挖掘機用柴油機前端輪系設(shè)計研究與優(yōu)化

尚星宇 鄭國世 趙威 李玉松 代凱 朱旭

摘要：本文介紹了挖掘機用柴油機前端輪系設(shè)計研究與優(yōu)化的過程和成果，詳細介紹了柴油機前端輪系異響的原因分析、設(shè)計優(yōu)化措施及結(jié)果。首先，確定風(fēng)扇皮帶輪包角過小和風(fēng)扇功率消耗過大是導(dǎo)致輪系異響的主要原因。然后，制定設(shè)計優(yōu)化措施，通過增加惰輪來改善風(fēng)扇皮帶輪包角，通過降低挖掘機匹配的風(fēng)扇功率消耗，使皮帶滑移率等技術(shù)參數(shù)滿足設(shè)計標準。最后，通過仿真計算和試驗驗證，將研究成果和設(shè)計優(yōu)化措施轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，解決柴油機前端輪系異響，使挖掘機的整體噪聲品質(zhì)得到明顯改善。

Abstract： This thesis introduces the optimization process and achievement of engine FEAD system for the excavator. Fist， confirm the main reason of FEAD system sound contains the fan pulley warp too low and the fan power too high. Second， make actions to solve the problem by adding a idle pulley and matching a low power fan. Last， transfer the research to production after simulation and test， which solve the FEAD system sound and improve the sound quality of excavator.

關(guān)鍵詞：柴油機;前端輪系;噪聲異響;設(shè)計研究;優(yōu)化改進

Key words： diesel engine;front gear train;abnormal noise;design research;optimization and improvement

中圖分類號：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0003-02

0? 引言

本文針對某挖掘機用七升柴油機前端輪系異響問題，進行了柴油機前端輪系設(shè)計研究與優(yōu)化。并且將研究成果和優(yōu)化措施轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，解決了柴油機前端輪系異響問題，使挖掘機的整體噪聲品質(zhì)得到明顯改善。

1? 異響問題描述

某挖掘機匹配七升柴油機，在終端客戶使用挖掘機累計工作200小時后，出現(xiàn)柴油機前端輪系異響，異響聲尖銳刺耳。柴油機制造商聯(lián)合挖掘機制造商共同走訪終端客戶，調(diào)查挖掘機用柴油機前端輪系異響問題，調(diào)查結(jié)果表明，同一款柴油機在同一款挖掘機上多次發(fā)生前端輪系異響。

2? 原因調(diào)查和分析

通過終端客戶調(diào)查，對柴油機前端輪系異響的零件和挖掘機匹配的風(fēng)扇總成進行檢查分析，初步判定前端輪系異響可能與柴油機前端輪系設(shè)計以及挖掘機匹配的風(fēng)扇等因素有關(guān)。柴油機前端輪系異響的因素，主要包括以下兩方面：一是前端輪系的皮帶打滑，該失效原因與輪系設(shè)計的可靠性和合理性緊密相關(guān)。輪系自身設(shè)計是否合理可以通過漲緊輪擺幅、皮帶滑移率、皮帶抖動量來判定。二是皮帶漲緊力不夠，客戶匹配風(fēng)扇功率偏大，會導(dǎo)致皮帶漲緊力不夠，風(fēng)扇是客戶根據(jù)挖掘機散熱量需求進行匹配安裝的，該柴油機及相同前端輪系，在其它工程機械應(yīng)用上（如鉆機、攤鋪機、銑刨機等），均未出現(xiàn)異響，因此挖掘機匹配風(fēng)扇的功率消耗，是本次原因調(diào)查分析的重點因素。

通過SIMDRIVE軟件對該輪系進行仿真計算，評價該輪系的皮帶滑移率、漲緊輪擺動量、皮帶抖動量參數(shù)是否滿足輪系設(shè)計標準要求，前端輪系的三個參數(shù)的計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

由此可見，仿真計算結(jié)果表明，皮帶滑移率超出設(shè)計標準，即柴油機轉(zhuǎn)速超過1500r/min時，皮帶在風(fēng)扇皮帶輪處滑移率超出2%的設(shè)計標準要求，因此，初步判定皮帶打滑是導(dǎo)致前端輪系異響的原因之一，下面從兩方面分析導(dǎo)致皮帶打滑的原因。

2.1 前端輪系布置研究

以下對本文描述的柴油機輪系布置進行研究，如圖1所示。然后根據(jù)柴油機前端輪系設(shè)計原則對該輪系進行校核，如表2所示。

由此可見，前端輪系布置校核結(jié)果表明，皮帶輪包角中，風(fēng)扇皮帶輪的皮帶包角僅為87.1°，遠小于設(shè)計標準（≥120°），不滿足設(shè)計要求。皮帶跨度方面，各個皮帶輪之間的跨度均在設(shè)計標準要求范圍內(nèi)，滿足設(shè)計標準要求（75～460mm）。

2.2 皮帶漲緊力研究

該款柴油機及相同前端輪系應(yīng)用于挖掘機及其它工程機械時，風(fēng)扇總成都是由客戶根據(jù)設(shè)備散熱量的需求進行匹配的，該款挖掘機匹配的風(fēng)扇功率消耗是18.29kW，其它客戶匹配的風(fēng)扇功率消耗都小于該款風(fēng)扇總成，并且未發(fā)生前端輪系異響。因此，匹配的風(fēng)扇功率消耗是本次解決輪系異響的重點關(guān)注項。

本次設(shè)計研究，從市場上選取兩種常用的功率消耗16.6kW和12.53kW的風(fēng)扇總成，分別將風(fēng)扇功率消耗曲線輸入到SIMDRIVE軟件中，進行仿真計算，對比輪系皮帶滑移率、漲緊輪擺動量、皮帶抖動量，并校核是否滿足輪系設(shè)計標準要求，仿真計算結(jié)果如表3所示。

由此可見，根據(jù)仿真計算結(jié)果，顯示該輪系匹配不同功率消耗的風(fēng)扇對輪系的皮帶滑移率影響最大，仿真計算分析結(jié)果表明，該前端輪系僅在采用12.53kW功率消耗的風(fēng)扇情況下，皮帶滑移率滿足設(shè)計標準要求。

3? 設(shè)計優(yōu)化和試驗驗證

3.1 前端輪系設(shè)計優(yōu)化

設(shè)計優(yōu)化從兩個方面入手：

第一，柴油機前端輪系布置設(shè)計優(yōu)化。

第二，挖掘機風(fēng)扇功率消耗匹配優(yōu)化。

3.1.1 輪系布置設(shè)計優(yōu)化

為增加風(fēng)扇皮帶輪的包角，在發(fā)電機與風(fēng)扇皮帶輪之間增加一個惰輪，如圖2所示。根據(jù)設(shè)計標準要求，皮帶長度增加到1762.5mm，設(shè)計優(yōu)化后的前端輪系布置校核結(jié)果如表4所示。

前端輪系布置設(shè)計優(yōu)化后，首先，增加風(fēng)扇皮帶輪的包角，由原來的87.3°增加到120.3°，其次，發(fā)電機與風(fēng)扇皮帶輪之間在原輪系中跨度最大，通過增加惰輪，跨度由原來的360.4mm被惰輪分隔為跨度為84.9mm和217mm兩段，有利于降低皮帶抖動過大引起的噪音，進而優(yōu)化輪系音質(zhì)。

3.1.2 風(fēng)扇總成匹配優(yōu)化

柴油機制造商聯(lián)合挖掘機制造商對風(fēng)扇進行重新選型，推薦采用12.56kW功率消耗的風(fēng)扇總成。風(fēng)扇功率消耗降低，可能降低挖掘機散熱器（水箱）的散熱量，挖掘機制造商通過增大散熱器容量達到提升散熱效率的效果，在設(shè)計變更最小的情況下解決柴油機前端輪系異響問題。

3.2 前端輪系仿真計算

根據(jù)優(yōu)化后的前端輪系布置，將附件負載以及新選型的風(fēng)扇功率消耗曲線輸入到SIMDRIVE軟件中進行仿真計算，仿真計算設(shè)計優(yōu)化后的前端輪系的皮帶滑移率、漲緊輪擺動量、皮帶抖動量均滿足設(shè)計標準要求。

3.3 前端輪系試驗驗證

為驗證設(shè)計優(yōu)化后前端輪系的實際效果，將研究成果轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品-惰輪總成和長度1762.5mm的皮帶，在挖掘機上匹配12.56kW功率消耗的風(fēng)扇總成，在發(fā)生輪系異響的終端客戶處，安裝檢驗設(shè)計優(yōu)化效果，試驗結(jié)果證明：柴油機前端輪系異響消除。后期跟蹤6個月，異響沒有發(fā)生。

4? 結(jié)論

通過柴油機前端輪系設(shè)計研究和優(yōu)化，首先增加惰輪，將風(fēng)扇皮帶輪包角增加到120.3°，滿足設(shè)計標準，然后適當(dāng)降低挖掘機匹配的冷卻風(fēng)扇的功率消耗，通過仿真計算，確定12.56kW功率消耗的風(fēng)扇。本文的柴油機前端輪系設(shè)計研究和優(yōu)化思想，為解決柴油機前端輪系異響問題和前端輪系設(shè)計提供了技術(shù)參考和借鑒。

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