某工程机械散热系统降噪研究与试验验证

邵 威，黄志亮，邓习树，雷新军

（三一汽车制造有限公司，长沙 410100）

某工程机械散热系统降噪研究与试验验证

邵 威，黄志亮，邓习树，雷新军

（三一汽车制造有限公司，长沙 410100）

为了降低某工程机械整机噪声，基于空气动力性噪声形成机理，结合噪声信号处理分析方法及CFD流场仿真手段，识别出其主要噪声源及形成原因；通过优化导风罩结构有效降低散热系统空气动力性噪声。试验验证结果显示，整机外场噪声辐射声功率级降低近4.0 dB(A)，操作者位置噪声降低近2.0 dB(A)。

声学；工程机械；散热系统；空气动力性噪声；导风罩

随着工程机械行业的迅猛发展以及竞争的日益激烈，人们对工程机械产品的NVH性能提出了更高的要求；随着发达国家在环保要求方面日趋严格，噪声排放标准甚至成为发达国家进行贸易保护的合法“技术壁垒”。因此，在竞争激烈的国际工程机械市场上，提高产品振动噪声水平已成为新的竞争焦点和技术发展方向。

工程机械机外辐射噪声的来源源较为复杂，如发动机舱内噪声源；其主要包括机械噪声、燃烧噪声和空气动力性噪声三大类。其中散热系统空气动力性噪声在噪声源中占有非常大的比重。而随着发动机的高功率化以及发动机舱设计的复杂化，机舱散热与降噪成为了一个矛盾体，增大冷却风量常用措施是提高冷却风扇转速或直径、增加进出风口面积，这会使得机外辐射噪声增大；反之减小机舱的辐射噪声往往以降低冷却系统的散热效果为代价。

本文基于空气动力性噪声形成机理，结合噪声信号处理分析方法及CFD流场仿真手段，对某工程机械噪声源进行了识别分析和降噪研究，并加以试验验证。为解决该产品降噪与散热之间的矛盾，提供了最优控制方法。

1 空气动力性噪声机理

散热系统的空气动力性噪声包括风扇旋转噪声和涡流噪声[1]。

旋转噪声主要是旋转叶片周期性扰动空气，引起空气的压力脉动而激发的噪声。旋转噪声的频率

式中n——风扇转速，r/min；

z——风扇叶片数；

i——1，2，3，……谐波序号。

涡流噪声是风扇旋转时使得周围的空气产生涡流，由于涡流粘滞力的作用这些涡流又分裂成一系列的小涡流，这些涡流和涡流的分裂同样会使空气产生扰动，形成压力波动，从而激发出噪声[2]。

涡流噪声的频率为

式中Sr——斯特劳哈尔数，Sr=0.14～0.20，一般取0.185；

V——气体与叶片的相对速度；

i——1，2，3，……谐波序号。

涡流噪声频率主要与气流和叶片的相对速度V有关，而V又与风扇的圆周速度u有关，u连续变化，所以涡流噪声是一种宽频带的连续谱。

在研究涡流噪声时，Lighthill提出了一般涡流噪声声功率的速度八次方定理[3]

式中KV——常数，在不要求精确计算的场合，可取10-4；

ρ——流体密度；

ρ0——媒质静态密度；

c0——声在流体中的传播速度；

v——流体速度；

D——声源的特征长度。

2 噪声源识别分析

该工程机械噪声测试参照《GB/T 25612-2010土方机械声功率级的测定 定置试验条件》的相关要求，测点布置示意图，如图1所示[4]。

图1 测点布置示意图

由于该机器设备基本长度L＞4 m，故测量半球面半径r为16 m。

以外场1#和4#测点为例，对该设备的噪声频率特性进行了分析，如图2—图3所示。

外场噪声能量主要集中在中心频率200 Hz，以及中心频率400 Hz～2 500 Hz频带范围内，如图2所示。

图2 外场1#、4#测点噪声1/3倍频带频谱

图3 外场1#、4#测点噪声频谱

对于中心频率400 Hz～2 500 Hz较高频率成分的噪声能量，通过隔声、吸声等降噪措施能有效降低其能量；而对中心频率200 Hz的噪声能量，其属于低频噪声，由于低频噪声的透射和衍射特性，很难通过隔声和吸声降低其能量；因此，对于中心频率200 Hz的能量，需从源头着手采取相应的解决方案。

通过分析，中心频率200 Hz的噪声主要是由187 Hz左右宽频带的能量贡献的，其具有涡流噪声频谱的一般特征，如图3所示。

根据风扇的转速、以及几何特征参数，由式(2)计算得到风扇涡流噪声频率与187 Hz左右宽频带的测试结果相符。

该设备的风扇涡流噪声的能量明显高于旋转噪声的，如图3所示。为了分析涡流噪声能量较高的原因，对导风罩内部流场进行了分析。

冷却风扇导风罩三维实体模型，如图4所示。

图4 冷却风扇导风罩三维实体模型

为了便于分析，在不影响分析精度的前提下，将分析模型做一些简化，忽略小孔、倒角等局部细节[5]。

由于导风罩截面是非呈流线型的，当吸风气流流经导风罩时，这样的突变截面会引起涡流的产生，如图5所示。

图5 冷却风扇导风罩流场仿真计算结果

原始导风罩的拐角处存在明显的涡流区。这些涡流本身会引发较强的噪声，同时涡流加大了风扇来流的紊流度使得风扇的涡流噪声加大[6]。

3 导风罩的降噪设计与效果验证

3.1 导风罩降噪方案设计

在不改变冷却风扇导风罩固定、装配以及总的几何尺寸情况下，对导风罩就行了流线型设计，如图6所示。它可以在一定程度上更好地提高气流的均匀性[7]。

图6 新导风罩结构三维实体模型

采用原始结构相同的边界条件，对其进行了流场仿真分析。如图7所示。

导风罩内部涡流区域明显减小，由此可以推断其可以有效降低涡流噪声。

3.2 试验验证

为了验证新导风罩的降噪效果，对其进行了装机试验，并对噪声数据进行了测试分析，分别见图8－图11。

从测试的结果来看，新设计的导风罩结构在降低散热系统空气动力性噪声取得了显著的效果。

(1)各测点的噪声在187 Hz左右宽频带的能量均得到有效降低，对应中心频率200 Hz的噪声能量降低达到7.8 dB(A)以上。

(2)整机外场噪声辐射声功率级降低近4.0 dB (A)；操作者位置噪声降低近2.0 dB(A)。

图9 更换导风罩前后，外场4#测点噪声频谱

图10 更换导风罩前后，外场1#测点噪声1/3倍频带频谱

图11 更换导风罩前后，外场4#测点噪声1/3倍频带频谱

4 结语

基于空气动力性噪声形成机理，结合噪声信号处理分析方法及CFD流场仿真手段，识别出了某工程机械的主要噪声源为散热系统动气动力性噪声；其中，原始导风罩拐角处的涡流加大了风扇来流的紊流度，使得风扇的涡流噪声加大。通过优化导风罩结构以及实车验证，新设计的导风罩结构对降低散热系统空气动力性噪声具有显著的效果。

(1)各测点的噪声在187 Hz左右宽频带的能量均得到有效降低，对应中心频率200 Hz的噪声能量降低达到7.8 dB(A)以上。

(2)整机外场噪声辐射声功率级降低近4.0 dB (A)；操作者位置噪声降低近2.0 dB(A)。

[1]王斌，吴锦武，陈志军.风扇系统噪声对发动机整机噪声的影响[J].内燃机工程，2005，25(6)：52-54.

[2]汤黎明.工程机械冷却风扇流场特性与气动噪声研究[D].长春：吉林大学，2014.

[3]张强.气动声学基础[M].北京：国防工业出版社，2012.

[4]阎堃，郭志强，任越光.GB/T 25612-2010，土方机械声功率级的测定 定置试验条件[S].北京：中国标准出版社，2011.

[5]王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[6]季伟锋，陈光冶.微型轴流风扇噪声特性分析及试验研究[J].噪声与振动控制，2003，23(1)：19-22.

[7]MAALOUM A,KOUIDRI S,BAKIR F,et al.Effect of Inlet Duct Contour and Lack Thereof on the Noise generated of an Axial Fan[J].Applied Acoustics,2003,6 (4):999-1010.

表2 刚度与电流关系

6 结语

本文以坦克发动机悬置为背景，通过Matlab仿真得出：改变隔振器的刚度能够避开机身对扰动输入的共振频率，达到移频减振的目的。

设计制造了一种新型的基于磁流变弹性体的坦克发动机隔振器，通过试验验证了该隔振器具有较高的磁流变效应，能够用于发动机悬置变刚度减振。

参考文献：

[1]陈皮，董小瑞.发动机悬置技术的研究综述[J].内燃机与配件，2014(3)：5-7+11.

[2]黄森.发动机振动噪声控制[J].汽车零部件，2016(1)：74-75.

[3]YUN H Y,NAGI G N,RAO V D.A literature review of automotive vehicle engine mounting systems[J].Mechanism and Machine Theory,2001,36:123-142.

[4]LI Y C,LI J C,LI W H,DU H P.A state-of-the-art review on magnetorheologicalelastomer devices[J].Smart Materials and Structures,2014,23:1-24.

[5]FARAMARZG,WANGXIAOJIE,PRAVEENM. Behavior of thick magnetorheologicalelastomers[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2012,23(9):1033-1039.

[6]李锐，陈伟民，廖昌荣，等.基于磁流变技术的发动机隔振控制[J].机械工程学报，2009，45(3)：183-190.

[7]李季，赵韩，等.新型磁流变弹性体隔振器关键技术[J].噪声与振动控制，2014，34(6)：184-187.

[8]胡宗成.舰用磁流变弹性体隔振器设计及性能分析[J].噪声与振动控制，2013，33(2)：169-174.

[9]赵景波.Matlab控制系统仿真与设计[M].北京：机械工业出版社，2010：175-228.

Noise Reduction Study and Experimental Verification for the Cooling System of a Construction Machine

SHAOWei,HUANG Zhi-liang,DENG Xi-shu,LEI Xin-jun
(SANYAutomobiles Manufacturing Co.Ltd.,Changsha 410100,China)

In order to reduce the noise of a construction machine,the main noise sources are identified by using the digital signal processing method and CFD simulation models.The aerodynamic noise generated by the cooling system of the machine is greatly reduced after the structural optimization of the shroud.The testing results show that the sound power level of the machine and the sound pressure level at the operator position are reduced nearly by 4.0 dB(A)and 2.0 dB(A) respectively.

acoustics;construction machine;cooling system;aerodynamic noise;shroud

TB53

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.025

1006-1355(2017)01-0113-04

2016-08-05

国家科技支撑计划资助项目（2015BAF07B03）

邵威（1971－），男，西安市人，博士生，主要研究方向为工程机械振动与噪声控制。

黄志亮，男，机械工程师。E-mail:huangzhiliang1985@163.com