(lái)源于風(fēng)扇的型式實(shí)驗(yàn)，目前專業(yè)風(fēng)扇廠家均可提供，將風(fēng)扇的性能數(shù)據(jù)與散熱器的性能數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖2。

圖1 叉車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2

圖2中，6條曲線分別為3個(gè)備用風(fēng)扇在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)與功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)的性能曲線，6條風(fēng)扇性能曲線與水箱風(fēng)阻-風(fēng)量曲線的交點(diǎn)為實(shí)際工作中的狀態(tài)。

散熱器的性能數(shù)據(jù)通過(guò)專門(mén)的風(fēng)洞測(cè)試獲取，以下為杭叉5噸平衡重式叉車(chē)散熱器數(shù)據(jù)（冷卻液與環(huán)境溫差60℃，水流量為120L/min）。

結(jié)合水箱性能數(shù)據(jù)，可得到每款風(fēng)扇的實(shí)際散熱量，如表2。

表1 散熱器數(shù)據(jù)

表2 風(fēng)扇實(shí)際使用散熱量

根據(jù)散熱要求，表2中風(fēng)扇1扭矩點(diǎn)風(fēng)量不足，散熱量未能滿足散熱要求，風(fēng)扇2，風(fēng)扇3基本符合要求。

表3 風(fēng)扇能耗與噪聲表

四、風(fēng)扇的耗能

風(fēng)扇的耗能與風(fēng)扇的風(fēng)速和靜壓成正比，因此保證換熱效率的條件下，盡量選擇風(fēng)扇的能耗更小的，根據(jù)上文提到風(fēng)扇2、風(fēng)扇3來(lái)比較，其相關(guān)參數(shù)如表3。

根據(jù)低能耗原則，選擇風(fēng)扇3。

五、結(jié)語(yǔ)

冷卻風(fēng)扇的選型設(shè)計(jì)恰當(dāng)與否，直接影響叉車(chē)的噪聲和散熱。本文通過(guò)對(duì)風(fēng)扇特征、參數(shù)、耗能以及與相關(guān)部件的配合等方面的分析，對(duì)叉車(chē)風(fēng)扇的選型設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

[1] 張翠平.495G叉車(chē)汽油機(jī)冷卻水流及風(fēng)扇的設(shè)計(jì)[J]，太原理工大學(xué)學(xué)報(bào).2000（2）：203～206.

[2] 于天齊.叉車(chē)內(nèi)燃機(jī)風(fēng)扇的改進(jìn)[J]，工程機(jī)械與維修.2002（7）：104.

[3] 王建超、侯光耀.應(yīng)用在液力傳動(dòng)叉車(chē)上的新型冷卻系統(tǒng)[J]，物理技術(shù)與應(yīng)用.2013（5）：113～115.

[4] 殷新鋒.叉車(chē)中冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]，硅谷.2011：52.

[5] 侯光耀.內(nèi)燃叉車(chē)空空中冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]，工程機(jī)械.2011（4）：37～39.