基于噪声与CFD 分析的挖掘机百叶窗设计

罗柏香，俞松松，余历晴，白 容

（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007）

0 引言

随着社会的发展，住宅建设、铺设路面、管道埋设、拦坝建桥挖渠等工程发展也越来越快[1]，挖掘机也得到了更加广泛的应用，客户对挖掘机的需求也越来越多样化，而不仅仅满足于整机性能上的需求。随着各地土方建设蓬勃兴起对挖掘机性能要求的提升及城市噪音、环保控制法规要求，顾客除了整机性能外，还越来越关注整机降噪及外观等舒适特性，而侧门百叶窗的设计对整机噪声与散热效果具有重要影响，本文特对此课题展开分析论述。进风侧门是液压挖掘机的部件之一，挖掘机的一些重要机器部件和设备都放在进风侧门内，如发动机、散热器及电瓶等，这就要求进风侧门不但是封闭式的，而且还要防尘，维护方便，有效防止机舱噪声透射出来的同时，并尽可能地减小对进风量的损失，百叶窗在挖掘机上满足上述要求且应用广泛。但是百叶窗影响到整机噪声与散热等关键性能，其结构的优化设计至关重要。

本文利用CFD（计算流体力学）分析方法，对比百叶窗结构形式对进风流场的影响，并在某中型挖掘机上，对折弯板式、圆弧冲压式百叶窗的整机机外辐射噪声与进风量进行了对比，结果表明圆弧冲压式在CFD 分析与实测上均优于折弯板式。更进一步，在圆弧冲压式百叶窗基础上，对不同百叶角度进行了CFD分析与试验验证，获得了机外辐射噪声、进风量随百叶角度的变化关系，得到了最佳的角度值。

1 结构形式对比

百叶窗作为整机风道的起始点，降低风阻将会使空气流动更加顺畅，更有利于将机舱内的高温空气迅速排出[2]，从而改善和提高散热性能。

目前，百叶窗主要有折弯板式、圆弧冲压式两种形式，如图1 所示。折弯板式结构优点：生产成本低，结构强度满足设计要求；圆弧冲压式结构优点：利用模具一次冲压成型，生产效率高，一致性好。

图1 百叶窗形式

1.1 CFD 分析与对比

为了分析百叶窗结构对进风量的影响，对进风侧门建立了CFD 模型如图2 所示。从图3 CFD 分析流线可知，空气在折弯板百叶的折弯处有涡流现象，是由于折弯处过于生硬，使气体回流产生涡流，导致风能损失及空气动力性噪声的产生；而空气在圆弧冲压式百叶圆弧处未产生涡流，流动顺畅。

图2 CFD 分析模型

图3 不同百叶窗形式的流线对比

1.2 不同结构形式对进风量的影响

为了有效验证图1 所示的两种侧门不同百叶结构形式对风量的影响，分别对散热器表面进行了风速测试，测试结果见表1。

表1 不同百叶窗形式的散热器表面风速对比

从表1 测试数据对比结果可知，圆弧冲压式百叶窗的散热器表面平均风速比折弯板式百叶窗的增幅达6%，水散的表面风速增幅达6%，油散和中冷器的表面风速增幅均达5%，由此可见，圆弧冲压式百叶窗更有利于提高散热器表面风速，增加风量从而提高散热性能。

2 百叶角度优化

综上分析可知，在空气动力学与噪声方面，圆弧冲压式结构均优于折弯板式。然而，圆弧冲压式的安装角度（图4）对噪声与进风量的影响，需进一步进行探讨与分析。

图4 百叶角度示意

2.1 百叶角度对进风量的影响

为了进一步分析百叶角度对进风量的影响，同理利用CFD 方法，对不同百叶角度的模型，进行对比仿真，Inlet flow 边界设置速度入口，速度为5 m/s。对比模型进出口的压降，压降越大，进风阻力越大，进风量将越小[3]，得压降随百叶角度的变化关系如图5 所示，随着百叶角度增大（迎风角度减小），越有利于进风，进风阻力逐渐减小。

图5 压降随百叶角度变化

为了验证百叶角度对风速影响，对散热器表面进行了风速测试（图6），测试结果如图7 所示，在样机百叶窗角度为30°时，空气流动阻力最大，风速最低，随着百叶角度的增大，平均风速增大。当百叶角度为40°时，进风速度提高了0.6 m/s，比原机30°时进风速度提高了13.5%；当百叶角度在55°～75°范围时，比原机30°时进风速度提高了12.6%～16.8%左右。由此可见，百叶角度对冷却系统的散热性能有着至关重要的影响，可以通过优化百叶角度来改善冷却系统的散热性能。

图6 散热器表面风速测试示意

图7 进风速度随百叶角度变化

2.2 百叶角度对机外辐射噪声的影响

由上可知，百叶角度增大有利于提高进风量，从而提高散热效率，但对机外辐射噪声的影响需进一步验证。因此，对整机进行了噪声测试，测试结果如图8所示。

图8 机外辐射噪声随百叶角度变化

综合图7、图8，百叶角度为30°时，风速最小，噪声值最大，随着百叶角度逐渐增大，风速越来越大，噪声值反而逐渐减小。当百叶角度为50°～75°时，风速基本不变，但机外噪声由大变小后变大，在60°达到最小噪音。因此，合理利用50°～75°的百叶角度，既有利于进风量，也有利于降噪。

3 百叶窗设计方案

通过百叶角度对进风量和噪音影响的分析，结合工程应用的实际情况，对应的设计方案如下：

（1）侧门百叶窗的百叶结构采用圆弧冲压式。圆弧冲压式百叶的流线型结构，可使其内面向流道方向上具有圆滑过渡，改善局部涡流，更有利于风能的传递。

（2）侧门百叶窗的百叶角度设计为60°。如图8所示，百叶角度在50°～75°时，既有利于进风量，也有利于降噪。考虑到防尘要求，百叶角度不宜过大，由于百叶角度过大时，粉尘极容易随风进入，并附在散热器表面，随着工作时间加长，散热效率反而变差，故最终将百叶窗角度设计为60°。

4 试验验证

为了验证百叶窗设计方案，选取百叶角度为30°和百叶角度为60°两种圆弧冲压式百叶窗，分别对样机进行热平衡测试和噪声测试对比，测试数据见表2和表3。

表2 热平衡测试数据

表3 机外辐射噪声测试数据

由上述测试数据可知，百叶角度为60°对比百叶角度为30°，发动机水温降幅达3%，液压油温降幅达5%，中冷温度降幅达2%；同时机外辐射噪声降低1 dB。由此可见，百叶角度为60°的圆弧冲压式百叶窗为对比方案的最优，目前该方案已应用至中大型挖掘机上，市场反馈良好。

5 结语

（1）进风侧门的结构形式对散热性能影响较大，采用圆弧冲压式百叶的流线型结构，有利于改善局部涡流，降低风能损耗。

（2）优化侧门百叶窗的百叶角度有利于整机噪音和散热性能。通过CFD 分析与试验测试，验证了百叶角度对进风量和噪音的影响规律，为侧门百叶窗的结构设计开阔了思路，对其他机型的进风侧门设计有一定的指导意义，也说明了仿真方法与试验的正确性。