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(jī)用柴油機(jī)前端輪系設(shè)計(jì)研究與優(yōu)化的過程和成果，詳細(xì)介紹了柴油機(jī)前端輪系異響的原因分析、設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)。最后，通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，將研究成果和設(shè)計(jì)優(yōu)化措施轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，解決柴油機(jī)前端輪系異響，使挖掘機(jī)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(jī);前端輪系;噪聲異響;設(shè)計(jì)研究;優(yōu)化改進(jìn)

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

中圖分類號(hào)：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0003-02

0? 引言

本文針對(duì)某挖掘機(jī)用七升柴油機(jī)前端輪系異響問題，進(jìn)行了柴油機(jī)前端輪系設(shè)計(jì)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(jī)前端輪系異響問題，使挖掘機(jī)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(jī)匹配七升柴油機(jī)，在終端客戶使用挖掘機(jī)累計(jì)工作200小時(shí)后，出現(xiàn)柴油機(jī)前端輪系異響，異響聲尖銳刺耳。柴油機(jī)制造商聯(lián)合挖掘機(jī)制造商共同走訪終端客戶，調(diào)查挖掘機(jī)用柴油機(jī)前端輪系異響問題，調(diào)查結(jié)果表明，同一款柴油機(jī)在同一款挖掘機(jī)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(duì)柴油機(jī)前端輪系異響的零件和挖掘機(jī)匹配的風(fēng)扇總成進(jìn)行檢查分析，初步判定前端輪系異響可能與柴油機(jī)前端輪系設(shè)計(jì)以及挖掘機(jī)匹配的風(fēng)扇等因素有關(guān)。柴油機(jī)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(jì)的可靠性和合理性緊密相關(guān)。輪系自身設(shè)計(jì)是否合理可以通過漲緊輪擺幅、皮帶滑移率、皮帶抖動(dòng)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(huì)導(dǎo)致皮帶漲緊力不夠，風(fēng)扇是客戶根據(jù)挖掘機(jī)散熱量需求進(jìn)行匹配安裝的，該柴油機(jī)及相同前端輪系，在其它工程機(jī)械應(yīng)用上（如鉆機(jī)、攤鋪機(jī)、銑刨機(jī)等），均未出現(xiàn)異響，因此挖掘機(jī)匹配風(fēng)扇的功率消耗，是本次原因調(diào)查分析的重點(diǎn)因素。

通過SIMDRIVE軟件對(duì)該輪系進(jìn)行仿真計(jì)算，評(píng)價(jià)該輪系的皮帶滑移率、漲緊輪擺動(dòng)量、皮帶抖動(dòng)量參數(shù)是否滿足輪系設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，前端輪系的三個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

由此可見，仿真計(jì)算結(jié)果表明，皮帶滑移率超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即柴油機(jī)轉(zhuǎn)速超過1500r/min時(shí)，皮帶在風(fēng)扇皮帶輪處滑移率超出2%的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)本文描述的柴油機(jī)輪系布置進(jìn)行研究，如圖1所示。然后根據(jù)柴油機(jī)前端輪系設(shè)計(jì)原則對(duì)該輪系進(jìn)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(yuǎn)小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（≥120°），不滿足設(shè)計(jì)要求。皮帶跨度方面，各個(gè)皮帶輪之間的跨度均在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求（75～460mm）。

2.2 皮帶漲緊力研究

該款柴油機(jī)及相同前端輪系應(yīng)用于挖掘機(jī)及其它工程機(jī)械時(shí)，風(fēng)扇總成都是由客戶根據(jù)設(shè)備散熱量的需求進(jìn)行匹配的，該款挖掘機(jī)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(diǎn)關(guān)注項(xiàng)。

本次設(shè)計(jì)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(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比輪系皮帶滑移率、漲緊輪擺動(dòng)量、皮帶抖動(dòng)量，并校核是否滿足輪系設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，仿真計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由此可見，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，顯示該輪系匹配不同功率消耗的風(fēng)扇對(duì)輪系的皮帶滑移率影響最大，仿真計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3? 設(shè)計(jì)優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 前端輪系設(shè)計(jì)優(yōu)化

設(shè)計(jì)優(yōu)化從兩個(gè)方面入手：

第一，柴油機(jī)前端輪系布置設(shè)計(jì)優(yōu)化。

第二，挖掘機(jī)風(fēng)扇功率消耗匹配優(yōu)化。

3.1.1 輪系布置設(shè)計(jì)優(yōu)化

為增加風(fēng)扇皮帶輪的包角，在發(fā)電機(jī)與風(fēng)扇皮帶輪之間增加一個(gè)惰輪，如圖2所示。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，皮帶長度增加到1762.5mm，設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)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(dòng)過大引起的噪音，進(jìn)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(jī)制造商聯(lián)合挖掘機(jī)制造商對(duì)風(fēng)扇進(jìn)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(jī)散熱器（水箱）的散熱量，挖掘機(jī)制造商通過增大散熱器容量達(dá)到提升散熱效率的效果，在設(shè)計(jì)變更最小的情況下解決柴油機(jī)前端輪系異響問題。

3.2 前端輪系仿真計(jì)算

根據(jù)優(yōu)化后的前端輪系布置，將附件負(fù)載以及新選型的風(fēng)扇功率消耗曲線輸入到SIMDRIVE軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真計(jì)算設(shè)計(jì)優(yōu)化后的前端輪系的皮帶滑移率、漲緊輪擺動(dòng)量、皮帶抖動(dòng)量均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 前端輪系試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)優(yōu)化后前端輪系的實(shí)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(jī)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(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化效果，試驗(yàn)結(jié)果證明：柴油機(jī)前端輪系異響消除。后期跟蹤6個(gè)月，異響沒有發(fā)生。

4? 結(jié)論

通過柴油機(jī)前端輪系設(shè)計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，然后適當(dāng)降低挖掘機(jī)匹配的冷卻風(fēng)扇的功率消耗，通過仿真計(jì)算，確定12.56kW功率消耗的風(fēng)扇。本文的柴油機(jī)前端輪系設(shè)計(jì)研究和優(yōu)化思想，為解決柴油機(jī)前端輪系異響問題和前端輪系設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考和借鑒。

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