装载机冷却系统风扇功耗研究应用

张碧荣，朱玉柱，陈礼光

（广西柳工机械股份有限公司 装载机研究院，广西 柳州 545007）

柴油机是装载机的动力源，动力一部分传递给传动系统，一部分传递给液压系统，一部分被附件、空调、电器等消耗，其中发动机、传动系统和液压系统工作过程中产生的热量需要靠散热系统带走，以保证机器在适宜的温度范围高效工作，而散热系统中的风扇是最为重要的零件，一方面风扇承担着为散热器提供冷却风的任务，另一方面风扇消耗发动机功率，是发动机附件功率消耗占比最大的零件。

传统应用往往没有足够重视风扇功率消耗，但随着排放增加，散热量增加，冷却风扇也随之加大，功耗占比也不断增加，加之随着技术的进步，节能降耗技术到了一定阶段后，要进一步节能就要足够重视如风扇这类附件的消耗。本文以中国市场常用的5t装载机为例，分析、计算机械式定速比连接风扇的功率消耗。

1 风扇匹配

装载机的使用不分季节和区域，覆盖的工况也较多，通常进行装载机散热系统设计都需要满足最恶劣的工况，特别是中国市场上使用的装载机大部分为直驱风扇，风扇转速和发动机转速定速比，按照极限工况和极限目标环温设计的装载机，在相对低的环境温度中工作时，不但出现风扇功耗浪费的问题，还存在过冷现象，过冷会导致机油粘度高，摩擦功增加，图1为装载机发动机在冷机和热机两种情况下的机油压力对比，冷机时由于粘度高，进而导致机油压力高，进一步对比测试冷机和热机下的燃油消耗，如图2所示，相同工况下冷机油耗明显大于热机油耗。

图1 装载机发动机冷机、热机机油压力对比

图2 装载机冷机、热机燃油消耗对比

某5t装载机目标适应环境温度为45℃，该机各散热器散热功率需求和散热器尺寸如表1，散热器为单层并排布置，匹配直径780mm的风扇，风扇性能数据如表2所示。通常发动机工作在额定功率工况时为典型的整机重负荷工况，该机额定转速为2000rpm，额定功率162kW，风扇速比为0.87，额定转速下对应的风扇转速为1740rpm，对应风扇数据表2可以看出这时风扇功耗为约13kW。

表1 整机散热需求

表2 风扇性能数据

2 风扇功耗分析

由上述可知，基于极限工况和最高目标环境温度进行匹配，当装载机工作在低温区域或冬季时，出现过冷增加摩擦功，风扇功率消耗占发动机功率将近10%，造成一定的风扇功耗的浪费。下面对比分析该机分别工作在45℃、25℃和5℃目标环境下的情况，基本思路是散热器尺寸不变、散热功率需求不变、热平衡目标温度不变，这个前提下由于环境温度不同，进入散热器的冷却风温度不同，环境温度越低时，散热器热侧介质和散热器冷却风的温差越大，达到相同的散热功率和相同的目标热平衡温度所需的冷却风量越小，也即所需风扇转速越小。表3是3种目标环境温度下风量计算结果，对散热风量的需求分别是7.8m3/s、4.6m3/s、3.2m3/s，后两者分别只需要极限工况（45℃）下59%和41%的风量，按照风扇定律，该机按照45℃极限环温下匹配的风扇转速1740rpm，当整机工作在25℃和5℃的环温下时，分别只需要1006rpm和687rpm的风扇转速，而风扇功率与转速成3次方关系，风扇转速的降低将极大的节省风扇功耗。

表3 不同目标环境温度下风扇-散热器匹配结果

3 实验验证

针对以上分析和计算，在该5t装载机上进行了风扇燃油消耗测试，通过发动机监测工具实时读取特定工况下的油耗率（单位L/hr），测试主要目的是得到风扇在该整机上以不同转速运行时的燃油消耗率，发动机转速在2000rpm、1156rpm、790rpm下分别拆除风扇和带风扇进行油耗测试，每次测试记录数据前充分暖机，保证数据记录过程中发动机水温保持在95℃±2℃一段时间，对测试数据整理分析，结果如表4。测试结果可以看出，按照45℃极限环温匹配的定速比风扇，当整机工作在25℃环境下时，风扇由于过度设计导致每小时多消耗2.5L柴油，当整机工作在5℃环境下时，风扇由于过度设计每小时多消耗3.4L柴油。

表4 整机上风扇油耗测试数据表

4 结束语

文章基于装载机机械式定速比连接的风扇功耗浪费，对不同环境温度下风量需求和风扇功耗进行计算、分析，最后在装载机整机上对风扇燃油消耗进行对比测试，得出风扇功耗浪费的量化结果。对于装载机直驱风扇功耗的节省值得研究，电磁离合风扇有少量应用，但其故障率高和不能实现无极变速并未得到广泛应用，电子硅油离合风扇由于其价格昂贵也没能在装载机上使用，仅在部分高端挖掘机上批量使用，基于节约能耗和降低综合使用成本考虑，值得研究并加以应用。