關(guān)鍵詞：筑路機(jī)械；冷卻系統(tǒng)；液壓驅(qū)動(dòng)

 

1當(dāng)前筑路機(jī)械冷卻系統(tǒng)存在的問(wèn)題

 

筑養(yǎng)路機(jī)械經(jīng)常低速大負(fù)荷工作在高溫、多粉塵的惡劣環(huán)境中，使用這些設(shè)備時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量多，又沒(méi)有良好的迎風(fēng)散熱條件，所以常常出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱和液壓油溫度過(guò)高等現(xiàn)象，致使設(shè)備不能正常工作，既增加了作業(yè)成本，又影響了工程進(jìn)度。同時(shí)，在高速、中小負(fù)荷工作時(shí)，冷卻能力嚴(yán)重過(guò)剩，使發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱緩慢，傳熱損失太多，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)度冷卻，從而造成燃油浪費(fèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)零件的磨損增加等。

 

導(dǎo)致以上問(wèn)題的原因之一是目前國(guó)內(nèi)該類(lèi)機(jī)械中冷卻風(fēng)扇一般采用傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式。傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式中冷卻風(fēng)扇一般是和水泵一起由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)v型皮帶以定傳動(dòng)比驅(qū)動(dòng)，使冷卻空氣通過(guò)散熱器帶走冷卻水的熱量。這種機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式，使風(fēng)扇的冷卻能力僅隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而變，卻不能隨發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)和環(huán)境溫度的改變而自動(dòng)變化，所以必然會(huì)造成低速、大負(fù)荷在工地上工作時(shí)，冷卻能力嚴(yán)重不足，而高速、中小負(fù)荷工作時(shí)冷卻過(guò)度等現(xiàn)象，從而不能完全滿(mǎn)足實(shí)際散熱需要等問(wèn)題。另外，該冷卻系統(tǒng)的冷卻能力是按最大熱負(fù)荷工況設(shè)計(jì)的，所以還存在著啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)扇耗能大等不足。該冷卻系統(tǒng)在冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，還擔(dān)負(fù)著工程機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和液力舉升以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓油的散熱任務(wù)，散熱強(qiáng)度非常大，但由于驅(qū)動(dòng)方式的限制，使風(fēng)扇的安裝位置受限，同時(shí)也限制了散熱器的安裝位置。冷卻風(fēng)扇的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式及散熱器的安裝普遍如圖所1所示。

 

 

 

由圖1可以看出，冷卻風(fēng)扇的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但因一個(gè)風(fēng)扇同時(shí)完成發(fā)動(dòng)機(jī)和其它系統(tǒng)液壓油的冷卻工作，所以必須把多個(gè)散熱器都安裝在風(fēng)扇前面。冷卻空氣進(jìn)入液壓油等散熱器5時(shí)的溫度為周?chē)�環(huán)境空氣溫度tq，假設(shè)經(jīng)過(guò)液壓油等散熱器5后即進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器6時(shí)的空氣溫度為此，由于冷卻空氣經(jīng)過(guò)散熱器5時(shí)吸收熱量，所以冷卻空氣的溫度兒to；同時(shí)由于散熱器5的阻擋作用，使冷卻空氣的流動(dòng)速度降低。

 

因此，這種并置式的安裝方式增大了冷卻空氣的流動(dòng)阻力，減小了冷卻空氣與冷卻液之間的溫差，從而降低了冷卻空氣與散熱器中冷卻液的熱交換速度，影響了散熱效果，這樣，該機(jī)械不僅增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率消耗，而且低速大負(fù)荷工作一段時(shí)間后，易造成發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱或液壓系統(tǒng)過(guò)熱而暫停工作的現(xiàn)象。

 

筑路機(jī)械長(zhǎng)時(shí)間在過(guò)熱溫度下工作會(huì)帶來(lái)以下不良后果：（1）過(guò)高的溫度會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)充氣系數(shù)下降，致使燃油不正常燃燒（不完全燃燒、爆燃、早燃等），從而增加了耗油率，降低了輸出功率；（2）發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在過(guò)高溫度下工作，會(huì)使高溫零件（如活塞、氣缸蓋等）的剛度和強(qiáng)度下降很大，造成磨損加大，影響該部分零件及周?chē)�結(jié)構(gòu)的可靠性及使用壽命，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生變形甚至折斷，造成發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障甚至報(bào)廢。（3）過(guò)高的溫度會(huì)造成潤(rùn)滑油變質(zhì)和燒損，最終會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑系統(tǒng)工作不良，使零件的摩擦和磨損加劇，從而增加了內(nèi)部消耗，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命；（4）液壓傳動(dòng)系統(tǒng)液壓油溫度過(guò)高，將使油液迅速老化變質(zhì)，同時(shí)使油液的粘度降低，造成元件內(nèi)泄露量增加，系統(tǒng)效率降低。

 

筑路機(jī)械長(zhǎng)時(shí)間在過(guò)低溫度下工作會(huì)帶來(lái)以下不良后果：（1）內(nèi)燃機(jī)經(jīng)常在過(guò)度冷卻（冷卻水溫40－50攝氏度）下使用時(shí)，其零件磨損加劇，比正常工作溫度（80－90攝氏度）下運(yùn)轉(zhuǎn)大好幾倍。（2）液壓傳動(dòng)系統(tǒng)油溫過(guò)低，將使油液的粘度過(guò)大，造成油泵吸油困難；（3）發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，散熱損失和摩擦損失增加。

 

 

 

2筑路機(jī)械冷卻裝置液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

 

 

 

在筑路機(jī)械中，主要發(fā)熱部分是發(fā)動(dòng)機(jī)，和擔(dān)負(fù)著筑路機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、液力舉升以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，且兩者的正常工作溫度范圍不同，即對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求不同，因此，結(jié)合以上分析，在本課題的設(shè)計(jì)方案中，將兩個(gè)發(fā)熱部分分別冷卻，相應(yīng)散熱器和風(fēng)扇等分開(kāi)放置，形成兩個(gè)獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。設(shè)計(jì)原理如圖2所示：

 

由工作原理圖可以看出，整個(gè)冷卻系統(tǒng)分為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和液壓油冷卻系統(tǒng)兩個(gè)部分，它們共用一個(gè)電控單元（ECU）通過(guò)不同溫度傳感器分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇和水泵轉(zhuǎn)速及液壓油冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行同時(shí)控制。其中發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的冷卻風(fēng)扇和水泵采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，油路中的壓力可以根據(jù)冷卻液溫度的變化由先導(dǎo)式電磁比例溢流閥控制，從而使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻風(fēng)扇和水泵轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。液壓油冷卻系統(tǒng)中的冷卻風(fēng)扇由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它的啟動(dòng)、停止可以在液壓油溫度達(dá)到上下極限值時(shí)由電控單元ECU控制。

 

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是在進(jìn)行了大量的文獻(xiàn)資料調(diào)研和實(shí)地考察論證之后加以制定的，工作中能夠?qū)崿F(xiàn)液壓驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)的調(diào)速性能控制，使液壓驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)能夠基本滿(mǎn)足筑路機(jī)械的散熱要求。

 

 

 

3系統(tǒng)具體技術(shù)路線及實(shí)現(xiàn)的功能

 

 

 

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)

 

（1）組成特點(diǎn)。由圖2看出，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)液壓基本回路采用無(wú)級(jí)調(diào)壓回路，回路中由于溢流閥有溢流，所以液壓泵的出口壓力就是溢流閥的調(diào)整壓力并基本保持恒定（定壓）。改變溢流閥的調(diào)整壓力即可改變系統(tǒng)壓力�；芈分锌蛇x用先導(dǎo)型電磁比例溢流閥進(jìn)行液壓控制，這種控制方式具有穩(wěn)壓精度高、過(guò)流量大、控制過(guò)程連續(xù)可靠等優(yōu)點(diǎn)。

 

發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)由冷卻液溫度傳感器、電控單元（ECU）、電磁比例溢流閥、液壓泵、液壓馬達(dá)、油箱、冷油器及粗、精過(guò)濾器等組成。系統(tǒng)由冷卻液溫度傳感器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫度，并將冷卻液溫度信號(hào)傳給電控單元ECU。ECU處理該信號(hào)后，發(fā)出控制信號(hào)，既而調(diào)節(jié)先導(dǎo)型電磁比例溢流閥的輸入電流，由于電磁比例溢流閥的調(diào)整壓力與輸入電流成比例，所以隨輸入電流的改變，可改變節(jié)流回路的溢流量，從而改變溢流閥的調(diào)整壓力，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓力差，油壓的改變就會(huì)對(duì)冷卻風(fēng)扇和水泵起到調(diào)速的作用。

 

為避免冷卻風(fēng)扇頻繁啟動(dòng)給液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)造成沖擊，克服液壓馬達(dá)啟動(dòng)效率低的缺點(diǎn)，同時(shí)確保系統(tǒng)安全可靠，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較低時(shí)，冷卻風(fēng)扇應(yīng)在一個(gè)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)扇的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速由電磁比例溢流閥全開(kāi)時(shí)確定，此時(shí)風(fēng)扇消耗的功率忽略不計(jì)。

 

為了不使冷卻功率過(guò)高而產(chǎn)生噪聲，風(fēng)扇的最高轉(zhuǎn)速，即電磁比例溢流閥最高壓力，可按最大熱負(fù)荷工況確定，改變控制電流，就可在最大與最小之間改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

 

（2）控制原理。由以上分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)是一種動(dòng)態(tài)隨機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前冷卻液溫度和目標(biāo)冷卻液溫度調(diào)節(jié)比例閥的控制電流。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，冷卻水的正常工作溫度范圍一般為80－90攝氏度，最高不超過(guò)95攝氏度。因此，該液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)中80℃為控制系統(tǒng)維持風(fēng)扇最低轉(zhuǎn)速工作的下限溫度，如果在系統(tǒng)的控制過(guò)程中，溫度傳感器測(cè)量結(jié)果超過(guò)90℃時(shí)，系統(tǒng)便控制風(fēng)扇和水泵以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著冷卻風(fēng)扇和水泵的高速旋轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度逐漸降低，此時(shí)電控單元ECU根據(jù)冷卻液溫度傳感器檢測(cè)的溫度信號(hào)，發(fā)出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)先導(dǎo)型電磁比例溢流閥的輸入電流，隨輸入電流的降低，電磁比例溢流閥增大節(jié)流回路的溢流量，從而減小溢流閥的調(diào)整壓力，降低液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓力差，使冷卻風(fēng)扇和水泵的轉(zhuǎn)速隨發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的降低而減小，直至把冷卻液的溫度降至80℃：當(dāng)冷卻液溫度傳感器檢測(cè)到冷卻液的溫度低于80℃時(shí)，系統(tǒng)中電磁比例溢流閥全開(kāi)，以最大溢流量溢流，使冷卻風(fēng)扇和水泵在一個(gè)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，直至冷卻液的溫度超過(guò)90℃。這樣，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)就能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度，自動(dòng)調(diào)整冷卻風(fēng)扇和水泵的轉(zhuǎn)速，以滿(mǎn)足筑路機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)低速大負(fù)荷工作時(shí)的最嚴(yán)重?zé)嶝?fù)荷工況的散熱要求。因此，該冷卻裝置液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅能控制冷卻風(fēng)扇的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速，而且還能根據(jù)冷卻液的溫度測(cè)量結(jié)果及測(cè)量的變化情況在最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間進(jìn)行變速控制。

 

 

 

3.2液壓油冷卻系統(tǒng)

 

如圖2所示，液壓油的冷卻風(fēng)扇采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。液壓系統(tǒng)中的液壓油溫度，一般應(yīng)控制在30－50℃范圍內(nèi)，最高不應(yīng)高于70℃，最低不應(yīng)低于15℃。在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，液壓油溫度過(guò)高，將使油液迅速老化變質(zhì)，同時(shí)使油液的粘度降低，造成液壓元件內(nèi)泄露量增加，系統(tǒng)效率降低：液壓油溫度過(guò)低，會(huì)使油液的粘度過(guò)大，造成液壓油泵吸油困難。所以液壓油溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)引發(fā)系統(tǒng)工作不正常，故為保證液壓傳動(dòng)系統(tǒng)能正常工作，我們將系統(tǒng)中液壓油溫度控制在50－60℃范圍內(nèi)。因此，在液壓油冷卻系統(tǒng)中冷卻風(fēng)扇開(kāi)始工作的上限溫度為60℃，停止工作的下限溫度為50℃。

 

液壓油冷卻系統(tǒng)由液壓油溫度傳感器將液壓油溫度信號(hào)傳給電控單元ECU，ECU判斷液壓油溫度是否達(dá)到風(fēng)扇開(kāi)始工作的上限溫度60℃，如油溫達(dá)到最高溫度，則電控單元ECU輸出脈沖信號(hào)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇開(kāi)始工作，同時(shí)電控單元ECU對(duì)每次采樣值進(jìn)行判斷，一旦測(cè)量到溫度低于了風(fēng)扇停止工作的下限溫度50℃，則風(fēng)扇停止工作。因而該控制對(duì)液壓油冷卻系統(tǒng)進(jìn)行的是開(kāi)關(guān)控制。