江苏省特种设备安全监督检验研究院淮安分院 江苏淮安 223002
摘要：内燃平衡重式叉车在生产中应用广泛，本文通过对液力型叉车变矩器冷却系统故障的分析， 确定了产生爆管等不稳定因素出现的根本原因，由此来确定改进方案， 并通过试验的方式对改进效果进行了验证， 最终得出结论，达到预期的效果， 有效降低了冷却系统爆管的机率， 保障了叉车的安全运行。
关键字：冷却系统；爆管；散热
简述
内燃平衡重式叉车分为机械型与液力型两种，其中液力型叉车优势显著，经久耐用， 市场占有比重较大，远超机械型叉车。液力型叉车采用液力变矩器作为传动装置，利用变矩器内的液力传动油来传递动力。液力传动油在反复的冲击、摩擦过程中会产生大量的热量， 需要变矩器冷却系统来降低温度。在生产检验过程中， 容易出现了变矩器冷却管路爆管现象。而维修人员只是通过更换油管、加固接头的方式来处理，并不能从根本上解决问题， 不可避免地会再次出
现爆管故障。本文通过科学论证与具体试验来解决这个问题。
1 叉车变矩器冷却系统
变矩器是液力型叉车传动系统中的核心部件，安装在发动机与变速箱之间， 以液力传动油为工作介质， 起着传递动力、改变转矩、变速及离合的作用。叉车变矩器由泵轮、涡轮、导轮和壳体组成， 发动机输出的动力经输入轴传递给泵轮，泵轮的旋转运动使油液从泵轮流出， 顺次经过涡轮、导轮再返回泵轮， 周而复始地循环流动。在这一过程中， 泵轮将输入轴的机械能转换为油液的压力能， 高速油液推动涡轮旋转， 将压力能转换为输出轴的机械能。其中， 导轮对液体的导流作用使变矩器的输出扭矩可高于或低于输入扭矩，起到变矩的作用。液力传动油在周而复始的循环过程中不断传递能量， 并承受冲击、挤压、摩擦等作用， 会产生大量的热量， 从而导致油温上升。液力传动油的工作温度是影响油液油质的重要因素， 温度过高会使油液氧化变质， 影响油液的传动效率， 甚至会形成油膏、沉渣、积炭等杂质，导致油液循环管路堵塞， 最终使变矩器零部件损坏。在叉车上常采用变矩器冷却系统来降低油温，将油温保持在９０℃左右， 使变矩器处于最佳工作状态。
叉车变矩器冷却系统由液压泵、油管、油滤及油冷器组成， 冷却方式采用风冷式， 整个系统封闭循环， 系统原理图见图１。在冷却系统中， 液压泵集成在变速箱内部， 为油液的循环提供动力；粗滤器安装在变速箱内部， 用来过滤沉积在油底壳中的杂质； 细滤器安装在车架上， 可以过滤掉经油冷器冷却后的油液中的杂质； 油冷器为板翅式换热器， 与发动机散热器集成在一起， 靠发动机风扇的气流来冷却油液。叉车开始运转时， 液压泵随变速箱输入轴转动， 将一部分油液泵入变矩器， 此时油温较低， 节温器关闭， 油液由变矩器回到变速箱， 这个过程称为油路的小循环； 当油温达到９０℃以上时， 节温器开启， 油液从变矩器进入油冷器， 冷却后经过滤器过滤后回到变速箱， 此为油路的大循环， 也就是变矩器油冷却系统的循环过程。
图1
2 爆管现象分析
变矩器冷却油管爆管的现象， 具体故障发生在制动性能的检验过程中。叉车在试验场地以最高速直线行驶， 当驾驶员迅速踩下制动踏板时， 从变矩器到散热器的冷却油管（油液方向从变矩器到散热器） 出现了爆管现象， 破裂位置处于油管与散热器的连接处。维修人员也仅仅是采用更换油管并加固的方式处理， 且不同程度地存在二次故障发生的情况， 并不能从本质上解决这一故障。变矩器冷却油管爆管故障不仅会因停车维修、油液损耗而导致一定的经济损失， 还会因油液散热不良导致变速箱变矩器总成损坏， 严重时甚至会发生安全事故， 造成人身伤害。为保证叉车安全运行， 避免发生安全事故，需要从根本上解决这一棘手的问题。
当驾驶员在高速行驶的过程中急踩刹车时，制动器迫使车轮停止转动， 由于变速箱不在空挡，变矩器的涡轮也随之被制动， 而泵轮依然在发动机的驱动下高速转动， 此时冷却系统的流量最大、压力最高。但即使在这种极端的情况下也不应导致爆管， 因此需要对系统进行深入分析。针对叉车变矩器冷却系统回路单一且封闭的特点， 采用逆向分析法进行故障诊断。在液压系统中， 造成油管爆裂的主要原因是系统压力超过油管所能承受的最大压力， 而系统压力过高的原因有两种，一是回路不畅或不通， 二是液压泵输出压力过高。对于变矩器冷却系统来说， 液压泵的动力来自于发动机， 而发动机的输出功率及转速是有一定范围的， 因此液压泵输出压力过高的情况一般不存在。从以上分析可以初步判定， 冷却油管爆管的原因应为回路不畅或不通。由于该故障在同一品牌同型号的叉车中批量出现， 不可能是因为杂质、异物等偶然进入循环系统导致回路堵塞造成的，故障的根源应为系统元件本身的问题。整个冷却系统回路主要有液压泵、油冷器和过滤器３ 个元件， 液压泵的因素已排除， 因此可确定为过滤器或油冷器的因素导致的故障。在液压系统中， 过滤器的额定流量与系统流量不匹配、油冷器的流动阻力过大等都会导致系统回路不畅， 下面通过计算来分析爆管的根本原因。
3 冷却系统计算校核
通过对实际案例叉车采集数据进行计算出其循环流量
式中： A0为变矩器的结构参数系数； B０ 、B１为变矩器的通流损失系数； C０ 、C１ 、C２ 为变矩器的冲击损失系数； ωＴ 为涡轮的相对转速， 当叉车紧急制动涡轮静止时， 其相对于变矩器整体的转速最大， 最大值为发动机的额定转速2200ｒ／ｍｉｎ。通过变矩器的参数曲线查得所需的系数， 带入公式得Q ＝55.7l／min。
采用的过滤器型号为ＳＰ-06×10， 最大流量为60l/min， 其最大流量大于变矩器的最大循环流量， 因此所选用的过滤器可以满足系统流量的要求。
案例中叉车所用油冷器为与发动机散热器集成在一起的板翅式换热器， 翅片结构为Ｈ 型翅片。板翅式换热器的流动阻力P 是指入口管的静压与出口管静压的差，在芯体入口和出口处， 流体要发生收缩和扩大。由于摩擦系数高的原因，在入口急剧收缩时的阻力和出口时扩大时的阻力都有增大。发生爆管的冷却油管材料为所能承受的最大压力还不到实际压力的一半，远不能承受来自油冷器的流动阻力， 在高达９０℃的油温下发生爆管在所难免。因此可得出造成冷却油管爆裂的原因为油冷器流动阻力过大。
4 油冷器的改进设计
由此， 流动阻力主要来自于芯体部分的阻力， 降低芯体部分的阻力即可降低油冷器的流动阻力。通过改变决定芯体部分阻力的参数， 可以达到减小芯体阻力的目的。在这些参数取决于变矩器的循环流量， 在冷却系统中属于不可变的量； 只有通过增大当量直径的方式， 才可以在不影响变矩器与散热效果的情况下减小流动阻力。油冷器采用的是板翅式换热器， 翅片结构为Ｈ型翅片。油液的通道为翅片和隔板包围起来的密闭空间， 而当量直径的定义为４倍的通道截面积与通道周长的比值。因此， 增加通道截面积即可增大当量直径， 降低流动阻力。在油冷器的改进设计中， 增加隔板间距与翅片间距（如图2）， 同时适当减小隔板和翅片的厚度， 将流动阻力的计算数值控制在0.65MPa 以下。将改进后的散热器安装在出现爆管故障的叉车上， 并进行强化试验，试验过程中没有再出现爆管故障，且测得冷却系统内各测压点的压力均符合要求。
图2
5 总结
通过对液力型叉车变矩器冷却系统故障的分析， 并确定了改进方案， 通过试验对改进效果进行了验证， 改进后可达到预期的效果， 有效降低了冷却系统爆管的机率， 保障了叉车的安全运行。
参考文献
［1］ 成龙．液力变矩器热平衡研究和冷却系统设计［D］．武
汉： 武汉理工大学， 2010．
［2］ 苏斌．循环冷却水系统中换热器设备的流动阻力计算
及分析［J］．中国高新技术企业， 2014(11)．
［3］ 李杰．板翅式机油冷却器内部压力分布研究［J］．轻工
机械， 2010,28(5)
论文作者:张长付
论文发表刊物:《江苏科技报》2016年12期
论文发表时间:2017/4/6
标签：叉车论文; 变矩器论文; 系统论文; 阻力论文; 油管论文; 液压泵论文; 液力论文; 《江苏科技报》2016年12期论文;