攤鋪機智能冷卻系統技術研究與應用

高永康

（山西路橋建設集團陽泉分公司，山西 陽泉045000）

攤鋪機作為一種常見的基礎型筑路設備，主要用于路面基層和面層各種材料攤鋪作業。鑒于筑路施工環境的特殊性，攤鋪機經常需要低速、大負荷的工作在高溫環境中，因此其冷卻系統的品質將在很大程度上決定整個機體能否長期、正常、穩定運行[1]。基于此，本文以ABG423型瀝青攤鋪機為例，通過對其原冷卻系統進行分析，提出了一種電液混合驅動的智能冷卻方案，并對該系統的設計、工作原理，結構組成等進行詳細分析。

1 傳統攤鋪機冷卻系統的缺點

1.1 冷卻系統失常導致的問題

發動機是攤鋪機中一切動力的來源，一般采用水冷方式進行散熱冷卻。當發動機冷卻不足時會出現以下問題：

（1）當發動機長期處于高溫工作狀態時，會造成活塞、缸套、缸蓋、氣門、噴油嘴等元件的機械性能下降、變形加劇、熱應力增大現象，久而久之就會出現疲勞裂紋、劇烈磨損等不同程度的失效。

（2）過高的機體溫度會加速機油老化，進而使各部件得不到有效潤滑，發生諸如“拉缸”等惡劣情況，縮短發動機的壽命。

（3）另外，發動機溫度過高時還會降低其充氣效率，影響其輸出功率。

一般來說，發動機冷卻不足的問題較為普遍，我們對其關注度與采取的措施也比較全面，而發動機冷卻散熱過度所造成問題卻常常得不到重視，本文現就此問題進行總結，發動機溫度過高時常出現的以下情況[2]：攤鋪機液壓系統的油溫過高會使油液黏度降低，泄漏量增加，所潤滑部位的油膜破壞，使部件的磨損加劇。同時，高溫還會使橡膠等材料制成的密封墊過早老化而損壞。因此，控制適宜的油溫非常重要。

1.2 傳統冷卻系統的設計原理與缺點

通常發動機的冷卻系統是按照其工作特性來進行匹配的，一般來說汽缸蓋中冷卻水的溫度應保持在80℃~90℃，液壓油溫度保持在45℃~75℃。在攤鋪機啟動后，應使冷卻水溫與液壓油溫盡快上升到規定的正常溫度，并在隨后的工作中保持在適宜溫度范圍之中。ABG423型瀝青攤鋪機冷卻系統沿用傳統的設計方法：由發動機曲軸按一定速比直接驅動風扇，通過其強制空氣流動將水箱、中冷器、發動機機體擴散至大氣中；發動機水泵使冷卻液在散熱器中循環進行散熱。

由于上述冷卻系統是按照發動機的最大熱負荷工況進行設計的，而發動機實際工況隨時都在變化，因此這種方法存在預熱時間過長，經常出現機器在低速高負荷時散熱不足，在高速低負荷時冷卻過度等問題。

為配合風扇的驅動及安裝方式，攤鋪機冷卻系統一般采用水散熱器和液壓油散熱器并聯然后與中冷器串聯，放置于料斗與機身之間，采用離合器連接發動機曲軸與風扇，具體情況如圖1所示。

圖1 傳統散熱系統散熱器與風扇的布置方式

這種布置方式雖然一體性好，且占用空間較小便于布置，但經過根據很多現場使用情況來看，此種布置方法也存在以下缺點[3]：

（1）布置在散熱器前面的中冷器散無法通過風扇散發其熱量，而其排出的熱風又會減少散熱器的迎風面，從而使散熱器無法全面發揮其散熱功能。

（2）風扇的轉速受發動機曲軸轉速限制，無法滿足高溫、滿負荷工況等特定環境下的冷卻要求。

（3）當攤鋪機在高海拔、低密度、極寒等特殊地理環境中作業時，散熱器的冷卻能力無法良好適應。

2 智能冷卻系統設計原理

針對以上提到的問題，結合散熱器的冷卻原理進行分析，本文對ABG423型瀝青攤鋪機的原冷卻系統進行改進，提出一種電液混合驅動的智能冷卻系統方案，根據溫度傳感器的反饋信號，ECU通過比例閥實現風扇轉速的自動調節，確保發動機和液壓油始終工作在最佳溫度范圍。另外，本文還對冷卻系統進行重新布置，撤掉中冷器，將液壓油散熱器和水散熱器分開布置，采用正方形的形狀設計，使冷空氣直接與散熱器接觸，減少風扇背壓的同時改善系統的冷卻能力。系統的布置方式與設計原理如圖2所示。

圖2 智能冷卻系統設計原理

智能冷卻系統的工作原理為：在發動機冷卻系統中，6帶動5泵油驅動10工作，10帶動9和11轉動，對6進行冷卻，2根據1的溫度信息調節3的溢流量，實現10的無級變速。

3 智能冷卻系統設計

3.1 智能冷卻系統硬件設計

電液混合驅動冷卻系統的智能控制系統由帶4K FPEROM存儲器的CMOS位微處理器AT89C51，以及DAC0832和ADC0809兩個D/A和A/D轉換芯片等元器件組成，元件之間的接口電路如圖3所示。

圖3 電液混和驅動冷卻系統智能控制系統接口電路圖

智能控制系統的工作流程如圖4所示，從中可以看出系統按照發動機冷卻液溫度與液壓油溫度兩個方面的調節進行。具體流程為：采集發動機冷卻液溫度信號→放大→ADC0809→D/A轉換→AT89C51分析處理→控制信號→DAC0832→A/D轉換→電流信號→放大→調節比例閥溢流量→改變驅動油路中油壓→改變馬達轉速→實現風扇和水泵的無級變速；采集液壓油的油溫信號→放大ADC0809→D/A轉換→AT89C51分析處理→輸出高低電平→控制繼電器啟閉→控制風扇電機。

圖4 智能控制系統工作原理

3.2 智能冷卻系統軟件設計

系統的軟件主程序流程如圖5所示，其中嵌套了中斷程序，中值濾波程序，PID計算程序等，主要完成初始化、任務設定以及定時計數初值等。中斷程序包括T0和T1兩種。T0中斷服務程序如圖6所示，主要負責采集發動機冷卻液溫度參數，并將采樣值與設定的上下限比較判斷是否超出，經PID計算后輸出驅動指令；T1中斷服務程序如圖7所示，其主要負責采集并處理液壓油溫度參數，并經由P口設置高低電平來控制風扇的工作狀態。

圖5 主程序流程

圖6 T0中斷服務程序流程

圖7 T1中斷服務程序流程

為了驗證該智能冷卻系統的性能，將搭載該系統攤鋪機分別在哈爾濱、廣州、西藏等地區進行滿負荷樣機試驗，結果表明：該系統可維持發動機冷卻水溫在85℃左右，液壓油溫在60℃左右，有效地提高了發動機特殊工況的工作能力和攤鋪機整機性能。

4 結束語

ABG423型瀝青攤鋪機電液混合馭動智能冷卻系統能使發動機冷卻風扇和水泵的轉速隨著發動機冷卻液的溫度變化而自動調節，實現了發動機冷卻系統的散熱能力的精確控制同時，發動機冷卻系統的散熱器和液壓油冷卻系統的散熱器分開布置、分開冷卻，提高了冷卻系統的散熱效率，避免發動機和液壓油出現過熱現象，從而提高了筑路機械的工作效率，加快了筑路進度，保證筑路品質。

[1]李亮榮，閆 娟，龐 亮.攤鋪機獨立散熱系統[J].技術解讀，2012（04）：89-90．

[2]張 艾，張艾平.攤鋪機散熱系統設計改進[J].建筑機械，2012(01)：25-26．