關于D375A—2推土機發動機冷卻系統高溫改造的探討

摘要：文章針對D375A-2推土機發動機水溫高的嚴重問題，從使用、維修等方面進行了統計評價和原因探討分析，最終提出科學、合理、有效的改進方案，并最終取得了良好的改進效果。

關鍵詞：D375A-2推土機；發動機；冷卻系統；散熱器風扇；高溫改造

中圖分類號：TD422 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）25-0037-04

冷卻系統的主要功用是把受熱零件吸收的部分熱量及時散發出去，保證發動機在最適宜的溫度狀態下工作。冷卻系統按照冷卻介質不同可以分為風冷和水冷，如果把發動機中高溫零件的熱量直接散入大氣而進行冷卻的裝置稱為風冷系統；而把這些熱量先傳給冷卻液，然后再散入大氣進行冷卻的裝置稱為水冷系統。D375A-2推土機發動機的水冷系統采用V帶傳動，有一套與之匹配的風扇張緊機構，依靠調整張緊機構的松緊度，安裝更換皮帶，具有操作方便、簡單易學等特點，所以被廣泛應用；目前還有一種利用馬達驅動風扇進行冷卻，如日本小松公司后來研制生產的D475A-5型推土機，其原理為泵將液壓油加到一定壓力，帶動馬達旋轉進行冷卻；還有一種電動風扇，電動風扇由風扇電動機驅動并由車載電源供電，同時設計有風扇轉速調節系統控制風扇轉速，使風扇轉速與發動機轉速無關。在有些電控系統中，電動風扇由電腦控制。由冷卻液溫度傳感器檢測的冷卻液溫度信號控制風扇轉速控制系統工作。當冷卻液溫度達到規定值時，風扇電動機供電，風扇轉動。電動風扇的優點是結構簡單、布置方便等。此外，采用電動風扇不需要檢查、調整或更換風扇傳動帶，因而減少了維修的工作量。

1 D375A-2推土機在黑岱溝露天煤礦的使用維修情況

1.1 設備的基本性能和技術情況

D375A-2推土機是從日本小松公司引進的工程設備，共8臺。設備功率520馬力，鏟刀容量20立方米，最大牽引力95噸，爬坡能力30度，對地比壓1.1公斤/平方厘米，燃油消耗率為158克/馬力·小時，帶三齒松土器的整機重量為64.5噸。發動機型號為SA6D170-B1。

D10N推土機設備功率520馬力，鏟刀容量17.3

立方米（挖掘深度674mm，鏟刀最大提升高度1497mm，最大傾斜高度993mm），爬坡能力30度，燃油消耗率為150克/馬力·小時，自重重量為65.7噸。發動機型號為3412V型水冷渦輪增壓中冷柴油機。

1.2 設備近年的使用及維修情況

黑岱溝露天礦目前使用的主要工程設備8臺D375A-2和8臺美國卡特彼勒公司生產的D10N推土機，因工作需要，D375A-5推土機大多在煤溝、煤頂板等負荷較小的地方，D10N推土機大多布置在各個排土場等，平均運行時間D10N較D375A-2長。

8臺D375A-2推土機中有7臺發動機進行了至少一次的大修理或更新，傳動系統有2臺進行了大修和更新；而8臺D10N推土機也有7臺發動機進行了至少一次的大修理和更新，傳動系統都經過了至少一次大修或更新。從維修方面的統計看來，D375A-2和D10N的發動機維修步調基本一致，D375A-2的動力傳動系統比D10N使用時間要長（未考慮排土場和坑下輔助工程的負荷差別），履帶行走機構也比D10N推土機要耐用。

發動機冷卻系統的典型故障：

1.2.1 水泵漏水和異響：（1）水泵漏水。當發動機運行或停車時，從水泵殼泄水孔漏水不止，應分解水泵，檢修密封。拆下水泵蓋，把端部緊固螺栓卸下，取出葉輪、水封總成。如果靜環、動環表面損壞漏水，可用研磨砂分別在鑄鐵平板上研磨使其密合；墊環、波形圈損壞應更換新件。水泵殼體泄水孔不得堵死，以使水封滲漏的水滴從此處排出，避免水積在水泵腔內浸泡軸承，破壞其潤滑。（2）水泵異響。水泵異響主要原因是水泵軸承磨損、松動或缺油；水泵軸擋圈未裝或未裝好、軸承竄動、葉輪背面與水泵蓋擦碰以及由此引起的皮帶輪與風扇葉輪運轉時搖擺晃動、發出響聲。

1.2.2 散熱器加水口有時會向外溢水。散熱器俗稱水箱。使用過程中水箱加水口有時會向外溢水，出現這種現象有兩種情況：（1）“開鍋”。當冷卻液溫度達到沸點時，水箱內將析出大量氣泡。這些氣泡增大了冷卻液體積，致使冷卻液向外溢出。（2）“返水”。是指冷卻液沒有達到沸點，而因其他原因使冷卻液從加水口向外溢出的現象。如水垢過多或部分水管堵塞造成水箱不通暢（上水室進水過多而出水不暢），過多的水從加水口溢出。另外，當汽缸墊密封不嚴時，汽缸內氣壓滲入水套，使水套內產生氣泡，也會使冷卻液從加水口溢出。發生上述現象時，水箱上水室水溫并不高。散熱器上下水室漏水，可采用直接錫焊或銅皮焊補；散熱芯管漏水，可用卡管、補管、堵管、接管及換管的方法修復。

2 D375A-2推土機發動機高溫問題及原因分析

2.1 D375A-2推土機發動機高溫問題的發現

在2000年夏季以來，D375A-2推土機陸續發現多臺（1#、2#、3#、4#、6#、7#）發動機水溫高的異常現象，高溫情況嚴重并且持續時間較長，尤其在夏秋之交高溫問題特別突出，個別設備在30分鐘以內達到108℃以上，嚴重影響了設備的出動和安全運行。經過統計，D375A-2推土機發動機高溫問題大都發生在原裝新發動機運行時間在8000小時左右以及大修完后運行不長時間的發動機上。

統計情況如下表：

1#2#3#4#5#6#7#8#

2004.08運行時間

（小時）107001745918176176488058162361604519889

首次高溫運行

時間662292301431617046 1550315602

首次高溫日歷

時間20021999.062002.012004.05 2003.092004.04

首次高溫發動機情況原裝原裝原裝大修過 原裝大修過

設備現狀高溫正常高溫正常正常正常高溫正常

散熱器情況國產進口國產進口進口國產國產進口

發動機更新情況 2003.10

換新 2003.10換新裸機 2002.06換新

首次大修發動機情況 2003.12002.0620022002.08 2004.032003.06

在發現問題后準能公司有關部門、使用單位、維修部門等組織了多次專題會議進行分析、研究和討論，多次部署多種方案進行處理，但是未能處理解決問題。期間多次邀請北京小松技術服務部專家來現場協助分析處理，還多次和上海、成都、包頭等小松技術服務處聯絡尋求解決方案，但是高溫問題始終都沒有得到成功解決。

2.2 D375A-2推土機發動機高溫問題的原因分析

經過幾年反復維修、測試和查閱大量的資料，同時根據我們掌握的大量現場資料和技術經驗進行進一步的總結、分析和探討，我們認為造成近年D375A-2推土機發動機高溫的主要原因是發動機冷卻系統的冷卻能力不夠，冷卻系統對工況變化適應能力差，冷卻工作效能比較脆弱。

原裝新發動機在前期（運行8000小時左右）不易發生高溫現象，主要是原裝發動機在此期間磨損情況屬于正常磨損期，磨損均勻，摩擦損耗也正常，各部分的配合、間隙良好，燃油燃燒完全，工況良好，燃油效率較高且穩定，發動機產生的余熱較少并且穩定，使發動機水溫在正常范圍，發動機的工作呈良性循環。

隨著運行時間的增加，逐步超過8000小時左右以后，燃燒室的積炭逐漸加重，造成該部零部件冷卻效能降低，熱負荷加重，使燃燒室各零部件配合和運動間隙逐漸失調，同時燃油系統磨損等原因使燃燒室工況變差，影響燃油正常、完全燃燒，發動機的燃油效率降低，部分燃油直接產生多余的熱量，加重了冷卻系統的工作負擔，同時后期發動機各個零部件磨損加劇，磨擦發熱加重，也增加了熱量的產生。冷卻系統的能力不夠使過多的熱量不能得到及時散失，使發動機的水溫有升高的趨勢，而發動機水溫升高使冷卻器溫度即進氣溫度隨之升高，減少了進氣量，使燃燒室工況更加惡化，發生后燃現象，燃油效率嚴重下降，產生大量余熱并且使發動機冒黑煙，使冷卻系統負擔更加加重，形成惡性循環，直到達到新的高溫狀態的熱交換平衡，使發動機在高溫下運轉。

大修后的發動機易產生高溫的原因同上述情況相似。由于D375A-2推土機發動機單缸功率達87馬力之高，壓宿比高，缸徑170mm，所以對零部件的裝配精度要求特別高（小松的所有設備結構緊湊、零部件裝配精度要求高已經是共識），而我們在維修環境、清潔、工藝、裝備和技術等方面都有差距，難以達到要求。另外發動機機體存在自然老化（特別是許多微觀因素的積累，如磨損、腐蝕、銹蝕、變形等是大修，是不可修復的），使發動機工況劣化，燃油效率降低，磨擦損耗增加，形成發動機水溫升高的惡性工作循環，導致發動機高溫。

另一個高溫的重要原因是設備不適合現在的運行環境。D375A-2推土機針對全世界的氣候環境有適應環境基本低溫為－30℃的非寒冷地帶選用型和適應環境低溫基本為－50℃的寒冷地帶選用型兩種，這兩個機型適應工作環境溫度相差高達20℃。黑岱溝露天煤礦所選用的為寒冷地帶機型，而我們地處的氣候環境低溫更接近－30℃，應屬溫寒地帶，而－50℃顯然是寒帶適用。尤其近年暑期高溫的持續時間長、溫度屢達歷史新高，并且設備逐年劣化，這一影響更加明顯。

D375A-2推土機寒冷地帶選用型和非寒冷地帶選用型在發動機方面的主要區別是機油冷卻、高壓燃油泵、冷卻風扇、啟動系統等有所區別。燃油系統由發動機車間修理并按照參數校驗，應不存在問題，機油冷卻是多加了一套預熱裝置，關鍵是冷卻風扇的區別，即在引風量、風速上差別較大。引風量較低導致發動機回水溫度偏高，溫差引起各運動零部件的配合失常，燃燒室工況、燃油系統壓力指數、密封性能也受到影響，燃油燃燒不充分，產生積炭并且加重，造成惡性循環，使發動機水溫超高。所以必須加強冷卻能力，這和第一個原因相輔相成，是統一的，也是互相印證的。

3 D375A-2推土機發動機冷卻系統的改造方案及可行性

D375A-2推土機發動機冷卻系統改造的方案和可實現性有以下幾種：

一是從發動機本身和護罩結構看，在發動機的排煙管線外加設石棉隔熱罩或者在附近增設隔熱擋板，隔絕或減緩其對附近零件和空氣的熱輻射，但是此方案需要在發動機機體進行鉆孔套扣或施焊安裝，改造工程較大，影響多，不易實施。

二是將發動機護罩改造成網眼式，減少進氣阻力，增加流過發動機機體的新鮮冷空氣的流量和流速，增強冷卻效果。但沒有具體測算依據，單從這一方面改造效果估計不可能太顯著，改造的意義不大。冷卻液是水與防凍劑的混合物或專用冷卻液。冷卻液用水最好是軟水，否則將在發動機水套中產生水垢，使傳熱受阻，造成發動機過熱。純凈水在0℃時會結冰，如果發動機冷卻系統中的水結冰，將使冷卻水終止循環，引起發動機過熱。尤其嚴重的是水結冰時體積膨脹，可能將機體、氣缸蓋和散熱器脹裂。為了適應冬季行車的需要，在水中加入防凍劑制成冷卻液以防止循環冷卻水的凍結。

三是從水泵方面入手，但經過分析計算，發現其額定轉速已經超過2600轉/分鐘，比D10N高550轉/

分鐘，再增加會使氣穴和氣蝕發生嚴重，另外需要改造傳動齒輪，沒有現實意義。另已經有國產水箱開發改造的前例，再進行散熱器的改造也沒有開展意義。散熱器蓋的作用除了密封水冷系統外，還可以調節系統的工作壓力。當發動機工作時，冷卻液的溫度逐漸升高。由于冷卻液容積膨脹，冷卻系統內的壓力增高。當壓力超過預定值時，壓力閥開啟，一部分冷卻液經溢流管流入補償水箱，以防止冷卻液脹裂散熱器。當發動機停止工作后，冷卻液的溫度下降，冷卻系統內的壓力也隨之降低。當壓力降到大氣壓力以下出現真空時，真空閥開啟，補償水桶內的冷卻液部分地流回散熱器，可以避免散熱器被大氣壓力壓壞。

四是改造風扇參數（不改變結構型式，以保證風扇引風的穩定、軸流特點），以改變引風量和風的流速，加快空氣對流，增強散熱器的散熱能力。經過多方計算論證，確認這一方案可行。

4 對冷卻系統散熱風扇的改造

由于受設備結構的限制，不可能改造加大扇葉的外徑，同樣受皮帶傳動打滑、帶輪直徑等的限制，不可能較大提高風扇的轉速。因此只有改造扇葉的尺寸參數，如扇葉的尺寸、數量、扇轂的尺寸等。經過查閱資料，我們發現D375A-2非寒冷地帶選用型的風扇可以達到要求，而且不影響發動機的平衡，改造成本低，每一臺需費用8000～9000元左右，改造時間短，對設備其他方面幾乎沒有影響。

寒冷地帶選用型的風扇和非寒冷地帶選用型的風扇結構特點相同，均為徑向結構葉片、葉片為扭曲形，安裝角度都為25度，扇葉略呈梯形，結構特征完全相同，其他不同的主要工作參數分別為：

寒冷地帶選用型的風扇 非寒冷地帶選用型的風扇

扇葉外徑 D1=1321mm 扇葉外徑 D2=1321mm

扇轂直徑 d1=610mm 扇轂直徑 d2=420mm

扇葉寬 B1=225mm 扇葉寬 B2=295mm

扇葉數量 8 扇葉數量 6

計算兩種風扇的理論引風量結果：

Q=π/4（D2－d2）CaKHQN

式中：Ca為空氣流速，和葉片寬度基本呈正線性關系；K為引風量和葉片數量的關系系數，該系數一般為實地測定，和風扇結構、流量、壓力等許多因素相關，經過查閱相關資料，寒冷地帶選用型的8葉風扇取K1=0.90，非寒冷地帶選用型的6葉風扇取K2=0.75；H為壓力系數；Q為流量系數；N為功率系數。因為風扇結構特點相同，所以兩種扇葉的上述數值相同。將有關數值代入公式，則非寒冷地帶選用型的風扇引風量和寒冷地帶選用型的

風扇理論引風量之間的比例關系%=

{[π/4（D22－d22）Ca2K2H2Q2N2]/[π/4（D12－d12）Ca1K1H1Q1N1]}%=124.8%。考慮各種因素影響，實際上該比例關系值在116%～121%之間。

使用兩種風扇的散熱器過風面積公式：

S=π/4（D2－d2）

則非寒冷地帶選用型的散熱器過風面積和寒冷地帶選用型的散熱器過風面積比例關系={[π/4（D22－d22）]/[π/4（D12－d12）]}%=114.3%。

通過以上計算，改造后的風扇引風量增加了16%～21%，散熱器過風面積增加了14.3%，綜合以上兩方面因素，散熱能力提高至少16%，理論上完全可行。后來我們于2004年的暑期（氣溫在30℃左右）在兩臺設備上進行了改造和長達15天的實地測試，在黃土排棄工程連續作業2小時，水溫表顯示水溫不進入紅區，實測散熱器管臂溫度最高不超過90度，且發動機、設備的動力性良好，風扇功率加大對發動機動力沒有太大影響，改造取得理想

效果。

參考文獻

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作者簡介：李志國（1982-），神華準格爾能源有限責任公司安全監察局副主任科員，注冊安全工程師，工程師，研究方向：工程機械設備的檢修、技術和安全管理。

（責任編輯：周加轉）