某小型液压挖掘机的风道优化与降噪.pdf

试验 研究 T e s t a n d R e a s e a r c h 某小型液压挖掘机的风道 优化与降噪 陆增俊 ’ ， 俞松松 2 1 ． 东风柳州汽车有限公司； 2 ． 广西柳工机械股份有限公司 摘要 l 提升液压挖掘机的散热能力与降低噪声之间相互矛盾、 相互制约， 是产品设计阶段的重点和难点。为了更高效地 匹配散热系统 ， 并尽可能地节能降噪， 通过分析某小型液压挖掘机的噪声频谱 ， 准确识别主噪声源， 结合计算流体力学分 析 ， 对整车散热腔风道进行优化 ， 最终在满足热平衡需求的前提下， 使整机机外辐射噪声降低 5 ． 0 d B A ， 冷却风扇转速降 低 4 0 0 r ／ mI n ， 冷却风扇能耗降低 4 0． 9 ％。 关键词 散热； 噪声； 风道； 频谱 ； CF D 风扇噪声是液压挖掘机的 3 大主噪声源之一【 I】 ， 且风 扇消耗的功率达发动机输出功率的 5 9 1 2 ％ 闭 ，对整机风 道进行优化匹配， 提高风扇效率及热交换器的散热能力， 对提高整机作业效率及降低噪声具有十分重要的作用 ， 这也成为现阶段小型液压挖掘机节能降耗的主要技术手 段。 C F D C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a n i c s ， 计算流体动力学 技术可为整机风道设计指明方向，无需通过频繁地更换 换热器来满足整机散热需求 ，大大缩短产品研发周期13 1 ， 近年来 ， 已被广泛应用于汽车行业 ， 但在工程机械领域的 应用尚处于起步阶段，多用于对各部件进行单独分析H ， 对整机进行风道分析及优化的并不多见 。 本文结合某小型液压挖掘机整机噪声频谱特性及 C F D技术 ， 根据 C F D计算结果 、 热平衡及噪声测试结果 ， 为整机风道内各个部件的布置及相关参数的优化设计提 供依据 ，最终解决了限定换热器组体积及机外辐射噪声 条件下的散热问题 。 1 原机状况 1 ． 1 机外辐射噪声 对某小型液压挖掘机进行机外辐射噪声测试时 ， 整 机 6 个测点的位置及坐标值见图 1 和表 1 ， 对应所测得的 频谱如图 2 所示 ，可知整机右侧的辐射噪声明显大于左 侧。 为了验证装在右侧的风扇为整机主噪声源之一， 将风 扇拆除后 其他不变 进行再次测试， 得到图 3 所示噪声 频谱。 由图 3 可知 ， 风扇拆除后 ， 右后测点噪声下降约 3 ． 4 d B A ， 整机噪声下降高达约 6 ． 0 c m A ， 故风扇为整机的 作者简介 陆增俊 1 9 8 6 一 ， 男， 壮族， 广西崇左人， 助理工程师， 学士， 研究方向 NV H， CF D及热管理。 3 6 f 缸 俄J 2 D 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 械 第 4 5 卷 l 第7 期 总第 4 89 期 图 1 半球面上的测点布 置 8 5 7 5 6 5 表 1 测点位置及坐标值 m 测点 测点位置 y Z 1 左前 - 7 ． 0 - 7 ．0 1 ． 5 2 左高空 2 ． 7 - 6 ．5 7 ． 1 3 左后 7 ． 0 - 7 ．0 1 ． 5 4 右 后 7 ． 0 7 ． 0 1 ． 5 5 右高空 - 2 ．7 6 ． 5 7 ． 1 6 右前 - 7 ． 0 7 ． 0 1 ． 5 3 5 ．48 主噪声源之一 。 1 ． 2 频谱分析 8 0 1 2 5 2 0 0 3l 5 5 0 0 8 o o 1 6 O O 8 91 2 ． 5 1 AL 频率／ H z 图2 机外辐射噪声 1 ／ 3倍频图 卵 广一风扇的转速比； z 广风扇叶片数。 风扇噪声主要由旋转噪声和涡流噪声组成[5 1 ， 前者是 窄带噪声 ， 后者是宽带噪声。 旋转噪声主要体现在谐波频 率的一 、二阶噪声上 ，即 由风扇叶片周期性切割空气 引 起 ， 风扇谐波频率 计算式如下 i 1 U U 式中 谐波次数， i 1 ， 2 ， 3 ， 4 ⋯； n 发动机转速 ， r ／ mi n ； 8 5 7 5 6 5 根据某小型液压挖 掘机相关 参数 ， 由式 1 计算可 得 ，风扇谐波的一 、二阶噪声频率分别为 4 0 0 H z 和 8 0 0 Hz 。而由图 2 可知 ， 整机的主噪声频率为 3 1 5 H z ， 由此可 判断整机的主噪声源之一为风扇涡流噪声 。 1 。 3 热平衡测试 风扇旋转噪声与转速的 1 0 次方成正比 ， 涡流噪声与 转速 的 5 ～ 6 次方成正比，风扇能耗与转速的 3 次方成正 2 0 1 4 7 l 工稚 栈 l 3 7 一∞ p ， 繇 救 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验 - 研究 T e s t a n d Re a s e a r c h 8 。 曩 3 5．4 8 8 0 1 2 5 2 0 0 31 5 5 0 o 8 0 0 l 2 5 0 2 5 0 0 89 1 2．51 AL 频率／ Hz 图3 拆除风扇前后 1 ／ 3倍频对比图 1 L [6 1 。 因此， 在散热系统散热能力足够或仍有较大余量时 ， 尽可能地降低风扇转速， 是实现降噪 、 降风扇能耗最直接 有效的方法。 图 4 为某小型液压挖掘机的实测热平衡曲线。 由图 4 可知在环境温度为2 9 ． 2 ℃，风扇转速为2 6 1 0 r ／ mi n时， 水散热平衡温度为 8 1 ℃ ， 油散热平衡温度为 6 9℃， 换算 到极限环境温度 4 5 o C 下 ， 水温 约为 9 6 ． 8 ℃ ， 油温约为 3 8 l 工 缸敞 f 2 D “ 7 8 5 8 0 7 5 霎67 0 6 o 5 5 7 0 6 5 廷6 0 题5 5 5 0 4 5 8 4 ． 8 o C， 整机可满足热平衡条件 水温 低于 1 0 0℃ ， 油温 低于 8 5 。 c ， 但余量不大 ， 无法直接通过降低风 扇转速来 实现降噪 、 降风扇能耗的目的。 整机的主噪声源之一为风扇的涡流噪声 ，说明机腔 散热腔 内部空气流场十分混乱 ， 因此 ， 合理地匹配风 扇 ， 优化整机风道成为节能降噪的关键 。 测试风扇转速． 2 6 1 0 r ， n l i T 1 一环境温度一 2 9 ．6 c I【 测试风扇转速- I2 6 1 0 r ／ mi n 一 环境温度一 2 9 ．6 测试对问／ s 图 4 热平衡测试曲线 龇 H 王 I o ．宴 0 _【 』】 o ． 0 一∞ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 缸 拭 第 4 5 卷 I 第7 期 总第 4 8 9 期 赡 芒 赡 曩 7 5 3 5 ． 4 8 8 0 1 2 5 2 0 0 3 l 5 5 0 o 8 o o 1 6 0 o 891 2．5l AL 频率／ Hz 图 l 1 机外辐射噪声 1 ／ 3倍频图对 比 测 试风扇转速_ 2 2 1 0 r ／ mi n 一环境温度一 2 7 ． 6 7 5 测试时间／ s 图 1 2 优化风道后热平衡测试曲线 动， 有效提高了风扇效率 ， 改善 了换热器表面风速分布 的 均匀性， 减少了涡流噪声的产生； 2 进 、排风风 口位置及形式的优化使系统产生的热 量能够及时地排 出， 降低 了进 、 排风温度 ， 有效提高了换 热器的换热效率 ； 3 试验证明 ， 在满足热平衡需求的前提下 ， 通过风道 优化， 可降低整机机外辐射噪声 5 ． 0 d B A ， 降低冷却风 扇转速 4 0 0 r ／ ra i n ， 降低冷却风扇能耗 4 0 ． 9 ％， 从 而实现节 能降噪。 参考文献 【 l 1 温学芹， 贺元成， 洪震． 挖掘机嗓声分析与控制卟 机械管理 开发． 2 0 1 I 2 2 3 - 2 5 ． f 2 】 郭金海． 范爱芳． I程机械用冷却风扇的选择与匹配m I 程机械 ， 2 0 0 1 ， 3 2 7 2 7 2 9 ． 【 3 ] 李鸱飞 ， 徐敏义 ． 王飞飞． 精通 C F D I程仿真与案例实战 IM1 ． 北京 人 民邮 电出皈社 ． 2 0 1 1 ． [ 4 1 李琳． 液压挖掘机发动机冷却系统性能及I作参数匹配研 究p1 ． 长沙； 中南大学， 2 0 0 9 ． I S l 梁兴雨． 内燃机噪声控翩技术及声辐射预测研究p1 天津 天津大学， 2 0 0 6 ． 张克铭． 汽车风扇电磁散热离合 啪 客车技术与研究 ． 2 0 1 1 ． 2 1 i 2 1 - 2 3 ． 通信地址广西壮族自治区柳州市柳南区柳邕路柳汽二基 地柳汽技术中心 5 4 5 0 0 5 收稿日期 2 0 1 4 - 0 3 - 0 3 2 0 1 4 。 7 l 工稚杠械 1 4 1 一 一 ∞ P ， 趟救 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m