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筑路机械冷却装置液压驱动系统的总体设计
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内容提示：在筑路机械中冷却系统是非常重要的一大耗能系统，其性能的好坏，在很大程度上影响着工程质量、工程进度乃至作业成本，针对当前筑路机械冷却系统存在的问题，提出了筑路机械冷却装置液压驱动系统总体设计方案
摘 要：在筑路机械中冷却系统是非常重要的一大耗能系统，其性能的好坏，在很大程度上影响着工程质量、工程进度乃至作业成本，针对当前筑路机械冷却系统存在的问题，提出了筑路机械冷却装置液压驱动系统总体设计方案，可以在大大减少冷却系统耗能、降低作业成本的同时，还可以大幅度提高筑路机械的工作效率、延长发动机的使用寿命、降低噪声，提高筑路机械的工作性能。
关键词：筑路机械；冷却系统；液压驱动
1 当前筑路机械冷却系统存在的问题
筑养路机械经常低速大负荷工作在高温、多粉尘的恶劣环境中，使用这些设备时，发动机产生的热量多，又没有良好的迎风散热条件，所以常常出现发动机过热和液压油温度过高等现象，致使设备不能正常工作，既增加了作业成本，又影响了工程进度。同时，在高速、中小负荷工作时，冷却能力严重过剩，使发动机预热缓慢，传热损失太多，导致发动机过度冷却，从而造成燃油浪费，发动机零件的磨损增加等。
导致以上问题的原因之一是目前国内该类机械中冷却风扇一般采用传统的驱动方式。传统驱动方式中冷却风扇一般是和水泵一起由发动机曲轴通过v型皮带以定传动比驱动，使冷却空气通过散热器带走冷却水的热量。这种机械驱动方式，使风扇的冷却能力仅随发动机的转速而变，却不能随发动机的热状态和环境温度的改变而自动变化，所以必然会造成低速、大负荷在工地上工作时，冷却能力严重不足，而高速、中小负荷工作时冷却过度等现象，从而不能完全满足实际散热需要等问题。另外，该冷却系统的冷却能力是按最大热负荷工况设计的，所以还存在着启动转矩较大，预热时间长，风扇耗能大等不足。该冷却系统在冷却发动机的同时，还担负着工程机械传动系统和液力举升以及转向系统液压油的散热任务，散热强度非常大，但由于驱动方式的限制，使风扇的安装位置受限，同时也限制了散热器的安装位置。冷却风扇的传统驱动方式及散热器的安装普遍如图所1所示。
由图1可以看出，冷却风扇的传统驱动方式结构简单，成本较低，但因一个风扇同时完成发动机和其它系统液压油的冷却工作，所以必须把多个散热器都安装在风扇前面。冷却空气进入液压油等散热器5时的温度为周围环境空气温度tq，假设经过液压油等散热器5后即进入发动机散热器6时的空气温度为此，由于冷却空气经过散热器5时吸收热量，所以冷却空气的温度儿>to；同时由于散热器5的阻挡作用，使冷却空气的流动速度降低。
因此，这种并置式的安装方式增大了冷却空气的流动阻力，减小了冷却空气与冷却液之间的温差，从而降低了冷却空气与散热器中冷却液的热交换速度，影响了散热效果，这样，该机械不仅增加了发动机的功率消耗，而且低速大负荷工作一段时间后，易造成发动机过热或液压系统过热而暂停工作的现象。
筑路机械长时间在过热温度下工作会带来以下不良后果：（1）过高的温度会造成发动机充气系数下降，致使燃油不正常燃烧（不完全燃烧、爆燃、早燃等），从而增加了耗油率，降低了输出功率；（2）发动机经常在过高温度下工作，会使高温零件（如活塞、气缸盖等）的刚度和强度下降很大，造成磨损加大，影响该部分零件及周围结构的可靠性及使用寿命，严重时发生变形甚至折断，造成发动机发生故障甚至报废。（3）过高的温度会造成润滑油变质和烧损，最终会导致润滑系统工作不良，使零件的摩擦和磨损加剧，从而增加了内部消耗，降低了发动机的使用寿命；（4）液压传动系统液压油温度过高，将使油液迅速老化变质，同时使油液的粘度降低，造成元件内泄露量增加，系统效率降低。
筑路机械长时间在过低温度下工作会带来以下不良后果：（1）内燃机经常在过度冷却（冷却水温40-50摄氏度）下使用时，其零件磨损加剧，比正常工作温度（80-90 摄氏度）下运转大好几倍。（2）液压传动系统油温过低，将使油液的粘度过大，造成油泵吸油困难；（3）发动机工作粗暴，散热损失和摩擦损失增加。
2 筑路机械冷却装置液压驱动系统总体设计方案
在筑路机械中，主要发热部分是发动机，和担负着筑路机械传动系统、液力举升以及转向系统的液压系统，且两者的正常工作温度范围不同，即对冷却系统的要求不同，因此，结合以上分析，在本课题的设计方案中，将两个发热部分分别冷却，相应散热器和风扇等分开放置，形成两个独立的冷却系统，分别对发动机和液压传动系统进行冷却。设计原理如图2所示：
由工作原理图可以看出，整个冷却系统分为发动机冷却系统和液压油冷却系统两个部分，它们共用一个电控单元（ECU）通过不同温度传感器分别对发动机冷却系统的风扇和水泵转速及液压油冷却系统的风扇转速进行同时控制。其中发动机冷却系统中的冷却风扇和水泵采用液压驱动系统，油路中的压力可以根据冷却液温度的变化由先导式电磁比例溢流阀控制，从而使系统实现对冷却风扇和水泵转速的无级调节。液压油冷却系统中的冷却风扇由电机驱动，它的启动、停止可以在液压油温度达到上下极限值时由电控单元ECU控制。
该系统设计方案是在进行了大量的文献资料调研和实地考察论证之后加以制定的，工作中能够实现液压驱动冷却系统的调速性能控制，使液压驱动冷却系统能够基本满足筑路机械的散热要求。
3 系统具体技术路线及实现的功能
3.1 发动机冷却系统
（1）组成特点。由图2看出，发动机冷却装置采用液压驱动，系统液压基本回路采用无级调压回路，回路中由于溢流阀有溢流，所以液压泵的出口压力就是溢流阀的调整压力并基本保持恒定（定压）。改变溢流阀的调整压力即可改变系统压力。回路中可选用先导型电磁比例溢流阀进行液压控制，这种控制方式具有稳压精度高、过流量大、控制过程连续可靠等优点。
发动机的冷却系统由冷却液温度传感器、电控单元（ECU）、电磁比例溢流阀、液压泵、液压马达、油箱、冷油器及粗、精过滤器等组成。系统由冷却液温度传感器检测发动机的冷却液温度，并将冷却液温度信号传给电控单元ECU。ECU处理该信号后，发出控制信号，既而调节先导型电磁比例溢流阀的输入电流，由于电磁比例溢流阀的调整压力与输入电流成比例，所以随输入电流的改变，可改变节流回路的溢流量，从而改变溢流阀的调整压力，调节发动机冷却风扇液压驱动系统及液压马达的进出口压力差，油压的改变就会对冷却风扇和水泵起到调速的作用。
为避免冷却风扇频繁启动给液压驱动系统、冷却系统造成冲击，克服液压马达启动效率低的缺点，同时确保系统安全可靠，当发动机温度较低时，冷却风扇应在一个最低稳定转速下连续运转，风扇的最低稳定转速由电磁比例溢流阀全开时确定，此时风扇消耗的功率忽略不计。
为了不使冷却功率过高而产生噪声，风扇的最高转速，即电磁比例溢流阀最高压力，可按最大热负荷工况确定，改变控制电流，就可在最大与最小之间改变风扇的转速。
（2）控制原理。由以上分析可知，发动机温度测控系统是一种动态随机测控系统，系统可根据当前冷却液温度和目标冷却液温度调节比例阀的控制电流。在发动机冷却系统中，冷却水的正常工作温度范围一般为80-90摄氏度，最高不超过95摄氏度。因此，该液压驱动风扇冷却系统中80℃为控制系统维持风扇最低转速工作的下限温度，如果在系统的控制过程中，温度传感器测量结果超过90℃时，系统便控制风扇和水泵以最高转速运转，随着冷却风扇和水泵的高速旋转，发动机的温度逐渐降低，此时电控单元ECU根据冷却液温度传感器检测的温度信号，发出控制信号，调节先导型电磁比例溢流阀的输入电流，随输入电流的降低，电磁比例溢流阀增大节流回路的溢流量，从而减小溢流阀的调整压力，降低液压马达的进出口压力差，使冷却风扇和水泵的转速随发动机温度的降低而减小，直至把冷却液的温度降至80℃：当冷却液温度传感器检测到冷却液的温度低于80℃时，系统中电磁比例溢流阀全开，以最大溢流量溢流，使冷却风扇和水泵在一个最低稳定转速下连续运转，直至冷却液的温度超过90 ℃。这样，该设计系统就能根据发动机冷却液的温度，自动调整冷却风扇和水泵的转速，以满足筑路机械发动机低速大负荷工作时的最严重热负荷工况的散热要求。因此，该冷却装置液压驱动系统不仅能控制冷却风扇的最高转速与最低转速，而且还能根据冷却液的温度测量结果及测量的变化情况在最高转速与最低转速之间进行变速控制。
关键词：筑路机械；冷却系统；液压驱动
1 当前筑路机械冷却系统存在的问题
筑养路机械经常低速大负荷工作在高温、多粉尘的恶劣环境中，使用这些设备时，发动机产生的热量多，又没有良好的迎风散热条件，所以常常出现发动机过热和液压油温度过高等现象，致使设备不能正常工作，既增加了作业成本，又影响了工程进度。同时，在高速、中小负荷工作时，冷却能力严重过剩，使发动机预热缓慢，传热损失太多，导致发动机过度冷却，从而造成燃油浪费，发动机零件的磨损增加等。
导致以上问题的原因之一是目前国内该类机械中冷却风扇一般采用传统的驱动方式。传统驱动方式中冷却风扇一般是和水泵一起由发动机曲轴通过v型皮带以定传动比驱动，使冷却空气通过散热器带走冷却水的热量。这种机械驱动方式，使风扇的冷却能力仅随发动机的转速而变，却不能随发动机的热状态和环境温度的改变而自动变化，所以必然会造成低速、大负荷在工地上工作时，冷却能力严重不足，而高速、中小负荷工作时冷却过度等现象，从而不能完全满足实际散热需要等问题。另外，该冷却系统的冷却能力是按最大热负荷工况设计的，所以还存在着启动转矩较大，预热时间长，风扇耗能大等不足。该冷却系统在冷却发动机的同时，还担负着工程机械传动系统和液力举升以及转向系统液压油的散热任务，散热强度非常大，但由于驱动方式的限制，使风扇的安装位置受限，同时也限制了散热器的安装位置。冷却风扇的传统驱动方式及散热器的安装普遍如图所1所示。
由图1可以看出，冷却风扇的传统驱动方式结构简单，成本较低，但因一个风扇同时完成发动机和其它系统液压油的冷却工作，所以必须把多个散热器都安装在风扇前面。冷却空气进入液压油等散热器5时的温度为周围环境空气温度tq，假设经过液压油等散热器5后即进入发动机散热器6时的空气温度为此，由于冷却空气经过散热器5时吸收热量，所以冷却空气的温度儿>to；同时由于散热器5的阻挡作用，使冷却空气的流动速度降低。
因此，这种并置式的安装方式增大了冷却空气的流动阻力，减小了冷却空气与冷却液之间的温差，从而降低了冷却空气与散热器中冷却液的热交换速度，影响了散热效果，这样，该机械不仅增加了发动机的功率消耗，而且低速大负荷工作一段时间后，易造成发动机过热或液压系统过热而暂停工作的现象。
筑路机械长时间在过热温度下工作会带来以下不良后果：（1）过高的温度会造成发动机充气系数下降，致使燃油不正常燃烧（不完全燃烧、爆燃、早燃等），从而增加了耗油率，降低了输出功率；（2）发动机经常在过高温度下工作，会使高温零件（如活塞、气缸盖等）的刚度和强度下降很大，造成磨损加大，影响该部分零件及周围结构的可靠性及使用寿命，严重时发生变形甚至折断，造成发动机发生故障甚至报废。（3）过高的温度会造成润滑油变质和烧损，最终会导致润滑系统工作不良，使零件的摩擦和磨损加剧，从而增加了内部消耗，降低了发动机的使用寿命；（4）液压传动系统液压油温度过高，将使油液迅速老化变质，同时使油液的粘度降低，造成元件内泄露量增加，系统效率降低。
筑路机械长时间在过低温度下工作会带来以下不良后果：（1）内燃机经常在过度冷却（冷却水温40-50摄氏度）下使用时，其零件磨损加剧，比正常工作温度（80-90 摄氏度）下运转大好几倍。（2）液压传动系统油温过低，将使油液的粘度过大，造成油泵吸油困难；（3）发动机工作粗暴，散热损失和摩擦损失增加。
2 筑路机械冷却装置液压驱动系统总体设计方案
在筑路机械中，主要发热部分是发动机，和担负着筑路机械传动系统、液力举升以及转向系统的液压系统，且两者的正常工作温度范围不同，即对冷却系统的要求不同，因此，结合以上分析，在本课题的设计方案中，将两个发热部分分别冷却，相应散热器和风扇等分开放置，形成两个独立的冷却系统，分别对发动机和液压传动系统进行冷却。设计原理如图2所示：
由工作原理图可以看出，整个冷却系统分为发动机冷却系统和液压油冷却系统两个部分，它们共用一个电控单元（ECU）通过不同温度传感器分别对发动机冷却系统的风扇和水泵转速及液压油冷却系统的风扇转速进行同时控制。其中发动机冷却系统中的冷却风扇和水泵采用液压驱动系统，油路中的压力可以根据冷却液温度的变化由先导式电磁比例溢流阀控制，从而使系统实现对冷却风扇和水泵转速的无级调节。液压油冷却系统中的冷却风扇由电机驱动，它的启动、停止可以在液压油温度达到上下极限值时由电控单元ECU控制。 该系统设计方案是在进行了大量的文献资料调研和实地考察论证之后加以制定的，工作中能够实现液压驱动冷却系统的调速性能控制，使液压驱动冷却系统能够基本满足筑路机械的散热要求。
3 系统具体技术路线及实现的功能
3.1 发动机冷却系统
（1）组成特点。由图2看出，发动机冷却装置采用液压驱动，系统液压基本回路采用无级调压回路，回路中由于溢流阀有溢流，所以液压泵的出口压力就是溢流阀的调整压力并基本保持恒定（定压）。改变溢流阀的调整压力即可改变系统压力。回路中可选用先导型电磁比例溢流阀进行液压控制，这种控制方式具有稳压精度高、过流量大、控制过程连续可靠等优点。
发动机的冷却系统由冷却液温度传感器、电控单元（ECU）、电磁比例溢流阀、液压泵、液压马达、油箱、冷油器及粗、精过滤器等组成。系统由冷却液温度传感器检测发动机的冷却液温度，并将冷却液温度信号传给电控单元ECU。ECU处理该信号后，发出控制信号，既而调节先导型电磁比例溢流阀的输入电流，由于电磁比例溢流阀的调整压力与输入电流成比例，所以随输入电流的改变，可改变节流回路的溢流量，从而改变溢流阀的调整压力，调节发动机冷却风扇液压驱动系统及液压马达的进出口压力差，油压的改变就会对冷却风扇和水泵起到调速的作用。
为避免冷却风扇频繁启动给液压驱动系统、冷却系统造成冲击，克服液压马达启动效率低的缺点，同时确保系统安全可靠，当发动机温度较低时，冷却风扇应在一个最低稳定转速下连续运转，风扇的最低稳定转速由电磁比例溢流阀全开时确定，此时风扇消耗的功率忽略不计。
为了不使冷却功率过高而产生噪声，风扇的最高转速，即电磁比例溢流阀最高压力，可按最大热负荷工况确定，改变控制电流，就可在最大与最小之间改变风扇的转速。
（2）控制原理。由以上分析可知，发动机温度测控系统是一种动态随机测控系统，系统可根据当前冷却液温度和目标冷却液温度调节比例阀的控制电流。在发动机冷却系统中，冷却水的正常工作温度范围一般为80-90摄氏度，最高不超过95摄氏度。因此，该液压驱动风扇冷却系统中80℃为控制系统维持风扇最低转速工作的下限温度，如果在系统的控制过程中，温度传感器测量结果超过90℃时，系统便控制风扇和水泵以最高转速运转，随着冷却风扇和水泵的高速旋转，发动机的温度逐渐降低，此时电控单元ECU根据冷却液温度传感器检测的温度信号，发出控制信号，调节先导型电磁比例溢流阀的输入电流，随输入电流的降低，电磁比例溢流阀增大节流回路的溢流量，从而减小溢流阀的调整压力，降低液压马达的进出口压力差，使冷却风扇和水泵的转速随发动机温度的降低而减小，直至把冷却液的温度降至80℃：当冷却液温度传感器检测到冷却液的温度低于80℃时，系统中电磁比例溢流阀全开，以最大溢流量溢流，使冷却风扇和水泵在一个最低稳定转速下连续运转，直至冷却液的温度超过90 ℃。这样，该设计系统就能根据发动机冷却液的温度，自动调整冷却风扇和水泵的转速，以满足筑路机械发动机低速大负荷工作时的最严重热负荷工况的散热要求。因此，该冷却装置液压驱动系统不仅能控制冷却风扇的最高转速与最低转速，而且还能根据冷却液的温度测量结果及测量的变化情况在最高转速与最低转速之间进行变速控制。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200906/13970.htm
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