張碧榮，朱玉柱，陳禮光

（廣西柳工機械股份有限公司 裝載機研究院，廣西 柳州 545007）

柴油機是裝載機的動力源，動力一部分傳遞給傳動系統(tǒng)，一部分傳遞給液壓系統(tǒng)，一部分被附件、空調(diào)、電器等消耗，其中發(fā)動機、傳動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)工作過程中產(chǎn)生的熱量需要靠散熱系統(tǒng)帶走，以保證機器在適宜的溫度范圍高效工作，而散熱系統(tǒng)中的風(fēng)扇是最為重要的零件，一方面風(fēng)扇承擔著為散熱器提供冷卻風(fēng)的任務(wù)，另一方面風(fēng)扇消耗發(fā)動機功率，是發(fā)動機附件功率消耗占比最大的零件。

傳統(tǒng)應(yīng)用往往沒有足夠重視風(fēng)扇功率消耗，但隨著排放增加，散熱量增加，冷卻風(fēng)扇也隨之加大，功耗占比也不斷增加，加之隨著技術(shù)的進步，節(jié)能降耗技術(shù)到了一定階段后，要進一步節(jié)能就要足夠重視如風(fēng)扇這類附件的消耗。本文以中國市場常用的5t裝載機為例，分析、計算機械式定速比連接風(fēng)扇的功率消耗。

1 風(fēng)扇匹配

裝載機的使用不分季節(jié)和區(qū)域，覆蓋的工況也較多，通常進行裝載機散熱系統(tǒng)設(shè)計都需要滿足最惡劣的工況，特別是中國市場上使用的裝載機大部分為直驅(qū)風(fēng)扇，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速比，按照極限工況和極限目標環(huán)溫設(shè)計的裝載機，在相對低的環(huán)境溫度中工作時，不但出現(xiàn)風(fēng)扇功耗浪費的問題，還存在過冷現(xiàn)象，過冷會導(dǎo)致機油粘度高，摩擦功增加，圖1為裝載機發(fā)動機在冷機和熱機兩種情況下的機油壓力對比，冷機時由于粘度高，進而導(dǎo)致機油壓力高，進一步對比測試冷機和熱機下的燃油消耗，如圖2所示，相同工況下冷機油耗明顯大于熱機油耗。

圖1 裝載機發(fā)動機冷機、熱機機油壓力對比

圖2 裝載機冷機、熱機燃油消耗對比

某5t裝載機目標適應(yīng)環(huán)境溫度為45℃，該機各散熱器散熱功率需求和散熱器尺寸如表1，散熱器為單層并排布置，匹配直徑780mm的風(fēng)扇，風(fēng)扇性能數(shù)據(jù)如表2所示。通常發(fā)動機工作在額定功率工況時為典型的整機重負荷工況，該機額定轉(zhuǎn)速為2000rpm，額定功率162kW，風(fēng)扇速比為0.87，額定轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1740rpm，對應(yīng)風(fēng)扇數(shù)據(jù)表2可以看出這時風(fēng)扇功耗為約13kW。

表1 整機散熱需求

表2 風(fēng)扇性能數(shù)據(jù)

2 風(fēng)扇功耗分析

由上述可知，基于極限工況和最高目標環(huán)境溫度進行匹配，當裝載機工作在低溫區(qū)域或冬季時，出現(xiàn)過冷增加摩擦功，風(fēng)扇功率消耗占發(fā)動機功率將近10%，造成一定的風(fēng)扇功耗的浪費。下面對比分析該機分別工作在45℃、25℃和5℃目標環(huán)境下的情況，基本思路是散熱器尺寸不變、散熱功率需求不變、熱平衡目標溫度不變，這個前提下由于環(huán)境溫度不同，進入散熱器的冷卻風(fēng)溫度不同，環(huán)境溫度越低時，散熱器熱側(cè)介質(zhì)和散熱器冷卻風(fēng)的溫差越大，達到相同的散熱功率和相同的目標熱平衡溫度所需的冷卻風(fēng)量越小，也即所需風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越小。表3是3種目標環(huán)境溫度下風(fēng)量計算結(jié)果，對散熱風(fēng)量的需求分別是7.8m3/s、4.6m3/s、3.2m3/s，后兩者分別只需要極限工況（45℃）下59%和41%的風(fēng)量，按照風(fēng)扇定律，該機按照45℃極限環(huán)溫下匹配的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速1740rpm，當整機工作在25℃和5℃的環(huán)溫下時，分別只需要1006rpm和687rpm的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，而風(fēng)扇功率與轉(zhuǎn)速成3次方關(guān)系，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的降低將極大的節(jié)省風(fēng)扇功耗。

表3 不同目標環(huán)境溫度下風(fēng)扇-散熱器匹配結(jié)果

3 實驗驗證

針對以上分析和計算，在該5t裝載機上進行了風(fēng)扇燃油消耗測試，通過發(fā)動機監(jiān)測工具實時讀取特定工況下的油耗率（單位L/hr），測試主要目的是得到風(fēng)扇在該整機上以不同轉(zhuǎn)速運行時的燃油消耗率，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2000rpm、1156rpm、790rpm下分別拆除風(fēng)扇和帶風(fēng)扇進行油耗測試，每次測試記錄數(shù)據(jù)前充分暖機，保證數(shù)據(jù)記錄過程中發(fā)動機水溫保持在95℃±2℃一段時間，對測試數(shù)據(jù)整理分析，結(jié)果如表4。測試結(jié)果可以看出，按照45℃極限環(huán)溫匹配的定速比風(fēng)扇，當整機工作在25℃環(huán)境下時，風(fēng)扇由于過度設(shè)計導(dǎo)致每小時多消耗2.5L柴油，當整機工作在5℃環(huán)境下時，風(fēng)扇由于過度設(shè)計每小時多消耗3.4L柴油。

表4 整機上風(fēng)扇油耗測試數(shù)據(jù)表

4 結(jié)束語

文章基于裝載機機械式定速比連接的風(fēng)扇功耗浪費，對不同環(huán)境溫度下風(fēng)量需求和風(fēng)扇功耗進行計算、分析，最后在裝載機整機上對風(fēng)扇燃油消耗進行對比測試，得出風(fēng)扇功耗浪費的量化結(jié)果。對于裝載機直驅(qū)風(fēng)扇功耗的節(jié)省值得研究，電磁離合風(fēng)扇有少量應(yīng)用，但其故障率高和不能實現(xiàn)無極變速并未得到廣泛應(yīng)用，電子硅油離合風(fēng)扇由于其價格昂貴也沒能在裝載機上使用，僅在部分高端挖掘機上批量使用，基于節(jié)約能耗和降低綜合使用成本考慮，值得研究并加以應(yīng)用。