電控硅油風(fēng)扇在某型液壓挖掘機上的節(jié)能、降噪應(yīng)用分析

韋俊茂 蘇永志 黃武勇 劉興鑫

摘 要 風(fēng)扇作為液壓挖掘機冷卻系統(tǒng)的一部分，其主要功能是確保挖掘機各系統(tǒng)溫度在處于最佳工作狀態(tài)。同時，在挖掘機的油耗影響因素中，風(fēng)扇所占的比例為8%～10%，風(fēng)扇噪音也是機外輻射噪音的重要噪音源[1]。本文通過電控硅油風(fēng)扇在某型液壓挖掘機上的應(yīng)用，使整機在25℃環(huán)境溫度下油耗降低4.1%～4.7%，機外輻射噪聲降低1.7分貝，司機位置噪聲降低1.9分貝，展示了電控硅油風(fēng)扇在節(jié)能、降噪方面的優(yōu)勢，為挖掘機節(jié)能、降噪設(shè)計提供新的思路。

關(guān)鍵詞 挖掘機;電控;風(fēng)扇;節(jié)能;降噪

2015年1月1日起實施的土方機械國家Ⅱ階段噪聲限值標準，要求挖掘機機外輻射噪聲、司機位置噪聲相比Ⅰ階段下降3dB（A）之多。同時，在市場競爭日益嚴酷的今天，節(jié)能已經(jīng)成為各大主機廠奪取競爭制高點的必爭之地。風(fēng)扇噪聲作為挖掘機的重要噪聲源之一[2]，也是影響整機油耗水平的重要因素，必然成為挖掘機節(jié)能、降噪過程不可忽視的環(huán)節(jié)。

發(fā)動機冷卻風(fēng)扇噪聲隨轉(zhuǎn)速增加而迅速提高，通常在低轉(zhuǎn)速時，風(fēng)扇噪聲比發(fā)動機本體噪聲低得多;但在高轉(zhuǎn)速時，風(fēng)扇噪聲往往成為主要甚至最大噪聲源[3]。由此可見，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越高，噪聲越大，本文通過在某型液壓挖掘機使用電控硅油風(fēng)扇降低挖掘機絕大部分環(huán)境溫度下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以達到節(jié)能、降噪的效果。

1液壓挖掘機風(fēng)扇使用現(xiàn)狀

目前挖掘機冷卻風(fēng)扇從轉(zhuǎn)速情況來看有兩種類型，定速風(fēng)扇和變速風(fēng)扇。定速風(fēng)扇與發(fā)動機之間沒有任何控制裝置，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系變化，也稱直驅(qū)風(fēng)扇。變速型風(fēng)扇則根據(jù)發(fā)動機冷卻水溫、液壓油溫度和中冷溫度改變轉(zhuǎn)速，可確保發(fā)動機和液壓系統(tǒng)在適當?shù)臏囟认鹿ぷ?。這類風(fēng)扇最常見的是硅油離合器風(fēng)扇和液力風(fēng)扇。液力風(fēng)扇受空間及成本限制，目前主要應(yīng)用在空間較大及成本敏感度較低的大型挖掘機上面，本文暫不討論。

直驅(qū)風(fēng)扇，它雖然結(jié)構(gòu)簡單，但忽視了水冷、油冷、中冷是不同的系統(tǒng)，隨整車及發(fā)動機工況變化，分別有不同的散熱特性要求，不能隨時響應(yīng)各溫度恒定要求。挖掘機工作時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速僅與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相關(guān)，機構(gòu)的“連續(xù)”性工作特性，在不需要工作時，仍然消耗發(fā)動機的動力，造成油耗高、噪聲大、排放高等問題。

硅油離合器風(fēng)扇是變速風(fēng)扇的典型應(yīng)用，硅油離合器以硅油為介質(zhì)，隨著挖掘機各系統(tǒng)溫度高低的變化，硅油離合器分離、耦合，調(diào)節(jié)風(fēng)扇以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，保證挖掘機在最適宜的溫度下工作;延長發(fā)動機的使用壽命;同時減少不必要的發(fā)動機功率損耗;降低整機噪音。硅油風(fēng)扇主要有溫控硅油風(fēng)扇和電控硅油風(fēng)扇。

溫控硅油風(fēng)扇通過熱敏雙金屬感溫閥門來控制風(fēng)扇的工作狀態(tài)，風(fēng)扇只有怠速和全嚙合兩種狀態(tài)。溫度小于指定值時，閥針壓住控制銷，硅油在前蓋內(nèi)，風(fēng)扇怠速運行。溫度大于指定值時，雙金屬片變形，閥針上移，控制銷打開，風(fēng)扇全嚙合運行。

電控硅油風(fēng)扇通過整機控制器收集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、散熱器水溫、液壓油溫、中冷溫度、發(fā)動機進氣溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號，進行數(shù)據(jù)整理和計算，輸出電脈沖指令到風(fēng)扇的電磁線圈，控制電控硅油風(fēng)扇離合器開度，使其達到風(fēng)扇的目標轉(zhuǎn)速;從而實現(xiàn)風(fēng)扇怠速、部分嚙合、全嚙合的不同狀態(tài)的精準控制，保證各系統(tǒng)在挖掘機的最佳工作狀態(tài)。

2電控硅油風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和工作原理

電控硅油風(fēng)扇離合器主要由電磁線圈、儲油腔、閥片、離合器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1：

硅油離合器是液體黏性離合調(diào)速裝置，根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，當兩塊板間充滿黏性液體，其中一塊板運動時，另一塊板會受到黏性液體剪切力的作用而隨之運動。在硅油離合器變速風(fēng)扇結(jié)構(gòu)中，主動板與發(fā)動機曲軸機械連接，從動板與風(fēng)扇連接，通過改變硅油的流量，即可調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

電控硅油風(fēng)扇工作過程為：當線束不供電，電磁線圈沒有電流通過，電磁力消失，閥片打開，硅油從儲油罐通過進油孔進入離合器，硅油的黏滯力帶動離合器嚙合，風(fēng)扇高速運轉(zhuǎn)。當線束供電，電磁線圈有電流，電磁線圈產(chǎn)生的電磁力使閥片關(guān)閉，硅油無法從儲油罐進入離合器，離合器內(nèi)的硅油量減少，硅油黏滯力減弱，離合器分離，風(fēng)扇低速運轉(zhuǎn)。對于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，是通過控制電磁線圈的輸入電壓脈沖信號的通電時間比例實現(xiàn)的，電磁線圈的通電時間比例控制閥片的開啟和關(guān)閉時間比例，從而實現(xiàn)對電控硅油離合器的轉(zhuǎn)速控制[4]。

3電控硅油風(fēng)扇在某型液壓挖掘機上的應(yīng)用

由我司自主研發(fā)的某型液壓挖掘機，原機使用直驅(qū)風(fēng)扇，風(fēng)扇是固定在發(fā)動機的上，由發(fā)動機直接驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速與發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速為線性關(guān)系，而與冷卻系統(tǒng)工作溫度無關(guān)。冷卻系統(tǒng)在匹配設(shè)計時，是按最惡劣的條件下進行設(shè)計，比如要滿足45℃環(huán)境溫度可正常使用。而這個極端高溫的環(huán)境是極少出現(xiàn)的，而在普通工作環(huán)境下，風(fēng)扇一直在高速運行，冷卻系統(tǒng)并不能在最佳工作溫度下運行，造成發(fā)動機能量的浪費。同時高速運轉(zhuǎn)的運轉(zhuǎn)的風(fēng)扇也使得整機機外輻射噪聲、司機耳邊噪聲增大，長期處于高噪聲的環(huán)境中，會對聽覺造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。為解決上述問題，同時保證在極端高溫環(huán)境下整機的散熱性能，決定在不改變風(fēng)扇參數(shù)的前提下，使用電控硅油風(fēng)扇對原機進行改裝。

3.1 電控硅油風(fēng)扇控制原理

電控硅油風(fēng)扇控制原理：控制器檢測冷卻液溫度、液壓油溫、中冷溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，并根據(jù)冷卻液溫度、液壓油溫度、中冷溫度按照標定的溫度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速關(guān)系計算對應(yīng)的風(fēng)扇目標轉(zhuǎn)速，取三者的最高值作為最終目標轉(zhuǎn)速。控制器對比風(fēng)扇實際轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速，計算出風(fēng)扇控制的占空比（PWM，Pulse Width Modulation），輸出電壓脈沖信號控制電控硅油離合器的線圈斷電和通電時間比例，進而控制閥片打開和關(guān)閉硅油出油口的時間比例，達到控制硅油進入離合器工作腔的量比，實現(xiàn)風(fēng)扇的閉環(huán)無級調(diào)速功能。如實際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與目標風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不符，控制器通過計算再發(fā)出調(diào)整指令，直至實際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與指令風(fēng)扇轉(zhuǎn)速相符。

圖2 電控硅油風(fēng)扇控制圖

3.2 節(jié)能、降噪效果驗證

直驅(qū)風(fēng)扇按照固定的速比與發(fā)動機同步轉(zhuǎn)動，不受整機負載及工作環(huán)境等影響，功耗為發(fā)動機功率的 8%～12%[5]。而根據(jù)空氣動力學(xué)的原理，風(fēng)扇消耗功率與轉(zhuǎn)速成三次方關(guān)系。同時，風(fēng)扇噪聲主要是空氣動力噪聲，空氣動力噪聲主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成[6]。因為冷卻風(fēng)扇葉片尖端圓周速度不太大，相應(yīng)的馬赫數(shù)小于0.4，故由渦流引起的渦流噪聲占主導(dǎo)地位[7]。而渦流噪聲與風(fēng)扇葉片圓周速度的5～6 次方成正比，風(fēng)扇葉片的圓周速度越大，噪聲越大，相同直徑下，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高，噪聲就越大[2]。根據(jù)上述理論，降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可使風(fēng)扇功耗和風(fēng)扇噪聲得到很大的改善。而電控硅油風(fēng)扇可以降低占挖掘機工作絕大部分時間的非極限高溫下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，使挖掘機更加節(jié)能、靜音。

（1）節(jié)能效果驗證

在25℃環(huán)境溫度下分別對直驅(qū)風(fēng)扇、電控離合器風(fēng)扇進行油耗測試，電控硅油風(fēng)扇相對直驅(qū)風(fēng)扇的節(jié)能效果見表1：

在25℃環(huán)境溫度下，某型液壓挖掘使用電控硅油風(fēng)扇比直驅(qū)風(fēng)扇可降低油耗4.1%～4.7%。理論上，隨著環(huán)境溫度上升，電控硅油風(fēng)扇挖掘機油耗越來越接近直驅(qū)風(fēng)扇挖掘機，直至環(huán)境溫度達到極限溫度，兩者油耗相同。當環(huán)境溫度下降，挖掘機各系統(tǒng)溫度降低，電控硅油風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，挖掘機油耗下降，直至電控硅油風(fēng)扇達到其最低工作轉(zhuǎn)速，油耗達到最低值。

（2）降噪效果驗證

根據(jù)GB/T 25614-2010《土方機械? 聲功率級的測定? 動態(tài)試驗條件》、GB/T 25615-2010《土方機械? 司機位置發(fā)射聲壓級的測定 動態(tài)試驗條件》，使用LMS噪聲振動分析儀對直驅(qū)風(fēng)扇和離合器風(fēng)扇進行噪聲測試，測試結(jié)果見表2，表3：

試驗結(jié)果表明，在某機型上將原機的直驅(qū)風(fēng)扇改裝為電控硅油風(fēng)扇，可降低機外輻射噪聲1.7dB（A），降低司機位置噪聲1.9dB（A），達到降噪目的。

4結(jié)束語

某型液壓挖掘機電控硅油風(fēng)扇方案，根據(jù)整機的熱負荷情況實時調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，克服了直驅(qū)風(fēng)扇因為不能對散熱器水溫、液壓油溫、中冷溫度實時跟隨造成的整機油耗高，噪聲大的問題，取得很好的節(jié)能、降噪效果。

（1）在25℃環(huán)境溫度下，電控硅油風(fēng)扇可使整機工作油耗降低4.1%～4.7%。

（2）電控硅油風(fēng)扇可使整機機外輻射噪聲降低1.7dB（A），司機位置噪聲降低1.9dB（A），更好地滿足噪聲法規(guī)要求。

參考文獻

[1] 李焱.電磁離合風(fēng)扇在液壓挖掘機上的應(yīng)用[J].科技展望，2013 （18）：115-118.

[2] 趙京星，俞松松，陸增俊.液壓挖掘機機外輻射噪聲分析與改進[J].價值工程，2013（33）：49-50.

[3] 楊曉芳.發(fā)動機冷卻風(fēng)扇噪聲分析及其控制方法[J].廣西輕工業(yè)，2011（3）：53.

[4] 馮高山.基于冷卻熱管理的商用車燃油經(jīng)濟性提升試驗研究[J].裝備制造技術(shù)，2018（4）：8-11，22.

[5] 魏靖，廖明軍.電控硅油離合器在工程機械上的應(yīng)用[J].建筑機械化，2015（2）：58-59，101.

[6] 楊曉芳.發(fā)動機冷卻風(fēng)扇噪聲分析及其控制方法[J].廣西輕工業(yè)，2011（3）：53.

[7] 方建華，周以齊，焦培剛，等.基于逆向和CFD的挖掘機冷卻風(fēng)扇降噪分析[J]武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009（15）：86-90.

作者簡介

韋俊茂（1985-），男，廣西都安人;職稱：工程師，現(xiàn)就職單位：廣西柳工機械股份有限公司，研究方向：挖掘機試驗研究。