自行式高空作業(yè)車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計

張延召 劉立霞

摘要：自行式高空作業(yè)車是工程機(jī)械領(lǐng)域的一個重要分支，其工作特點(diǎn)是將操作人員運(yùn)送到一定高度，為其進(jìn)行高空作業(yè)提供便利，因此對作業(yè)安全性和可靠性要求尤為嚴(yán)格。發(fā)動機(jī)作為高空車的動力心臟，對其可靠性更是有不可忽視的影響。而發(fā)動機(jī)的故障中有70%是源自于冷卻系統(tǒng)。因此，一個良好的冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案，就是對整個高空作業(yè)車可靠性和質(zhì)量穩(wěn)定性的有利保障。本文介紹了一款典型的26米自行式高空作業(yè)車的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中水箱和風(fēng)扇這兩項(xiàng)重要因素的計算和選型。

關(guān)鍵詞：自行式高空作業(yè)車;冷卻系統(tǒng);散熱面積;水箱;風(fēng)扇

中圖分類號：TU69? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0001-03

0? 引言

自行式高空作業(yè)車作為工程機(jī)械領(lǐng)域的一個重要分支，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用在船舶、建筑、市政建設(shè)、消防、港口貨運(yùn)等行業(yè)，是新興的技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

本文介紹的26米高空作業(yè)車是依托航天科技平臺，綜合對比國內(nèi)外同類產(chǎn)品，消化吸收后自主研發(fā)的自行式高空作業(yè)車。其最大平臺高度26.2m，高速行走速度4.8km/h，低速行走速度1.1km/h，最大載重350kg，動力60kW。選用美國康明斯B3.3T-C80柴油發(fā)動機(jī)。

由于發(fā)動機(jī)供貨狀態(tài)為裸機(jī)，所以水箱，風(fēng)扇等外圍配套附件需主機(jī)廠自行匹配。

1? 水箱散熱能力計算

1.1 發(fā)動機(jī)散熱功率

額定功率時? 35kW——康明斯公司提供

最大扭矩時? 28.2kW——康明斯公司提供

由表1數(shù)據(jù)可知，只要冷卻系統(tǒng)滿足額定功率時的散熱要求，就滿足能發(fā)動機(jī)在正常工況下的使用要求。

1.2 散熱面積計算

水箱的散熱面積：

F=

β——散熱面積儲備系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值，一般取1.1～1.15。

Qw——發(fā)動機(jī)散熱量，現(xiàn)有發(fā)動機(jī)最大功率時Qw=35kW，最大扭矩時Qw=28.2kW。

ΔT——平均溫差。

Kr——傳熱系數(shù)。

傳熱系數(shù)是評價水箱換熱效能的重要參數(shù)，其主要受水箱芯部結(jié)構(gòu)，水管中冷卻水的流速，通過水箱的空氣流速、管片材料以及制造質(zhì)量（特別是焊接質(zhì)量）等諸多因素的影響，因此需根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，一般銅制管帶式水箱可取Kr=0.093～0.116kW/（m2.K）。此處取 Kr=0.096kW/（m2.K）。

1.2.1 計算平均溫差

①水箱進(jìn)水溫度ts1。

閉式冷卻系統(tǒng)可取 ts1=95～100℃。此處選ts1=95℃（節(jié)溫器全開溫度）。

②水箱出水溫度 ts2。

ts2=ts1-Δts

Δts——冷卻液在水箱中的最大溫降。

最大功率工況：Δts1===5.6℃

最大扭矩工況：Δts2===13.5℃

③進(jìn)入水箱的空氣溫度tk1。

根據(jù)設(shè)備使用環(huán)境要求，一般取 tk1=40～46℃。高空作業(yè)車的設(shè)計最高使用環(huán)境為46℃，故此處選tk1=46℃。

④流出水箱的空氣溫度 tk2。

tk2=tk1+Δtk

式中：Δtk——空氣流過水箱的溫升，可按下式進(jìn)行計算：

式中：Q——發(fā)動機(jī)散熱量，35kW;

AZ——水箱芯部的正面面積（迎風(fēng)面積）。一般選 0.31～0.37m2/100kW。

現(xiàn)有發(fā)動機(jī)為60kW（80hp）取? AZ=0.35×60/100=0.21m2。

CP——空氣比熱容， CP=1.005kJ/kg.℃ =0.24 kcal/kg.℃。

VK——水箱前的空氣流速。最大功率取 VK=5m/s，最大扭矩取VK=4m/s。高空作業(yè)車屬于低速車輛，故空氣與車輛的相對運(yùn)動速度可忽略不計。

ρK——空氣密度。設(shè)在一個大氣壓下，氣溫50℃，ρK=1.093kg/m3。

最大功率工況：℃

最大扭矩工況：℃

得到tk2=tk1+Δtk=46+30.3=76.3℃

t′k2=tk1+Δtk=46+30.6=76.6℃

⑤平均溫差修正系數(shù)ψ。

發(fā)動機(jī)的冷卻形式，屬于兩種流體（空氣和冷卻液）互不混合的交叉流式換熱形式。與熱力學(xué)的簡單順流與逆流的換熱形式不同，所以要以修正系數(shù)ψ對平均溫差結(jié)果進(jìn)行計算修正。而ψ值的大小取決于兩個無量綱的參數(shù)P及R。

P=? ? ? ?R=

式中，下標(biāo)1，2分別表示兩種流體，此處即為冷卻液和空氣。上標(biāo)“'”及“"”表示進(jìn)口和出口。

最大功率工況：

t=ts1=95℃，t=ts2=89.4℃，

t= tk1=46℃，t=tk2=76.3℃

代入得? P=0.62? ?R=0.18

查圖1 得ψ=0.98

最大扭矩工況：

代入得 P=0.69? R=0.18

查圖1 得ψ=0.99

⑥平均溫差ΔT。

根據(jù)傳熱學(xué)原理，平均溫差ΔT可按下式計算：

ΔT=ψ

最大功率工況：

Δtmax=ts1-tk1=95-46=49℃

Δtmin=ts2-tk2=89.4-76.3=13.1℃

最大扭矩工況：

Δtmax=ts1-tk1=95-46=49℃

Δtmin=ts2-tk2=81.5-76.6=4.9℃

代入公式可得：

ΔT1=0.9826.7℃

ΔT2=0.99×=19℃

1.2.2 計算散熱面積

最大功率工況：

F=？茁·=1.15×=15.7 m2

最大扭矩工況：

F=？茁·=1.15×=17.8 m2

二者取最大值，理論散熱面積為17.8m2。

1.3 水箱實(shí)際散熱面積選擇

根據(jù)計算結(jié)果選擇水箱廠家水箱型號：

CZTM-26-00

水箱芯部有效尺寸為 485×600×70mm，散熱面積 20 m2，滿足發(fā)動機(jī)散熱要求。

2? 風(fēng)扇散熱能力計算

2.1 額定工況下空氣流量計算

Va=

式中：ρa(bǔ)——27℃時空氣密度，ρa(bǔ)=1.1774kg/m3;

Cp——27℃時空氣比熱容，Cp=1.005 kJ/kg.K;

ΔTa——空氣進(jìn)入水箱的前后溫差ΔTa=Δtk=23℃。

假定散熱總量全部是由水箱散出，則：

Va=1.28m3/s=2707CFM

查風(fēng)扇曲線（圖2）得：

風(fēng)扇消耗功率? 5.5 kW

風(fēng)壓? ? ? ? ? 0.9Kpa

復(fù)核水箱正面空氣流速：

V=Va/FR

FR——水箱正面面積，現(xiàn)有水箱為0.485×0.6=0.29m2。

V=1.28/0.29=4.4m/s≈VK=5m/s與估算值相符，計算結(jié)果可用。

2.2 風(fēng)扇外徑D

按照總布置的要求和水箱芯子尺寸，風(fēng)扇外徑掃過面積應(yīng)占水箱芯子正面面積的45～65%，風(fēng)扇輪葉的內(nèi)徑與外徑之比為0.28～0.38。

πD2=4×（0.45～0.65）FR

D=（0.8～0.98）

=（0.8～0.98）=0.431～0.528 m

2.3 風(fēng)扇選型

根據(jù)計算數(shù)據(jù)，選擇寧波華納圣龍風(fēng)扇，型號為：4035-38449-YF-508-01。

風(fēng)扇外直徑 D=508 mm? ? ? 滿足要求

風(fēng)扇內(nèi)外直徑比? d/D=194/508=0.38? 滿足要求

3? 實(shí)踐效果

根據(jù)上述計算過程進(jìn)行設(shè)計和選型的水箱和風(fēng)扇裝配后，車輛工作狀態(tài)良好。未出現(xiàn)過因冷卻系統(tǒng)引起的發(fā)動機(jī)故障?，F(xiàn)在車輛已批量生產(chǎn)，銷售到葫蘆島和南通等造船廠，在高粉塵，高負(fù)荷率的使用過程中，冷卻系統(tǒng)工作穩(wěn)定，表現(xiàn)良好，未出現(xiàn)故障?？蛻魧Πl(fā)動機(jī)表現(xiàn)滿意。實(shí)踐證明上述計算方法是可靠和有效的，值得推薦。

參考文獻(xiàn)：

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