电控硅油风扇在某型液压挖掘机上的节能、降噪应用分析

2020-07-10韦俊茂苏永志黄武勇刘兴鑫

科学与信息化 2020年12期

韦俊茂苏永志黄武勇刘兴鑫

摘要风扇作为液压挖掘机冷却系统的一部分，其主要功能是确保挖掘机各系统温度在处于最佳工作状态。同时，在挖掘机的油耗影响因素中，风扇所占的比例为8%～10%，风扇噪音也是机外辐射噪音的重要噪音源[1]。本文通过电控硅油风扇在某型液压挖掘机上的应用，使整机在25℃环境温度下油耗降低4.1%～4.7%，机外辐射噪声降低1.7分贝，司机位置噪声降低1.9分贝，展示了电控硅油风扇在节能、降噪方面的优势，为挖掘机节能、降噪设计提供新的思路。

关键词挖掘机;电控;风扇;节能;降噪

2015年1月1日起实施的土方机械国家Ⅱ阶段噪声限值标准，要求挖掘机机外辐射噪声、司机位置噪声相比Ⅰ阶段下降3dB（A）之多。同时，在市场竞争日益严酷的今天，节能已经成为各大主机厂夺取竞争制高点的必争之地。风扇噪声作为挖掘机的重要噪声源之一[2]，也是影响整机油耗水平的重要因素，必然成为挖掘机节能、降噪过程不可忽视的环节。

发动机冷却风扇噪声随转速增加而迅速提高，通常在低转速时，风扇噪声比发动机本体噪声低得多;但在高转速时，风扇噪声往往成为主要甚至最大噪声源[3]。由此可见，风扇转速越高，噪声越大，本文通过在某型液压挖掘机使用电控硅油风扇降低挖掘机绝大部分环境温度下的风扇转速以达到节能、降噪的效果。

1液压挖掘机风扇使用现状

目前挖掘机冷却风扇从转速情况来看有两种类型，定速风扇和变速风扇。定速风扇与发动机之间没有任何控制装置，风扇转速与发动机转速呈线性关系变化，也称直驱风扇。变速型风扇则根据发动机冷却水温、液压油温度和中冷温度改变转速，可确保发动机和液压系统在适当的温度下工作。这类风扇最常见的是硅油离合器风扇和液力风扇。液力风扇受空间及成本限制，目前主要应用在空间较大及成本敏感度较低的大型挖掘机上面，本文暂不讨论。

直驱风扇，它虽然结构简单，但忽视了水冷、油冷、中冷是不同的系统，随整车及发动机工况变化，分别有不同的散热特性要求，不能随时响应各温度恒定要求。挖掘机工作时，风扇转速仅与发动机转速相关，机构的“连续”性工作特性，在不需要工作时，仍然消耗发动机的动力，造成油耗高、噪声大、排放高等问题。

硅油离合器风扇是变速风扇的典型应用，硅油离合器以硅油为介质，随着挖掘机各系统温度高低的变化，硅油离合器分离、耦合，调节风扇以不同的转速转动，保证挖掘机在最适宜的温度下工作;延长发动机的使用寿命;同时减少不必要的发动机功率损耗;降低整机噪音。硅油风扇主要有温控硅油风扇和电控硅油风扇。

温控硅油风扇通过热敏双金属感温阀门来控制风扇的工作状态，风扇只有怠速和全啮合两种状态。温度小于指定值时，阀针压住控制销，硅油在前盖内，风扇怠速运行。温度大于指定值时，双金属片变形，阀针上移，控制销打开，风扇全啮合运行。

电控硅油风扇通过整机控制器收集发动机转速、散热器水温、液压油温、中冷温度、发动机进气温度、风扇转速信号，进行数据整理和计算，输出电脉冲指令到风扇的电磁线圈，控制电控硅油风扇离合器开度，使其达到风扇的目标转速;从而实现风扇怠速、部分啮合、全啮合的不同状态的精准控制，保证各系统在挖掘机的最佳工作状态。

2电控硅油风扇结构和工作原理

电控硅油风扇离合器主要由电磁线圈、储油腔、阀片、离合器等组成，其结构如图1：

硅油离合器是液体黏性离合调速装置，根据牛顿内摩擦定律，当两块板间充满黏性液体，其中一块板运动时，另一块板会受到黏性液体剪切力的作用而随之运动。在硅油离合器变速风扇结构中，主动板与发动机曲轴机械连接，从动板与风扇连接，通过改变硅油的流量，即可調整风扇的转速。

电控硅油风扇工作过程为：当线束不供电，电磁线圈没有电流通过，电磁力消失，阀片打开，硅油从储油罐通过进油孔进入离合器，硅油的黏滞力带动离合器啮合，风扇高速运转。当线束供电，电磁线圈有电流，电磁线圈产生的电磁力使阀片关闭，硅油无法从储油罐进入离合器，离合器内的硅油量减少，硅油黏滞力减弱，离合器分离，风扇低速运转。对于风扇转速的控制，是通过控制电磁线圈的输入电压脉冲信号的通电时间比例实现的，电磁线圈的通电时间比例控制阀片的开启和关闭时间比例，从而实现对电控硅油离合器的转速控制[4]。

3电控硅油风扇在某型液压挖掘机上的应用

由我司自主研发的某型液压挖掘机，原机使用直驱风扇，风扇是固定在发动机的上，由发动机直接驱动，其转速与发动机工作转速为线性关系，而与冷却系统工作温度无关。冷却系统在匹配设计时，是按最恶劣的条件下进行设计，比如要满足45℃环境温度可正常使用。而这个极端高温的环境是极少出现的，而在普通工作环境下，风扇一直在高速运行，冷却系统并不能在最佳工作温度下运行，造成发动机能量的浪费。同时高速运转的运转的风扇也使得整机机外辐射噪声、司机耳边噪声增大，长期处于高噪声的环境中，会对听觉造成不可逆转的伤害。为解决上述问题，同时保证在极端高温环境下整机的散热性能，决定在不改变风扇参数的前提下，使用电控硅油风扇对原机进行改装。

3.1 电控硅油风扇控制原理

电控硅油风扇控制原理：控制器检测冷却液温度、液压油温、中冷温度、发动机转速、风扇转速，并根据冷却液温度、液压油温度、中冷温度按照标定的温度和风扇转速关系计算对应的风扇目标转速，取三者的最高值作为最终目标转速。控制器对比风扇实际转速与目标转速，计算出风扇控制的占空比（PWM，Pulse Width Modulation），输出电压脉冲信号控制电控硅油离合器的线圈断电和通电时间比例，进而控制阀片打开和关闭硅油出油口的时间比例，达到控制硅油进入离合器工作腔的量比，实现风扇的闭环无级调速功能。如实际风扇转速与目标风扇转速不符，控制器通过计算再发出调整指令，直至实际风扇转速与指令风扇转速相符。

图2 电控硅油风扇控制图

3.2 节能、降噪效果验证

直驱风扇按照固定的速比与发动机同步转动，不受整机负载及工作环境等影响，功耗为发动机功率的 8%～12%[5]。而根据空气动力学的原理，风扇消耗功率与转速成三次方关系。同时，风扇噪声主要是空气动力噪声，空气动力噪声主要由旋转噪声和涡流噪声组成[6]。因为冷却风扇叶片尖端圆周速度不太大，相应的马赫数小于0.4，故由涡流引起的涡流噪声占主导地位[7]。而涡流噪声与风扇叶片圆周速度的5～6 次方成正比，风扇叶片的圆周速度越大，噪声越大，相同直径下，风扇的转速越高，噪声就越大[2]。根据上述理论，降低风扇转速可使风扇功耗和风扇噪声得到很大的改善。而电控硅油风扇可以降低占挖掘机工作绝大部分时间的非极限高温下的风扇转速，使挖掘机更加节能、静音。

（1）节能效果验证

在25℃环境温度下分别对直驱风扇、电控离合器风扇进行油耗测试，电控硅油风扇相对直驱风扇的节能效果见表1：

在25℃环境温度下，某型液压挖掘使用电控硅油风扇比直驱风扇可降低油耗4.1%～4.7%。理论上，随着环境温度上升，电控硅油风扇挖掘机油耗越来越接近直驱风扇挖掘机，直至环境温度达到极限温度，两者油耗相同。当环境温度下降，挖掘机各系统温度降低，电控硅油风扇转速降低，挖掘机油耗下降，直至电控硅油风扇达到其最低工作转速，油耗达到最低值。

（2）降噪效果验证

根据GB/T 25614-2010《土方机械声功率级的测定动态试验条件》、GB/T 25615-2010《土方机械司机位置发射声压级的测定动态试验条件》，使用LMS噪声振动分析仪对直驱风扇和离合器风扇进行噪声测试，测试结果见表2，表3：

试验结果表明，在某机型上将原机的直驱风扇改装为电控硅油风扇，可降低机外辐射噪声1.7dB（A），降低司机位置噪声1.9dB（A），达到降噪目的。

4结束语

某型液压挖掘机电控硅油风扇方案，根据整机的热负荷情况实时调整风扇转速，克服了直驱风扇因为不能对散热器水温、液压油温、中冷温度实时跟随造成的整机油耗高，噪声大的问题，取得很好的节能、降噪效果。

（1）在25℃环境温度下，电控硅油风扇可使整机工作油耗降低4.1%～4.7%。

（2）电控硅油风扇可使整机机外辐射噪声降低1.7dB（A），司机位置噪声降低1.9dB（A），更好地满足噪声法规要求。

参考文献

[1] 李焱.电磁离合风扇在液压挖掘机上的应用[J].科技展望，2013 （18）：115-118.

[2] 赵京星，俞松松，陆增俊.液压挖掘机机外辐射噪声分析与改进[J].价值工程，2013（33）：49-50.

[3] 杨晓芳.发动机冷却风扇噪声分析及其控制方法[J].广西轻工业，2011（3）：53.

[4] 冯高山.基于冷却热管理的商用车燃油经济性提升试验研究[J].装备制造技术，2018（4）：8-11，22.