朱正龍，湯茂銀，張 旭，曲祥君，汪玉蘭(.遵義師范學院 工學院，貴州 遵義 563006； .湖南機電職業(yè)技術(shù)學院 汽車工程學院，湖南 長沙 405)

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平地機節(jié)能智能散熱與制動液壓系統(tǒng)研究

朱正龍1，湯茂銀2，張 旭1，曲祥君1，汪玉蘭1
(1.遵義師范學院 工學院，貴州 遵義 563006； 2.湖南機電職業(yè)技術(shù)學院 汽車工程學院，湖南 長沙 410151)

為了解決平地機采用常見的散熱方式時在大載荷工況下發(fā)熱過大，導致能量嚴重浪費的問題，研究了一種新型風扇控制與充液制動系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用負載敏感泵與控制閥組對風扇散熱和制動系統(tǒng)進行控制，具有節(jié)能、智能的特點，既實現(xiàn)了系統(tǒng)能量的按需供應(yīng)，也保證了系統(tǒng)的發(fā)熱量能夠及時散發(fā)。該方案已在某大型工程機械公司的機械式平地機上進行了驗證，并得到了廣大客戶的認可，具有市場應(yīng)用價值。

智能散熱控制；節(jié)能控制；制動控制；液壓系統(tǒng)

0 引 言

目前，市場上的平地機按照驅(qū)動方式分為機械式、全液壓式、機械液壓式、液力式4種，平地機的散熱方式有3種：發(fā)動機直接帶動風扇；定量泵驅(qū)動定量馬達；定量泵驅(qū)動定量馬達帶比例溢流閥。第1種散熱方式風扇轉(zhuǎn)速一直處于2 300 rpm，導致在不需要大散熱功率時浪費能量[1]；第2種散熱方式中泵和馬達均處于最大工作流量，也會造成巨大的能量浪費；第3種散熱方式雖有一定的節(jié)能作用，但在溢流閥處仍會有發(fā)熱引起的能量浪費[2-4]?；诖耍疚难芯苛艘环N平地機智能散熱與自動充液制動液壓系統(tǒng)，既能按照系統(tǒng)需要進行能量供應(yīng)，又能有效控制液壓系統(tǒng)的油溫、發(fā)動機的水溫與進氣溫度[5]。該方案已經(jīng)在國內(nèi)某大型工程機械公司得到驗證，目前工作效果非常好，并廣泛得到客戶的高度贊許。

1 智能節(jié)能風扇控制液壓系統(tǒng)設(shè)計

智能風扇控制系統(tǒng)的控制思路為：將平地機發(fā)動機的水溫、進氣溫度以及液壓系統(tǒng)的液壓油溫控制在允許的范圍以內(nèi)(發(fā)動機水溫不超過90 ℃，進氣溫度不超過60 ℃，液壓系統(tǒng)的油溫不超過70 ℃；若其中1個溫度值超過設(shè)定值，則以溫度值的增加量)設(shè)定風扇轉(zhuǎn)速的增加量；2個溫度值超過設(shè)定值時，風扇轉(zhuǎn)速的增加量為超過單個溫度值時對應(yīng)風扇轉(zhuǎn)速的1.5倍；當3個溫度值均超過設(shè)定值時，風扇轉(zhuǎn)速的增量為單個溫度值增加量風扇轉(zhuǎn)速的2倍。只要傳感器檢測到其中任意1個溫度值超過設(shè)定值，風扇轉(zhuǎn)速從零增加到最大，直到3個溫度值均控制在設(shè)定范圍內(nèi)為止。

1.1 智能節(jié)能風扇控制系統(tǒng)泵模塊

該智能系統(tǒng)采用力士樂公司的A10V045DFR負載敏感泵進行節(jié)能模塊流量供給，如圖1所示。

圖1 負載敏感泵原理

根據(jù)負載特性，當負載、面積一定時，控制閥壓差隨流量的增大而增大；當與泵匹配的閥的壓差與泵的DFR閥的壓差匹配時，泵的流量趨于穩(wěn)定。因此，DR壓力控制閥設(shè)定壓力值為180 bar，DRF流量控制閥設(shè)定壓力值為14 bar；該泵的輸出流量根據(jù)負載所需進行供給，即風扇系統(tǒng)與制動充液系統(tǒng)需要多少流量，泵就提供多少流量，以達到節(jié)能的效果[6-7]。

1.2 智能散熱與節(jié)能充液制動控制模塊

控制閥組如圖2所示，P與系統(tǒng)泵出口相連，PM為P端測壓點，P1為風扇驅(qū)動油路口，T為回油口，P2為去制動沖液油路，LS1為充液油路負載反饋油路，LS2M為反比例溢流閥測壓點，LS為風扇回路與制動回路負載反饋給泵流量控制閥的總接口，LSM為LS油路測壓點。反比例溢流閥控制風扇的轉(zhuǎn)速，當所檢測的3個溫度值均在設(shè)定值以下時，反比例溢流閥電流最大，壓力最小，若電氣控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常，溢流閥壓力最大，且風扇轉(zhuǎn)速最大，才能保證平地機能正常工作；當溫度傳感器檢測到3個溫度值中任意1個溫度值高于設(shè)定值時，溫度傳感器的溫度值增量經(jīng)控制器轉(zhuǎn)換為控制電流來控制反比例溢流閥，使其壓力升高驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)動，達到增加風扇轉(zhuǎn)速、降低溫度的目的；當有2個及以上溫度值超過設(shè)定值時，則以溫度值超過設(shè)定值較多的那個傳感器作為反比例閥的輸入量。由于反比例溢流閥僅僅用于控制風扇的驅(qū)動壓力和產(chǎn)生14 bar的節(jié)流壓差，其最大流量為3 L，但一般情況只有幾毫升，因此其最大發(fā)熱非常小，與負載敏感泵配合使用能有效達到節(jié)能效果[8-9]。

圖2 智能風扇與節(jié)能制動控制閥組

圖2中Φ0.8 mm節(jié)流孔用于產(chǎn)生與負載敏感泵DFR閥對應(yīng)的壓差值，即當通過反比例溢流閥的流量在Φ0.8 mm節(jié)流孔處的壓差小于14 bar時，負載敏感泵繼續(xù)增大流量，風扇轉(zhuǎn)速持續(xù)增大，當產(chǎn)生的負載與反比例溢流閥一致時，比例閥開始溢流，節(jié)流孔開始產(chǎn)生壓差，直到達到14 bar，負載敏感泵流量達到此溫度條件下的流量平衡，風扇轉(zhuǎn)速達到在此溫度下對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速。壓差傳感閥用于讓泵過來的液壓油優(yōu)先供給P2回路。梭閥用于將風扇回路與制動回路中的高壓負載反饋給負載敏感泵，使泵輸出的流量始終與負載大的一端匹配[10-12]。Φ1.2 mm節(jié)流孔用于制動系統(tǒng)充液過程，因壓差傳感器與梭閥的共同作用，此時經(jīng)過壓差傳感閥的流量被完全切斷，導致經(jīng)過P1口到風扇控制系統(tǒng)的流量被切斷，為防止風扇突然失去驅(qū)動力而停止，增加Φ1.2 mm節(jié)流孔從而保證風扇始終有最低轉(zhuǎn)速。

2 風扇馬達控制模塊

風扇馬達控制模塊如圖3所示，由補油閥、風扇馬達與風扇3個部分組成。其中補油閥用在風扇高速旋轉(zhuǎn)過程中，防止因控制閥等發(fā)生故障引起風扇馬達的液壓油突然失去動力而使風扇馬達與風扇連接部分發(fā)生斷裂；根據(jù)風扇轉(zhuǎn)速與負載要求，選擇38 mL·r-1的齒輪馬達用于驅(qū)動風扇旋轉(zhuǎn)。

圖3 風扇馬達控制模塊

3 節(jié)能自動充液制動控制

自動充液控制主要由充液閥與制動閥共同完成，當系統(tǒng)壓力低于設(shè)定壓力時，系統(tǒng)自動充液，泵輸出到?jīng)_壓閥的流量逐漸增大，直到經(jīng)過沖壓閥的壓差達到DFR閥壓力，充液閥流量達到最大，泵的流量趨于穩(wěn)定；壓力達到?jīng)_壓閥的設(shè)定壓力時停止充液，泵自動回中位并進行能量存儲，供系統(tǒng)制動使用。

3.1 自動節(jié)能充液制動控制系統(tǒng)

平地機整機重(18 t)、功率大(160 kW)、速度快(46 km·h-1)，為了保證其在高速行駛過程中遇到突發(fā)情況剎車(制動距離一般在3～5 m)時不發(fā)生側(cè)翻，采用雙蓄能器、雙制動器進行后四輪同時制動，其中1個蓄能器或制動器出現(xiàn)故障時，另外一個還能正常工作，具有雙保險的作用。自動節(jié)能充液原理如圖4所示。

圖4 自動節(jié)能充液原理

自動節(jié)能充液制動控制過程為：壓力補償器與控制單元因彈簧力的作用開始工作，來自泵的流量經(jīng)充液閥內(nèi)部單向閥進入蓄能器回路，同時負載壓力經(jīng)過控制單位到充液閥LS口流向負載敏感泵的流量控制單元，為充液回路提供充液流量供應(yīng)；當充液壓力達到120～125 bar時(彈簧制造或裝配存在誤差，起始控制壓力會有所差別)，啟?？刂茊卧y芯開始向左位移動，直到壓力達到160 bar時，控制回油和先導控制作用在補償器中建立壓力克服壓力補償器的彈簧力，控制單元切換來自壓力補償器的負載信號流回T口[13-14]；此時壓力補償器轉(zhuǎn)換泵的流量方向，使P口與N口相通，單向閥關(guān)閉，充液結(jié)束。當壓力低于120～125 bar時，重復(fù)上訴充液過程。當充液起點壓力為120～125 bar時，充液壓力為160 bar；當DS2壓力開關(guān)檢測到制動系統(tǒng)壓力低于100 bar時，制動燈閃爍報警。

3.2 制動過程

腳踏制動閥是一個兩位三通比例機械換向減壓閥。初始位置時，制動閥輸出口與油箱直接相連，使制動缸里面的液壓油全部經(jīng)過T口回到油箱，此時的回油路需要單獨接到液壓油箱，防止其他回油路液壓油的干涉導致制動器因回油壓力過高而產(chǎn)生制動力，引起平地機在行駛過程中停頓。因制動閥為機械比例減壓閥，可以改變制動閥的限位結(jié)構(gòu)從而調(diào)節(jié)制動輸出壓力；制動壓力是根據(jù)制動力矩與制動缸的制動力換算得來的，其設(shè)定值必須適中。經(jīng)過試驗驗證，平地機的制動壓力應(yīng)設(shè)定為60～65 bar，否則當車速超過30 km·h-1時突然剎車會產(chǎn)生后輪跳動現(xiàn)象；而壓力太低會使制動距離過長，存在安全隱患[15-17]。

在制動閥的出口DS處設(shè)有5 bar的壓力開關(guān)，用于在剎車時將該信號經(jīng)控制器送到變速箱或液壓動力單位，切斷動力源，以減少對制動輪轂的磨損，延長使用壽命，縮短制動距離。

3.3 蓄能器的確定

蓄能器作為輔助動力源，其容積計算公式為

(1)

式中：V0為所需蓄能器的容積(m3)；P0為充氣壓力(Pa)，按0.9P1>P0>0.25P2充氣；Vx為蓄能器的工作容積(m3)；P1為系統(tǒng)最低壓力(Pa)；P2為系統(tǒng)最高壓力(Pa)；n為指數(shù)，等溫時n=1，絕熱時n=1.4。

由于液體為快速釋放，因此認為液壓是在絕熱條件下工作，選取n=1.4，根據(jù)制動力矩與制動缸體積要求，預(yù)充壓力為60 bar,最低工作壓力為65 bar。最高工作壓力為160 bar，制動缸每次制動所需容積為0.28 m3，要求在泵不能提供油源時，蓄能器還能提供7次制動，因此根據(jù)式(1)確定蓄能器的體積為0.63 L。

根據(jù)蓄能器型譜，選擇容積為2 L、公稱壓力為210 bar的天津道達爾公司的蓄能器。

4 結(jié) 語

該方案由某大型工程機械公司在18 t機械式平地機上進行試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)動機油耗比普通的風扇散熱系統(tǒng)低30%，液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量減少30%，且液壓可以一直控制在60 ℃以下，液壓系統(tǒng)工作效率提高了5%。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在機械式平地機上進行批量使用，產(chǎn)品遠銷南美、南非、俄羅斯等多個國家，工作效果非常好，得到客戶的高度認可；該方案可推廣到其他大型工程機械上進行使用，具有較強的工程應(yīng)用價值。

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[責任編輯:杜衛(wèi)華]

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Study on Energy Saving and Intelligent Cooling and Hydraulic Braking System of Motor Grader

ZHU Zheng-long1, TANG Mao-yin2, ZHANG Xu1, QU Xiang-jun1, WANG Yu-lan1
(1. School of Engineering, Zunyi Normal College, Zunyi 563006, Guizhou, China; 2. School of Automotive Engineering, Hunan Mechanical & Electrical Polytechnic, Changsha 410151, Hunan, China)

In order to solve the problem that serious energy waste is caused by the overheat of motor grader under heavy load conditions when applying common cooling method, a new type of fan control and filling brake system was studied. The system with the features of energy saving and intelligent control uses the load-sensitive pump and the designed control valve group to control the fan cooling and braking system. It realizes the supply of system energy as required, and makes sure the heat will be timely dissipated. The program has been verified by a large construction equipment manufacturer on the motor graders and recognized by the customers, which proves its market value.

intelligent cooling control; energy saving control; braking control; hydraulic system

1000-033X(2017)06-0102-04

2017-01-24

貴州省科學技術(shù)聯(lián)合基金項目(黔科合LH字[2015]7045號)

朱正龍(1981-)，男，貴州遵義人，碩士，工程師，研究方向為石油鉆井設(shè)備、路面機械設(shè)備、土方機械設(shè)備、農(nóng)業(yè)機械設(shè)備。

U415.51

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