挖掘机作业环境恶劣，尤其在夏天高温环境作业，加上发动机和液压系统发热，造成挖掘机驾驶室内温度更高。为改善驾驶员的作业条件，目前挖掘机普遍配置了空调系统。小型挖掘机空调系统受发动机功率限制，其功率配置较小，制冷效果受到影响。本文以某小型挖掘机为例，讲述其如何通过改变冷凝器安装位置、优化蒸发箱风道和隔热层结构，提高制冷效果。
1.空调系统制冷原理
空调系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、干燥瓶和蒸发器等组成，如图1所示。
发动机通过胶带驱动压缩机旋转，旋转的压缩机从低压端吸入氟利昂气体，压缩成高温高压气态氟利昂后，通过管道输入冷凝器内并在其内流动。冷凝器设有风扇，由风扇吹动空气使冷凝器内高温高压气态氟利昂冷凝后成为中温高压液态氟利昂，经过干燥瓶干燥、过滤后流入膨胀阀，经过膨胀阀内节流孔节流后迅速膨胀，转变成低温、低压的雾状氟利昂进入蒸发器。
蒸发器安装在蒸发箱内，蒸发器设有鼓风机，驾驶室内空气经过鼓风机强制通过蒸发箱进行循环，驾驶室内的热量就被吸收，使驾驶室温度降低。吸热后氟利昂变成低压气态，通过管道到达压缩机并再次被吸入，经压缩机压缩后进入下一个工作循环。如此反复，蒸发器不断吸收驾驶室内的热量，达到制冷效果。
2.改进方法
我们针对该小型挖掘机投入使用后存在驾驶室内温度过高的问题进行分析，发现空调系统内制冷剂压力偏高、驾驶室内排风口风速偏慢现象。因此，提出对冷凝器和蒸发箱结构进行改进的方案，以此提高空调制冷效果。
(1)冷凝器
存在问题一般空调系统的冷凝器安装在发动机散热器的前面，由发动机风扇吹动空气进行冷却。为了不妨碍发动机散热，该小型挖掘机将冷凝器水平安装在驾驶室右外侧的盖板上，如图2所示。经过试验，发现存在以下3个问题:一是飘落下来的柳棉或其他杂物，容易吸附在冷凝器散热片上，造成散热不良;二是冷凝器的热气不能顺畅排出，排出的热气易被风扇回吸，造成散热不良，导致压缩机内部压力偏高;三是由于压缩机内部压力偏高，造成压缩机故障率较高。
改进方法根据冷凝器存在的上述问题，我们采取了以下改进措施，即将冷凝器改为立式安装，冷凝器的迎风面与挖掘机行驶面同向，不仅使散热过程中风的流动非常顺畅，而且冷凝器散热片之间也不易被杂物堵塞。冷凝器立式安装效果如图3所示。
改进后我们对压缩机进、出口压力进行了测试，测试时环境温度为37.1~38.6°C，发动机转速为1823~1839r/min，空调鼓风机开至最高挡。改进前冷凝器水平安装，压缩机进口压力为0.20~0.30MPa、出口压力为1.30~1.50MPa;改进后采用立式安装，压缩机进口压力降低为0.16~0.18MPa，压缩机出口压力降低为1.05~1.20MPa。可以看出，采用立式安装冷凝器后冷却效果明显改善，压缩机进、出口压力均有所降低，提升了制冷性能。
(2)蒸发箱
存在问题改进前，该小型挖掘机制冷系统蒸发器安装在蒸发箱内，蒸发箱内设有串联的双鼓风机、膨胀阀和感温探头等元件，如图4a所示。受挖掘机驾驶室空间限制，蒸发箱安装在驾驶员座椅底下，鼓风机从座椅前下部吸入驾驶室内热空气，如图4b所示。热空气经蒸发器换热之后，冷空气从安装在蒸发箱后部右侧面的上、下2支出风管排出，如图4c所示。下出风口送往驾驶室主出风口和前出风口，上出风口送往驾驶室右后左、左后出风口，如图4d所示。
经试验，我们发现该蒸发箱存在以下3个问题:一是膨胀阀表面容易结霜;二是驾驶室的前风出口和后侧左、右风口出风量小。三是制冷效果差，驾驶室内温度高。
我们对蒸发箱进、出风口风速进行测试。测试时发动机转速为1800r/min，鼓风机开至最高挡，测试结果如表1所示。从测试结果可以看出，蒸发箱下出风口至主出风口、前出风口风速损失为58.7%和97.6%，蒸发箱上出风口至右后和左后出风口风速损失为50.0%和69.8%，由此可见，蒸发箱各出风口风速损失非常大，究其原因是由于出风管道结构不合理，冷气吹不出来造成。这与蒸发箱结构及风道设计的不合理密切关联。
第一次改进分析蒸发箱出风管道出风口风量损失较大的原因，是蒸发箱布局不合理，为此我们决定采用以下3项改进措施:一是将蒸发箱双鼓风机出风口由2个改为5个，即将出风口分离，分别从蒸发箱的后上部、后下部和右侧边出风，分别连接主出风口、前侧出风口、后侧左、右出风口，如图5a所示;二是重新设计驾驶室内部风道，以减少风阻，如图5b所示;三是新增1个吹向驾驶员脸部的出风口，以提升人体舒适度，如图5b红线部位所示。按照以上措施制定了蒸发箱出风管风速改进目标，如表1所示。
经过第一次改进后，我们进行了测试，测试时环境温度为35°C，鼓风机为最高挡，当发动机转速为1735r/min时，主出风口温度为17.5~20°C，后部左、右出风口温度分别为16~18.5°C和18~21.5°C，脚部温度为12.5~15°C，驾驶室内温度为28°C。
将发动机转速提高到2550r/min时，主出风口温度为降低为16.5°C，后部左、右出风口温度分别降低为14.5~15°C和17.5~18°C，脚部温度降低为11~11.5°C，驾驶室内温度为28°C。以上数据表明，即使提高了发动机转速，驾驶室内温度依然偏高。为此我们测试了鼓风机吸风口温度，发现吸风口温度偏高，达到28~32°C，由此可见吸风口温度偏高是造成驾驶室温度高的另一要因。
在测试时我们发现鼓风机有异响，拆检鼓风机后发现，灰尘进入鼓风机轴承，造成其滚珠磨损，如图6a所示。还发现鼓风机叶轮沾灰尘凝结，破坏动平衡，如图6b所示。
第二次改进根据以上检测情况，我们决定进行第二次改进。主要采取以下3项改进措施:一是在鼓风机支架上增加防振垫，以减小鼓风机振动，如图7a所示;二是将蒸发箱安装位置抬高，在蒸发箱吸风口增配过滤网，以减少灰尘吸入，如图7b所示;三是在驾驶室内底板和驾驶室后部增加隔热棉，以隔绝减小发动机及液压系统对驾驶室的热传递，如图7c所示。按照以上措施我们制定了改进目标，如表2及表3所示。
3.改进效果
实施第2次改进后我们再次进行测试，测试时的环境温度为31.5°C，驾驶室内温度为19.5°C，环境与驾驶室温差达到12°C。测试主出风口风速为16.2m/s，脸部出风口风速为14.3m/s，后部左、右出风口风速分别为12.6m/s和12.3m/s，脚步风速为4.5m/s，除霜出风口风速为9.1m/s。均达到合格水平。测试结果如表2、表3所示。从以上测试数据可以看出，空调制冷性能显著提升，各出风口的风损问题不但得到了解决，而且室内的制冷效果也非常好，其他各项指标也都符合改进目标值。我们对该小型挖掘机冷凝器和蒸发箱结构改进后，经统计，其压缩机故障率由原来的5.1%下降到0.5%，大大降低了压缩机的故障率，同时也降低了产品的售后成本。市场用户普遍认为，该小型挖掘机空调制冷系统改进后，已经达到了满意的制冷效果。这就进一步证实了本改进方案的有效性和可行性。我们已将改进成果应用到新产品、量产中。
从本次改进可以看出，提升小型挖掘机的空调制冷性能，从冷凝器的安装位置以及蒸发箱的优化等方面进行设计，在不增加空调制冷功率和不增大占用空间的前提下，可以提升制冷效果，该改进成果为今后其他车型空调系统的优化设计提供了有价值的参考。
本文选自《工程机械与维修》杂志2017年第8期
作者：黄开机
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