羅柏香，俞松松，余歷晴，白 容

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，住宅建設(shè)、鋪設(shè)路面、管道埋設(shè)、攔壩建橋挖渠等工程發(fā)展也越來越快[1]，挖掘機(jī)也得到了更加廣泛的應(yīng)用，客戶對挖掘機(jī)的需求也越來越多樣化，而不僅僅滿足于整機(jī)性能上的需求。隨著各地土方建設(shè)蓬勃興起對挖掘機(jī)性能要求的提升及城市噪音、環(huán)?？刂品ㄒ?guī)要求，顧客除了整機(jī)性能外，還越來越關(guān)注整機(jī)降噪及外觀等舒適特性，而側(cè)門百葉窗的設(shè)計(jì)對整機(jī)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(jìn)風(fēng)側(cè)門是液壓挖掘機(jī)的部件之一，挖掘機(jī)的一些重要機(jī)器部件和設(shè)備都放在進(jìn)風(fēng)側(cè)門內(nèi)，如發(fā)動機(jī)、散熱器及電瓶等，這就要求進(jìn)風(fēng)側(cè)門不但是封閉式的，而且還要防塵，維護(hù)方便，有效防止機(jī)艙噪聲透射出來的同時(shí)，并盡可能地減小對進(jìn)風(fēng)量的損失，百葉窗在挖掘機(jī)上滿足上述要求且應(yīng)用廣泛。但是百葉窗影響到整機(jī)噪聲與散熱等關(guān)鍵性能，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

本文利用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）分析方法，對比百葉窗結(jié)構(gòu)形式對進(jìn)風(fēng)流場的影響，并在某中型挖掘機(jī)上，對折彎板式、圓弧沖壓式百葉窗的整機(jī)機(jī)外輻射噪聲與進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行了對比，結(jié)果表明圓弧沖壓式在CFD 分析與實(shí)測上均優(yōu)于折彎板式。更進(jìn)一步，在圓弧沖壓式百葉窗基礎(chǔ)上，對不同百葉角度進(jìn)行了CFD分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了機(jī)外輻射噪聲、進(jìn)風(fēng)量隨百葉角度的變化關(guān)系，得到了最佳的角度值。

1 結(jié)構(gòu)形式對比

百葉窗作為整機(jī)風(fēng)道的起始點(diǎn)，降低風(fēng)阻將會使空氣流動更加順暢，更有利于將機(jī)艙內(nèi)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(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)成本低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；圓弧沖壓式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：利用模具一次沖壓成型，生產(chǎn)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(jié)構(gòu)對進(jìn)風(fēng)量的影響，對進(jìn)風(fēng)側(cè)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(xiàn)象，是由于折彎處過于生硬，使氣體回流產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致風(fēng)能損失及空氣動力性噪聲的產(chǎn)生；而空氣在圓弧沖壓式百葉圓弧處未產(chǎn)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(jié)構(gòu)形式對進(jìn)風(fēng)量的影響

為了有效驗(yàn)證圖1 所示的兩種側(cè)門不同百葉結(jié)構(gòu)形式對風(fēng)量的影響，分別對散熱器表面進(jìn)行了風(fēng)速測試，測試結(jié)果見表1。

表1 不同百葉窗形式的散熱器表面風(fēng)速對比

從表1 測試數(shù)據(jù)對比結(jié)果可知，圓弧沖壓式百葉窗的散熱器表面平均風(fēng)速比折彎板式百葉窗的增幅達(dá)6%，水散的表面風(fēng)速增幅達(dá)6%，油散和中冷器的表面風(fēng)速增幅均達(dá)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(fēng)速，增加風(fēng)量從而提高散熱性能。

2 百葉角度優(yōu)化

綜上分析可知，在空氣動力學(xué)與噪聲方面，圓弧沖壓式結(jié)構(gòu)均優(yōu)于折彎板式。然而，圓弧沖壓式的安裝角度（圖4）對噪聲與進(jìn)風(fēng)量的影響，需進(jìn)一步進(jìn)行探討與分析。

圖4 百葉角度示意

2.1 百葉角度對進(jìn)風(fēng)量的影響

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

圖5 壓降隨百葉角度變化

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

圖6 散熱器表面風(fēng)速測試示意

圖7 進(jìn)風(fēng)速度隨百葉角度變化

2.2 百葉角度對機(jī)外輻射噪聲的影響

由上可知，百葉角度增大有利于提高進(jìn)風(fēng)量，從而提高散熱效率，但對機(jī)外輻射噪聲的影響需進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，對整機(jī)進(jìn)行了噪聲測試，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 機(jī)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(shí)，風(fēng)速最小，噪聲值最大，隨著百葉角度逐漸增大，風(fēng)速越來越大，噪聲值反而逐漸減小。當(dāng)百葉角度為50°～75°時(shí)，風(fēng)速基本不變，但機(jī)外噪聲由大變小后變大，在60°達(dá)到最小噪音。因此，合理利用50°～75°的百葉角度，既有利于進(jìn)風(fēng)量，也有利于降噪。

3 百葉窗設(shè)計(jì)方案

通過百葉角度對進(jìn)風(fēng)量和噪音影響的分析，結(jié)合工程應(yīng)用的實(shí)際情況，對應(yīng)的設(shè)計(jì)方案如下：

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

（2）側(cè)門百葉窗的百葉角度設(shè)計(jì)為60°。如圖8所示，百葉角度在50°～75°時(shí)，既有利于進(jìn)風(fēng)量，也有利于降噪?？紤]到防塵要求，百葉角度不宜過大，由于百葉角度過大時(shí)，粉塵極容易隨風(fēng)進(jìn)入，并附在散熱器表面，隨著工作時(shí)間加長，散熱效率反而變差，故最終將百葉窗角度設(shè)計(jì)為60°。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證百葉窗設(shè)計(jì)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(jī)進(jìn)行熱平衡測試和噪聲測試對比，測試數(shù)據(jù)見表2和表3。

表2 熱平衡測試數(shù)據(jù)

表3 機(jī)外輻射噪聲測試數(shù)據(jù)

由上述測試數(shù)據(jù)可知，百葉角度為60°對比百葉角度為30°，發(fā)動機(jī)水溫降幅達(dá)3%，液壓油溫降幅達(dá)5%，中冷溫度降幅達(dá)2%；同時(shí)機(jī)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(yōu)，目前該方案已應(yīng)用至中大型挖掘機(jī)上，市場反饋良好。

5 結(jié)語

（1）進(jìn)風(fēng)側(cè)門的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，有利于改善局部渦流，降低風(fēng)能損耗。

（2）優(yōu)化側(cè)門百葉窗的百葉角度有利于整機(jī)噪音和散熱性能。通過CFD 分析與試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了百葉角度對進(jìn)風(fēng)量和噪音的影響規(guī)律，為側(cè)門百葉窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開闊了思路，對其他機(jī)型的進(jìn)風(fēng)側(cè)門設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，也說明了仿真方法與試驗(yàn)的正確性。