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液压挖掘机发动机过热故障分析及优化改进 刘浩， 甘新贵 ， 孙宝舟 常林股份有限公司 摘 要 液压挖掘机普遍采用水冷式柴油发动机， 发动机过热将影响整机的使用性能， 并 且会迅速降低发动机的使用寿命。通过对小批量液压挖掘机发动机出现的过热故障进行分析， F 在不更换散热器， 不更改风扇直径及转速的前提下 ， 对相关部件做一系列优化改进， 最终使散热 效果达到理想状态， 发动机过热故障得到解决。 关键词 发动机过热； 热平衡； 散热系统； 优化改进 作为挖掘机动力的核心，发动机性能的好坏， 将直接影响挖掘机的性能。冷却系统是发动机最重 要的组成部分之一，发动机经常在高温下工作， 会 造成燃烧不正常 爆燃 、 早燃等 ， 机油变质或烧损 ， 零件的摩擦和磨损加剧， 导致动力性、 经济性、 可靠 性和耐久性全面恶化口 - 5 ] 。 我公司生产的 Z G 3 2 3 5 9型履带式液压挖掘机 采用康明斯 6 B T A A 5 ．9 一 C 1 7 8 型发动机，配备 日本 东京散热器、 韩国东明负流量控制液压系统。在投 放 市场一段 时间后 ， 服务人员反 映 ， 部分地 区销 售 的挖 掘机在 环境 温度 3 0 ～ 3 5 时 出现发动机过 热 发动机“ 开锅” 故障。 得知该消息后 ， 我公 司相关人员联合发动机 厂 家服务人员赶赴现场了解情况。经用户介绍 ， 一台 该型挖掘机在工作 1 0 0 h 前水温尚好， 但工作 1 2 0 h 后问题突然恶化。具体现象为 2 h内的短时间工作 尚好 ， 一旦长时间连续工作 即出现水温报警 。现场 检查发现 ，该机共使用 2 4 4 h ，除散热器有少量积 灰， 其他使用状况基本正常， 不存在使用不当问题。 继续检查散热器周边的密封情况 ， 发现机罩顶部有 些许缝隙， 现场使用海绵对缝隙进行封堵并清洗散 热器芯体后交用户继续使用 ，发动机过热问题依 旧。考虑到小批量 出现发动机过热问题 的严重性 ， 设计人员立 即对该故障进行讨论研究 ， 采取逐一排 查的方法进行分析。 1 散热器散热功率原因 在图 1 所示的散热器性能曲线图中， 横坐标为 经过散热器 的风速 ， 纵坐标为散热器在进 出风温差 A T为 5 O c 时 的散热量 ， 为散热 器 中冷却 液流 量。在图 2 所示的风扇特性曲线图中， 不同曲线代 表风扇的不同转速。结合图 l 和图 2 可核算散热器 的散热功率 。 』喧 -● - ≯f ■ - -． - - ● ● ★ 2 4 6 8 风速 ／ m ／ s 图 1 散热器性能曲线 ▲ 、 ＼ ～ ＼ _ 、 。、 ＼ 。＼ ， t ． { ． 一 ． 、 ／ 、 ‘＼ ／ 、 、 、 2 一 ‰ 、 、 0 ． 0 oO 2 ． 0 0 0 4 ． o 0 0 6 ． 0 0 0 8．0 00 1 0．0 0 0 - ． - 2o o o r ／ mi n - ． I t s2 2 0 0 r ／ mi n ～l 5 0 G r ／ mi n , - 1 1 2 5 0 0 r ／ rai n 风速， m ／ s 图2 风扇特性曲线 发动机额定转速为 2 0 0 0 r ／ m i n ， 速比 0 ． 9 7 ， 因为 实际用户使用 8 挡进行工作 ， 此时 ， 发动机的转速 为 1 8 0 0 r ／ mi n ， 故风扇转速约为 1 7 0 0 r ／ rai n ， 风扇工 作者简介 刘浩 1 9 8 2 一 ， 男 ， 浙江嵊州人， 工程师， 学士 ， 研究方向 动力系统及整机设计。 一 55一 等等 O O O O O O O O 0 0 加 M m 8 4 2 一 0 一 脚 衽 O O O 0 O O O ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 吣 3 2 2 1 l 0 O 箍 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 作于风扇特性曲线 2和曲线 3 之间。根据经验， 取 发动机舱静压为 5 0 0 P a 。由图 2可见 ， 由于风扇各 转速曲线为近似平行线， 可估算出此时风扇风量约 为 4 m 3 ／ s 。根据散热器芯体尺寸 8 2 0 mm8 0 8 mm， 可计算散热器迎风面积为 0 ．6 6 In ，则此时风速为 4 ／ 0． 6 6 6 m／ s 。 按照发动机所提供参数， 水泵在 1 8 0 0 r ／ m i n ， 流 阻 3 4 k P a 散热器 阻力 时 ， 流量为 1 0 0 L ／ mi n 。则根 据散热器性能 曲线图可知 ， 在 △T 5 0 C时 ， 散热功 率为 1 1 8 k W。因为考虑到实际 △ 未必能达到 5 O cIC ， 为保证准确性， 取保守值 3 0 ℃， 计算得散热器所 能提供的散热功率为 7 0 k W。 按照发动机技术要求， 发动机所需最大散热功率为 5 9 ．2 k W， 功率储备值高 达 1 8 ％。理论上该批量挖掘机的散热功率足够 。 2 风扇风速原因 现场使用风速仪对发动机转速为 1 8 0 0 r ／ m i n 时的风速进行测试， 得到一组数据 见图 3 ， 将风速 分布九宫图 数字在九宫图中的位置分别代表散热 器迎风侧中的上下左右等各位置进行数据处理， 得 出实 际平均风速为 5 ． 2 m ／ s ， 略低于理论值 6 m ／ s 。 5．4 5 ． 8 5 ． 8 5 ． 0 5 ． 2 5 ． 5 4 ． 6 4 ． 7 4．9 图 3 风速分布九宫图 m／ s 因为理论推算过程中， 排除聚风罩结构和温度 对空气密度的影响， 各取值都较为保守， 原则上该 风速并不会导致温度超过散热器的热负荷极限。如 果对进 、 出气孔进行调整 ， 减小进风阻力 ， 将会提高 风速， 从而提高散热功率。 另外 ， 通过对数据进行观察可发现 ， 风速明显 存在右大左小 ， 上大下小的情况。风速右大左小 ， 与 聚风罩中心所在散热器芯的位置符合； 风速上大下 小， 则是 由覆盖件上方开孑 L ， 覆盖件下方沉于平台 下方 ， 及侧门 紧挨散热器 的机罩门 下方未开孔所 致。调整聚风罩中心的位置以及开孔将有利于风速 的均匀分布 ， 进而利于散热。 3 进风温度过高 理论设计最大进风温度为 4 5℃，现场 3 O ～ 3 5 5 6一 ℃的环境温度显然不会导致进风温度过高 。但是 ， 如果存在热风回流将会导致进风温度高于环境温 度。仔细检查后 ， 除本文开始提到的顶部封堵不严 外 ， 还发现其他设计问题 。 由于机顶罩上的排风口过于靠前 ，致使进、 出 口间距仅稍大于 1 0 0 m m， 如 图 4机顶罩开孔示意 图 所示， 很容易使热风返回进风道 ， 使进气温度升高。 机顶罩过多的开孔虽然有利于降低进风阻力， 但过 早地使“ 冷风” 排出发动机舱 ， 会导致冷风利用率 低 。因为 ， 经过散热器的热风 ， 相对发动机舱和机体 的温度还是较低的， 完全可以利用其继续冷却发动 机机舱和机体。 ．厂 C 0 0茸 C C C 间l。0 0 盖 C 乐 基 量 量 芤 C C C C C C C 图 4机 顶 罩 开 孔 示 忌 图 另外， 通过红外测温仪对散热器进风侧温度进 行测量 ， 得到图 5所示 温度分布九宫图 ， 观察 对 比 易得， 左侧温度高于右侧， 上方温度低于下方温度。 讨论分析后认为，这是由于其他散热源影响导致 的。如 图 6散热系统布置图所示 ， 虽然散热器周 围 采用隔板加海绵的方式进行封堵 ， 但进风侧侧面与 空滤室连接处 以及空滤室与平台 中部主 阀相邻侧 并未封堵。液压泵、 主阀及其前部的回转马达、 液压 油箱都释放 出大量热量 ， 风扇吸风时会将侧面的热 空气 吸入 ， 这就导致 了左侧温度高于右侧温度 。而 上方 由于机顶罩开孔的存在 ， 使热风的影响较小 。 3 6 3 4 3 3 5 7 45 3 6 5 5 42 3 5 图 5 散热器温度分布九宫图 ℃ 4 风道设计不合理 由于机顶罩采用侧 翻式结构 ，铰链布 置于发 动机后部 ， 为了增加机 顶罩及铰链 的结构强度 ， 采 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吸 风 走 向 群 华 鼢 鼎 土 I 硪 F O r t 一 1 l ’ I o { 如 々 ． ． ． j舅 ■ 上． 1 、 J } 赫 i ■ l臣 ～ ． l ／ ．十 _ r 、{ } ， l 1砸 一 圈il a 吐 ， ,tl } 一 瑾 ／ ／ } ’’ ’ t、 _～一 ～ ／ 一 、 ⋯’ I ／ 空滤室 未做封堵 隔板及海绵封堵区 图 6 散热系统布置图 用一整块加强筋焊于顶部消声器开口与底部翻边 处 ，整 体 式 的加强 筋 完全 挡 住 了顶 部 的直 线 出 风 ， 如 图 7 a 所示 。根据 空气动力 学原 理 ， 通过 聚风 罩后 的风 遇 到障碍后会 反弹 ，形成 正压力 ， 增 加 风扇 的静 压 ，此 项 与风 速测 量 值基 本 相 吻 合 。如果 对机顶罩加强筋做 如 图 7 b 所示调整 ， 将会有效减小 风扇静压 。同理 ，由于泵隔板一直 延至上车架最底部 ，完全阻隔了中部出风风道。 泵隔板的作用是防止主泵高压油管爆裂后，液压 油喷射至发动机舱引起火灾。现主泵高压油管全 部布置在泵体上部 ，故取消泵体下部隔板，以进 一 步 降低风扇静压 。 机顶罩 散热器 加强筋 进 风 匕 机 进 风 匕 a 改进前 b 改进后 图 7机顶罩 5 停机后的温度继续上升问题 该型挖掘机安装有 G P S系统 ， 通过对 比采集的 大量数据发现， 其中一例挖掘机高温报警时发动机 转速却是 0 r ／ mi n 。图 8为 G P S采集数据截 图 图中 各参数采用国标单位 ， 1 1 3 8 5 0 ． 0 发动机转速为 0 r ／ m i n ， 说明此时发动机已熄火， 然而此时水温 9 3℃， 较 1 m in 前 8 9℃高出4℃，此后水温持续上升， 在 1 1 4 9 2 7 ．0时达到设定报警温度 1 0 4 c I 。机器虽然 处于停机状态 ，但 因并未断电 ， G P S数据照常采集。 发动机停止工作后 ， 风扇 的动力源消失 ， 导致散热 图 8 GP S采集数据截图 器停止工作， 但发动机机体内仍有大量热量未能释 放。通常为了降低噪声， 发动机舱内壁贴有大量隔 声海绵 ， 影响了停机后热量的快速释放。从监测数 据可看到， 在环境温度 3 O℃时， 发动机内水温在停 机后的十几分钟内至少可连续上升 1 5℃，如果停 机时水温为 9 0℃ 节温器 9 3℃全开 ， 1 0 mi n后再 一 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 次开机就会出现水温报警 。同时 ， 从 G P S数据 中发 现 ， 水温报警后 ， 再次启动发动机时 ， 即使是在怠速 下， 也能迅速将水温降至合理范围。 6 优化改进 基 于以上分析 ， 我公司进行 了针对性 的优化改 进 。侧 门增加进风开孔 ， 对机顶罩筋板做 图 7 b 所 示调整， 取消泵体下部隔板， 以减小风扇静压； 调整 机顶罩的开孔及其位置， 使开孔尽量靠近发动机后 部 ， 增加隔板隔离空滤室与进风室， 重新设计海绵 使散热器周边封堵严密， 彻底杜绝热回风。停机后 的温度继续上 升并不会影 响发动机使用性 能和寿 命 ， 且开机后能迅速降至合适温度， 故不做实质性 改进， 仅在控制程序中予以屏蔽。风扇中心取决于 整机的布置，调整其在散热器中的位置涉及范围 广 ， 设计更改难度大， 因此也不做变更 。 对 改进后 的挖掘机进行极限负荷热平衡试验 ， 发现改进效果 良好 ， 实测平均风速 5 ． 9 m ／ s ， 进 风温 度与环境温度接近 ，折算到 4 5℃环境温度下的水 温为 9 9℃ ， 达到设计 的理想范围， 改进后产品投放 市场至今 ， 未有水温报警故障出现。 参考文献 【 1 】吕超， 王渠， 刘宾．液压挖掘机热平衡试验分析[ J ] _ 建筑机 械 。 2 0 0 9 0 2 4 4 4 5 ． [ 2 】刘忠民． 发动机热平衡试验研究[ J 】 ． 浙江大学学报 工学 版 ， 2 0 0 8 7 1 2 4 7 1 2 5 0 ． [ 3 】吴海荣． 发动机冷却系统设计参数的确定[ J ] ． 农机化研 究， 2 0 0 7 1 2 2 3 2 2 8 ． [ 4 ]陈欠根． 挖掘机冷却系统的结构布置对改善热平衡的影 响[ J ] _ 工程机械， 2 0 0 7 1 1 3 1 5 ． [ 5 ]张杰． 简述发动机冷却系统设计及散热量的计算[ J ] ． 装备 制造技术， 2 0 0 4 2 2 1 2 4 ． 通信地址江苏省常州市新北区黄河西路 8 9 8号常林股份 有限公司新产品研发所f 2 1 3 1 3 6 收稿日期 2 0 1 2 0 1 3 1 汔车起重机倾翻事故救援一例 谢慧超 ， 米久华 ， 张斌 1 ． 湖南交通职业技术学院； 2 ． 湖南省隆 回县运输管理所 某型汽车起重机最大额定起重量为 7 5 t ， 自重 4 6 t ， 最小工作幅度 3 ．0 IT I ， 起重臂共 5节， 部分同步伸 缩， 主臂全伸长 4 5 m， 主臂最大起升高度为 4 5 m， 整 机总长 1 40 0 0 mm， 总宽 27 5 0 mm， 总高 3 7 0 0 mm 。 1 事故原因 上 述汽 车起重 机起 吊钢 梁 时 ，变 幅达 到 1 1 m， 主臂伸出达 2 6 m， 且第 2节臂全部伸出， 吊装 方 向由正左方 向左前方 。 该型汽车起 重机 l l m工 作幅度对应的最大起重量为 1 7 ～ 1 9 t ， 但被 吊钢梁 的实际质量超过 2 0 t ，超载导致整 车前倾 见图 1 ， 第 5 支腿伸 出着地成 3点支撑 ， 下车车架变 形 见 图 2 。 2 施救分析 由于事故汽车起 重机前面还 吊着一 片质量为 图 1 事故现场 2 0 t 左右的钢梁 ，所 以首先需利用两台 2 5 t 级起重 机将事故汽车起重机前 面的钢梁慢慢地抬起 起 吊 点如图 3中④和⑤所示 ，为了防止事故汽车起重 机 由于前面所 吊质量减轻而 向后倾翻 ， 所以还需要 1台 7 0 t 级起重机将 事故汽车起 重机 的后 面 吊起 起吊点如图4中①和②所示 ， 为了防止过大的质 基金项 目 湖南省教育科学“ 十二五” 规划项目 X J K 0 1 1 C Z J 0 4 5 ； 交通运输职业教育科研重点项 目 2 0 1 1 A1 2 作者简介 谢慧超 1 9 7 7 一 ， 男， 湖南耒阳人， 讲师， 在读博士， 研究方向 工程机械、 车辆工程。 一 5 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m