韋俊茂 蘇永志 黃武勇 劉興鑫
摘 要 風(fēng)扇作為液壓挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)的一部分,其主要功能是確保挖掘機(jī)各系統(tǒng)溫度在處于最佳工作狀態(tài)。同時,在挖掘機(jī)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(jī)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(jī)上的應(yīng)用,使整機(jī)在25℃環(huán)境溫度下油耗降低4.1%~4.7%,機(jī)外輻射噪聲降低1.7分貝,司機(jī)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(jī)節(jié)能、降噪設(shè)計(jì)提供新的思路。
關(guān)鍵詞 挖掘機(jī);電控;風(fēng)扇;節(jié)能;降噪
2015年1月1日起實(shí)施的土方機(jī)械國家Ⅱ階段噪聲限值標(biāo)準(zhǔn),要求挖掘機(jī)機(jī)外輻射噪聲、司機(jī)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(yán)酷的今天,節(jié)能已經(jīng)成為各大主機(jī)廠奪取競爭制高點(diǎn)的必爭之地。風(fēng)扇噪聲作為挖掘機(jī)的重要噪聲源之一[2],也是影響整機(jī)油耗水平的重要因素,必然成為挖掘機(jī)節(jié)能、降噪過程不可忽視的環(huán)節(jié)。
發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)使用電控硅油風(fēng)扇降低挖掘機(jī)絕大部分環(huán)境溫度下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以達(dá)到節(jié)能、降噪的效果。
1液壓挖掘機(jī)風(fēng)扇使用現(xiàn)狀
目前挖掘機(jī)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(jī)之間沒有任何控制裝置,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)和液壓系統(tǒng)在適當(dāng)?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(jī)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(jī)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(jī)工作時,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速僅與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān),機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)在最適宜的溫度下工作;延長發(fā)動機(jī)的使用壽命;同時減少不必要的發(fā)動機(jī)功率損耗;降低整機(jī)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(yùn)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(yùn)行。
電控硅油風(fēng)扇通過整機(jī)控制器收集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、散熱器水溫、液壓油溫、中冷溫度、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號,進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和計(jì)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(dá)到風(fēng)扇的目標(biāo)轉(zhuǎn)速;從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇怠速、部分嚙合、全嚙合的不同狀態(tài)的精準(zhǔn)控制,保證各系統(tǒng)在挖掘機(jī)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(dāng)兩塊板間充滿黏性液體,其中一塊板運(yùn)動時,另一塊板會受到黏性液體剪切力的作用而隨之運(yùn)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(jī)曲軸機(jī)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(dāng)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(jìn)油孔進(jìn)入離合器,硅油的黏滯力帶動離合器嚙合,風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)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(jìn)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(yùn)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(shí)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(shí)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(jī)上的應(yīng)用
由我司自主研發(fā)的某型液壓挖掘機(jī),原機(jī)使用直驅(qū)風(fēng)扇,風(fēng)扇是固定在發(fā)動機(jī)的上,由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動,其轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)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(jì)時,是按最惡劣的條件下進(jìn)行設(shè)計(jì),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(yùn)行,冷卻系統(tǒng)并不能在最佳工作溫度下運(yùn)行,造成發(fā)動機(jī)能量的浪費(fèi)。同時高速運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)扇也使得整機(jī)機(jī)外輻射噪聲、司機(jī)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(jī)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(jī)進(jìn)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(jī)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(biāo)定的溫度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速關(guān)系計(jì)算對應(yīng)的風(fēng)扇目標(biāo)轉(zhuǎn)速,取三者的最高值作為最終目標(biāo)轉(zhuǎn)速??刂破鲗Ρ蕊L(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速,計(jì)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(jìn)而控制閥片打開和關(guān)閉硅油出油口的時間比例,達(dá)到控制硅油進(jìn)入離合器工作腔的量比,實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的閉環(huán)無級調(diào)速功能。如實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與目標(biāo)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不符,控制器通過計(jì)算再發(fā)出調(diào)整指令,直至實(shí)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(yàn)證
直驅(qū)風(fēng)扇按照固定的速比與發(fā)動機(jī)同步轉(zhuǎn)動,不受整機(jī)負(fù)載及工作環(huán)境等影響,功耗為發(fā)動機(jī)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?yàn)槔鋮s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(jī)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(jī)更加節(jié)能、靜音。
(1)節(jié)能效果驗(yàn)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(jìn)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(jī)油耗越來越接近直驅(qū)風(fēng)扇挖掘機(jī),直至環(huán)境溫度達(dá)到極限溫度,兩者油耗相同。當(dāng)環(huán)境溫度下降,挖掘機(jī)各系統(tǒng)溫度降低,電控硅油風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低,挖掘機(jī)油耗下降,直至電控硅油風(fēng)扇達(dá)到其最低工作轉(zhuǎn)速,油耗達(dá)到最低值。
(2)降噪效果驗(yàn)證
根據(jù)GB/T 25614-2010《土方機(jī)械? 聲功率級的測定? 動態(tài)試驗(yàn)條件》、GB/T 25615-2010《土方機(jī)械? 司機(jī)位置發(fā)射聲壓級的測定 動態(tài)試驗(yàn)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(jìn)行噪聲測試,測試結(jié)果見表2,表3:
試驗(yàn)結(jié)果表明,在某機(jī)型上將原機(jī)的直驅(qū)風(fēng)扇改裝為電控硅油風(fēng)扇,可降低機(jī)外輻射噪聲1.7dB(A),降低司機(jī)位置噪聲1.9dB(A),達(dá)到降噪目的。
4結(jié)束語
某型液壓挖掘機(jī)電控硅油風(fēng)扇方案,根據(jù)整機(jī)的熱負(fù)荷情況實(shí)時調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,克服了直驅(qū)風(fēng)扇因?yàn)椴荒軐ι崞魉疁亍⒁簤河蜏?、中冷溫度?shí)時跟隨造成的整機(jī)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(jī)工作油耗降低4.1%~4.7%。
(2)電控硅油風(fēng)扇可使整機(jī)機(jī)外輻射噪聲降低1.7dB(A),司機(jī)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(xiàn)
[1] 李焱.電磁離合風(fēng)扇在液壓挖掘機(jī)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(jī)機(jī)外輻射噪聲分析與改進(jìn)[J].價值工程,2013(33):49-50.
[3] 楊曉芳.發(fā)動機(jī)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(jì)性提升試驗(yàn)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(jī)械上的應(yīng)用[J].建筑機(jī)械化,2015(2):58-59,101.
[6] 楊曉芳.發(fā)動機(jī)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(jī)冷卻風(fēng)扇降噪分析[J]武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),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(jī)械股份有限公司,研究方向:挖掘機(jī)試驗(yàn)研究。