電控硅油風扇在某型液壓挖掘機上的節能、降噪應用分析

韋俊茂 蘇永志 黃武勇 劉興鑫

摘 要 風扇作為液壓挖掘機冷卻系統的一部分，其主要功能是確保挖掘機各系統溫度在處于最佳工作狀態。同時，在挖掘機的油耗影響因素中，風扇所占的比例為8%～10%，風扇噪音也是機外輻射噪音的重要噪音源[1]。本文通過電控硅油風扇在某型液壓挖掘機上的應用，使整機在25℃環境溫度下油耗降低4.1%～4.7%，機外輻射噪聲降低1.7分貝，司機位置噪聲降低1.9分貝，展示了電控硅油風扇在節能、降噪方面的優勢，為挖掘機節能、降噪設計提供新的思路。

關鍵詞 挖掘機;電控;風扇;節能;降噪

2015年1月1日起實施的土方機械國家Ⅱ階段噪聲限值標準，要求挖掘機機外輻射噪聲、司機位置噪聲相比Ⅰ階段下降3dB（A）之多。同時，在市場競爭日益嚴酷的今天，節能已經成為各大主機廠奪取競爭制高點的必爭之地。風扇噪聲作為挖掘機的重要噪聲源之一[2]，也是影響整機油耗水平的重要因素，必然成為挖掘機節能、降噪過程不可忽視的環節。

發動機冷卻風扇噪聲隨轉速增加而迅速提高，通常在低轉速時，風扇噪聲比發動機本體噪聲低得多;但在高轉速時，風扇噪聲往往成為主要甚至最大噪聲源[3]。由此可見，風扇轉速越高，噪聲越大，本文通過在某型液壓挖掘機使用電控硅油風扇降低挖掘機絕大部分環境溫度下的風扇轉速以達到節能、降噪的效果。

1液壓挖掘機風扇使用現狀

目前挖掘機冷卻風扇從轉速情況來看有兩種類型，定速風扇和變速風扇。定速風扇與發動機之間沒有任何控制裝置，風扇轉速與發動機轉速呈線性關系變化，也稱直驅風扇。變速型風扇則根據發動機冷卻水溫、液壓油溫度和中冷溫度改變轉速，可確保發動機和液壓系統在適當的溫度下工作。這類風扇最常見的是硅油離合器風扇和液力風扇。液力風扇受空間及成本限制，目前主要應用在空間較大及成本敏感度較低的大型挖掘機上面，本文暫不討論。

直驅風扇，它雖然結構簡單，但忽視了水冷、油冷、中冷是不同的系統，隨整車及發動機工況變化，分別有不同的散熱特性要求，不能隨時響應各溫度恒定要求。挖掘機工作時，風扇轉速僅與發動機轉速相關，機構的“連續”性工作特性，在不需要工作時，仍然消耗發動機的動力，造成油耗高、噪聲大、排放高等問題。

硅油離合器風扇是變速風扇的典型應用，硅油離合器以硅油為介質，隨著挖掘機各系統溫度高低的變化，硅油離合器分離、耦合，調節風扇以不同的轉速轉動，保證挖掘機在最適宜的溫度下工作;延長發動機的使用壽命;同時減少不必要的發動機功率損耗;降低整機噪音。硅油風扇主要有溫控硅油風扇和電控硅油風扇。

溫控硅油風扇通過熱敏雙金屬感溫閥門來控制風扇的工作狀態，風扇只有怠速和全嚙合兩種狀態。溫度小于指定值時，閥針壓住控制銷，硅油在前蓋內，風扇怠速運行。溫度大于指定值時，雙金屬片變形，閥針上移，控制銷打開，風扇全嚙合運行。

電控硅油風扇通過整機控制器收集發動機轉速、散熱器水溫、液壓油溫、中冷溫度、發動機進氣溫度、風扇轉速信號，進行數據整理和計算，輸出電脈沖指令到風扇的電磁線圈，控制電控硅油風扇離合器開度，使其達到風扇的目標轉速;從而實現風扇怠速、部分嚙合、全嚙合的不同狀態的精準控制，保證各系統在挖掘機的最佳工作狀態。

2電控硅油風扇結構和工作原理

電控硅油風扇離合器主要由電磁線圈、儲油腔、閥片、離合器等組成，其結構如圖1：

硅油離合器是液體黏性離合調速裝置，根據牛頓內摩擦定律，當兩塊板間充滿黏性液體，其中一塊板運動時，另一塊板會受到黏性液體剪切力的作用而隨之運動。在硅油離合器變速風扇結構中，主動板與發動機曲軸機械連接，從動板與風扇連接，通過改變硅油的流量，即可調整風扇的轉速。

電控硅油風扇工作過程為：當線束不供電，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油孔進入離合器，硅油的黏滯力帶動離合器嚙合，風扇高速運轉。當線束供電，電磁線圈有電流，電磁線圈產生的電磁力使閥片關閉，硅油無法從儲油罐進入離合器，離合器內的硅油量減少，硅油黏滯力減弱，離合器分離，風扇低速運轉。對于風扇轉速的控制，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現的，電磁線圈的通電時間比例控制閥片的開啟和關閉時間比例，從而實現對電控硅油離合器的轉速控制[4]。

3電控硅油風扇在某型液壓挖掘機上的應用

由我司自主研發的某型液壓挖掘機，原機使用直驅風扇，風扇是固定在發動機的上，由發動機直接驅動，其轉速與發動機工作轉速為線性關系，而與冷卻系統工作溫度無關。冷卻系統在匹配設計時，是按最惡劣的條件下進行設計，比如要滿足45℃環境溫度可正常使用。而這個極端高溫的環境是極少出現的，而在普通工作環境下，風扇一直在高速運行，冷卻系統并不能在最佳工作溫度下運行，造成發動機能量的浪費。同時高速運轉的運轉的風扇也使得整機機外輻射噪聲、司機耳邊噪聲增大，長期處于高噪聲的環境中，會對聽覺造成不可逆轉的傷害。為解決上述問題，同時保證在極端高溫環境下整機的散熱性能，決定在不改變風扇參數的前提下，使用電控硅油風扇對原機進行改裝。

3.1 電控硅油風扇控制原理

電控硅油風扇控制原理：控制器檢測冷卻液溫度、液壓油溫、中冷溫度、發動機轉速、風扇轉速，并根據冷卻液溫度、液壓油溫度、中冷溫度按照標定的溫度和風扇轉速關系計算對應的風扇目標轉速，取三者的最高值作為最終目標轉速。控制器對比風扇實際轉速與目標轉速，計算出風扇控制的占空比（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，進而控制閥片打開和關閉硅油出油口的時間比例，達到控制硅油進入離合器工作腔的量比，實現風扇的閉環無級調速功能。如實際風扇轉速與目標風扇轉速不符，控制器通過計算再發出調整指令，直至實際風扇轉速與指令風扇轉速相符。

圖2 電控硅油風扇控制圖

3.2 節能、降噪效果驗證

直驅風扇按照固定的速比與發動機同步轉動，不受整機負載及工作環境等影響，功耗為發動機功率的 8%～12%[5]。而根據空氣動力學的原理，風扇消耗功率與轉速成三次方關系。同時，風扇噪聲主要是空氣動力噪聲，空氣動力噪聲主要由旋轉噪聲和渦流噪聲組成[6]。因為冷卻風扇葉片尖端圓周速度不太大，相應的馬赫數小于0.4，故由渦流引起的渦流噪聲占主導地位[7]。而渦流噪聲與風扇葉片圓周速度的5～6 次方成正比，風扇葉片的圓周速度越大，噪聲越大，相同直徑下，風扇的轉速越高，噪聲就越大[2]。根據上述理論，降低風扇轉速可使風扇功耗和風扇噪聲得到很大的改善。而電控硅油風扇可以降低占挖掘機工作絕大部分時間的非極限高溫下的風扇轉速，使挖掘機更加節能、靜音。

（1）節能效果驗證

在25℃環境溫度下分別對直驅風扇、電控離合器風扇進行油耗測試，電控硅油風扇相對直驅風扇的節能效果見表1：

在25℃環境溫度下，某型液壓挖掘使用電控硅油風扇比直驅風扇可降低油耗4.1%～4.7%。理論上，隨著環境溫度上升，電控硅油風扇挖掘機油耗越來越接近直驅風扇挖掘機，直至環境溫度達到極限溫度，兩者油耗相同。當環境溫度下降，挖掘機各系統溫度降低，電控硅油風扇轉速降低，挖掘機油耗下降，直至電控硅油風扇達到其最低工作轉速，油耗達到最低值。

（2）降噪效果驗證

根據GB/T 25614-2010《土方機械? 聲功率級的測定? 動態試驗條件》、GB/T 25615-2010《土方機械? 司機位置發射聲壓級的測定 動態試驗條件》，使用LMS噪聲振動分析儀對直驅風扇和離合器風扇進行噪聲測試，測試結果見表2，表3：

試驗結果表明，在某機型上將原機的直驅風扇改裝為電控硅油風扇，可降低機外輻射噪聲1.7dB（A），降低司機位置噪聲1.9dB（A），達到降噪目的。

4結束語

某型液壓挖掘機電控硅油風扇方案，根據整機的熱負荷情況實時調整風扇轉速，克服了直驅風扇因為不能對散熱器水溫、液壓油溫、中冷溫度實時跟隨造成的整機油耗高，噪聲大的問題，取得很好的節能、降噪效果。

（1）在25℃環境溫度下，電控硅油風扇可使整機工作油耗降低4.1%～4.7%。

（2）電控硅油風扇可使整機機外輻射噪聲降低1.7dB（A），司機位置噪聲降低1.9dB（A），更好地滿足噪聲法規要求。

參考文獻

[1] 李焱.電磁離合風扇在液壓挖掘機上的應用[J].科技展望，2013 （18）：115-118.

[2] 趙京星，俞松松，陸增俊.液壓挖掘機機外輻射噪聲分析與改進[J].價值工程，2013（33）：49-50.

[3] 楊曉芳.發動機冷卻風扇噪聲分析及其控制方法[J].廣西輕工業，2011（3）：53.

[4] 馮高山.基于冷卻熱管理的商用車燃油經濟性提升試驗研究[J].裝備制造技術，2018（4）：8-11，22.

[5] 魏靖，廖明軍.電控硅油離合器在工程機械上的應用[J].建筑機械化，2015（2）：58-59，101.

[6] 楊曉芳.發動機冷卻風扇噪聲分析及其控制方法[J].廣西輕工業，2011（3）：53.

[7] 方建華，周以齊，焦培剛，等.基于逆向和CFD的挖掘機冷卻風扇降噪分析[J]武漢理工大學學報，2009（15）：86-90.

作者簡介

韋俊茂（1985-），男，廣西都安人;職稱：工程師，現就職單位：廣西柳工機械股份有限公司，研究方向：挖掘機試驗研究。