挖掘機用柴油機前端輪系設計研究與優化

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計研究與優化的過程和成果，詳細介紹了柴油機前端輪系異響的原因分析、設計優化措施及結果。首先，確定風扇皮帶輪包角過小和風扇功率消耗過大是導致輪系異響的主要原因。然后，制定設計優化措施，通過增加惰輪來改善風扇皮帶輪包角，通過降低挖掘機匹配的風扇功率消耗，使皮帶滑移率等技術參數滿足設計標準。最后，通過仿真計算和試驗驗證，將研究成果和設計優化措施轉化為產品，解決柴油機前端輪系異響，使挖掘機的整體噪聲品質得到明顯改善。

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.

關鍵詞：柴油機;前端輪系;噪聲異響;設計研究;優化改進

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計研究與優化。并且將研究成果和優化措施轉化為產品，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，出現柴油機前端輪系異響，異響聲尖銳刺耳。柴油機制造商聯合挖掘機制造商共同走訪終端客戶，調查挖掘機用柴油機前端輪系異響問題，調查結果表明，同一款柴油機在同一款挖掘機上多次發生前端輪系異響。

2? 原因調查和分析

通過終端客戶調查，對柴油機前端輪系異響的零件和挖掘機匹配的風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計以及挖掘機匹配的風扇等因素有關。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計的可靠性和合理性緊密相關。輪系自身設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，客戶匹配風扇功率偏大，會導致皮帶漲緊力不夠，風扇是客戶根據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，在其它工程機械應用上（如鉆機、攤鋪機、銑刨機等），均未出現異響，因此挖掘機匹配風扇的功率消耗，是本次原因調查分析的重點因素。

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、皮帶抖動量參數是否滿足輪系設計標準要求，前端輪系的三個參數的計算結果匯總如表1所示。

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

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。然后根據柴油機前端輪系設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果表明，皮帶輪包角中，風扇皮帶輪的皮帶包角僅為87.1°，遠小于設計標準（≥120°），不滿足設計要求。皮帶跨度方面，各個皮帶輪之間的跨度均在設計標準要求范圍內，滿足設計標準要求（75～460mm）。

2.2 皮帶漲緊力研究

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

本次設計研究，從市場上選取兩種常用的功率消耗16.6kW和12.53kW的風扇總成，分別將風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計標準要求，仿真計算結果如表3所示。

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

3? 設計優化和試驗驗證

3.1 前端輪系設計優化

設計優化從兩個方面入手：

第一，柴油機前端輪系布置設計優化。

第二，挖掘機風扇功率消耗匹配優化。

3.1.1 輪系布置設計優化

為增加風扇皮帶輪的包角，在發電機與風扇皮帶輪之間增加一個惰輪，如圖2所示。根據設計標準要求，皮帶長度增加到1762.5mm，設計優化后的前端輪系布置校核結果如表4所示。

前端輪系布置設計優化后，首先，增加風扇皮帶輪的包角，由原來的87.3°增加到120.3°，其次，發電機與風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，進而優化輪系音質。

3.1.2 風扇總成匹配優化

柴油機制造商聯合挖掘機制造商對風扇進行重新選型，推薦采用12.56kW功率消耗的風扇總成。風扇功率消耗降低，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

根據優化后的前端輪系布置，將附件負載以及新選型的風扇功率消耗曲線輸入到SIMDRIVE軟件中進行仿真計算，仿真計算設計優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計標準要求。

3.3 前端輪系試驗驗證

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

4? 結論

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

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