基于噪聲與CFD 分析的挖掘機百葉窗設計

羅柏香，俞松松，余歷晴，白 容

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

隨著社會的發展，住宅建設、鋪設路面、管道埋設、攔壩建橋挖渠等工程發展也越來越快[1]，挖掘機也得到了更加廣泛的應用，客戶對挖掘機的需求也越來越多樣化，而不僅僅滿足于整機性能上的需求。隨著各地土方建設蓬勃興起對挖掘機性能要求的提升及城市噪音、環保控制法規要求，顧客除了整機性能外，還越來越關注整機降噪及外觀等舒適特性，而側門百葉窗的設計對整機噪聲與散熱效果具有重要影響，本文特對此課題展開分析論述。進風側門是液壓挖掘機的部件之一，挖掘機的一些重要機器部件和設備都放在進風側門內，如發動機、散熱器及電瓶等，這就要求進風側門不但是封閉式的，而且還要防塵，維護方便，有效防止機艙噪聲透射出來的同時，并盡可能地減小對進風量的損失，百葉窗在挖掘機上滿足上述要求且應用廣泛。但是百葉窗影響到整機噪聲與散熱等關鍵性能，其結構的優化設計至關重要。

本文利用CFD（計算流體力學）分析方法，對比百葉窗結構形式對進風流場的影響，并在某中型挖掘機上，對折彎板式、圓弧沖壓式百葉窗的整機機外輻射噪聲與進風量進行了對比，結果表明圓弧沖壓式在CFD 分析與實測上均優于折彎板式。更進一步，在圓弧沖壓式百葉窗基礎上，對不同百葉角度進行了CFD分析與試驗驗證，獲得了機外輻射噪聲、進風量隨百葉角度的變化關系，得到了最佳的角度值。

1 結構形式對比

百葉窗作為整機風道的起始點，降低風阻將會使空氣流動更加順暢，更有利于將機艙內的高溫空氣迅速排出[2]，從而改善和提高散熱性能。

目前，百葉窗主要有折彎板式、圓弧沖壓式兩種形式，如圖1 所示。折彎板式結構優點：生產成本低，結構強度滿足設計要求；圓弧沖壓式結構優點：利用模具一次沖壓成型，生產效率高，一致性好。

圖1 百葉窗形式

1.1 CFD 分析與對比

為了分析百葉窗結構對進風量的影響，對進風側門建立了CFD 模型如圖2 所示。從圖3 CFD 分析流線可知，空氣在折彎板百葉的折彎處有渦流現象，是由于折彎處過于生硬，使氣體回流產生渦流，導致風能損失及空氣動力性噪聲的產生；而空氣在圓弧沖壓式百葉圓弧處未產生渦流，流動順暢。

圖2 CFD 分析模型

圖3 不同百葉窗形式的流線對比

1.2 不同結構形式對進風量的影響

為了有效驗證圖1 所示的兩種側門不同百葉結構形式對風量的影響，分別對散熱器表面進行了風速測試，測試結果見表1。

表1 不同百葉窗形式的散熱器表面風速對比

從表1 測試數據對比結果可知，圓弧沖壓式百葉窗的散熱器表面平均風速比折彎板式百葉窗的增幅達6%，水散的表面風速增幅達6%，油散和中冷器的表面風速增幅均達5%，由此可見，圓弧沖壓式百葉窗更有利于提高散熱器表面風速，增加風量從而提高散熱性能。

2 百葉角度優化

綜上分析可知，在空氣動力學與噪聲方面，圓弧沖壓式結構均優于折彎板式。然而，圓弧沖壓式的安裝角度（圖4）對噪聲與進風量的影響，需進一步進行探討與分析。

圖4 百葉角度示意

2.1 百葉角度對進風量的影響

為了進一步分析百葉角度對進風量的影響，同理利用CFD 方法，對不同百葉角度的模型，進行對比仿真，Inlet flow 邊界設置速度入口，速度為5 m/s。對比模型進出口的壓降，壓降越大，進風阻力越大，進風量將越小[3]，得壓降隨百葉角度的變化關系如圖5 所示，隨著百葉角度增大（迎風角度減小），越有利于進風，進風阻力逐漸減小。

圖5 壓降隨百葉角度變化

為了驗證百葉角度對風速影響，對散熱器表面進行了風速測試（圖6），測試結果如圖7 所示，在樣機百葉窗角度為30°時，空氣流動阻力最大，風速最低，隨著百葉角度的增大，平均風速增大。當百葉角度為40°時，進風速度提高了0.6 m/s，比原機30°時進風速度提高了13.5%；當百葉角度在55°～75°范圍時，比原機30°時進風速度提高了12.6%～16.8%左右。由此可見，百葉角度對冷卻系統的散熱性能有著至關重要的影響，可以通過優化百葉角度來改善冷卻系統的散熱性能。

圖6 散熱器表面風速測試示意

圖7 進風速度隨百葉角度變化

2.2 百葉角度對機外輻射噪聲的影響

由上可知，百葉角度增大有利于提高進風量，從而提高散熱效率，但對機外輻射噪聲的影響需進一步驗證。因此，對整機進行了噪聲測試，測試結果如圖8所示。

圖8 機外輻射噪聲隨百葉角度變化

綜合圖7、圖8，百葉角度為30°時，風速最小，噪聲值最大，隨著百葉角度逐漸增大，風速越來越大，噪聲值反而逐漸減小。當百葉角度為50°～75°時，風速基本不變，但機外噪聲由大變小后變大，在60°達到最小噪音。因此，合理利用50°～75°的百葉角度，既有利于進風量，也有利于降噪。

3 百葉窗設計方案

通過百葉角度對進風量和噪音影響的分析，結合工程應用的實際情況，對應的設計方案如下：

（1）側門百葉窗的百葉結構采用圓弧沖壓式。圓弧沖壓式百葉的流線型結構，可使其內面向流道方向上具有圓滑過渡，改善局部渦流，更有利于風能的傳遞。

（2）側門百葉窗的百葉角度設計為60°。如圖8所示，百葉角度在50°～75°時，既有利于進風量，也有利于降噪。考慮到防塵要求，百葉角度不宜過大，由于百葉角度過大時，粉塵極容易隨風進入，并附在散熱器表面，隨著工作時間加長，散熱效率反而變差，故最終將百葉窗角度設計為60°。

4 試驗驗證

為了驗證百葉窗設計方案，選取百葉角度為30°和百葉角度為60°兩種圓弧沖壓式百葉窗，分別對樣機進行熱平衡測試和噪聲測試對比，測試數據見表2和表3。

表2 熱平衡測試數據

表3 機外輻射噪聲測試數據

由上述測試數據可知，百葉角度為60°對比百葉角度為30°，發動機水溫降幅達3%，液壓油溫降幅達5%，中冷溫度降幅達2%；同時機外輻射噪聲降低1 dB。由此可見，百葉角度為60°的圓弧沖壓式百葉窗為對比方案的最優，目前該方案已應用至中大型挖掘機上，市場反饋良好。

5 結語

（1）進風側門的結構形式對散熱性能影響較大，采用圓弧沖壓式百葉的流線型結構，有利于改善局部渦流，降低風能損耗。

（2）優化側門百葉窗的百葉角度有利于整機噪音和散熱性能。通過CFD 分析與試驗測試，驗證了百葉角度對進風量和噪音的影響規律，為側門百葉窗的結構設計開闊了思路，對其他機型的進風側門設計有一定的指導意義，也說明了仿真方法與試驗的正確性。