鉸接式礦用汽車泵控有源定比分流冷卻系統研究

孟慶勇，孫炳玉，謝和平

(1.北京科技大學，北京100083；2.徐州徐工礦山機械有限公司，江蘇 徐州221100)

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鉸接式礦用汽車泵控有源定比分流冷卻系統研究

孟慶勇1,2，孫炳玉2，謝和平2

(1.北京科技大學，北京100083；2.徐州徐工礦山機械有限公司，江蘇 徐州221100)

為了提高鉸卡濕盤制動器的散熱效率，提出了定比分流冷卻的理念。基于這一理念，分析了冷卻對象的流量需求及工作特性，設計了冷卻器組件、有源定比分流組件，建立了泵控有源定比分流冷卻系統。在元件布局上，進行了布置的緊湊化和集成化設計；在流量分配上，考慮了冷卻流量的安全、精確分配且連續可調；在控制模式上，建立了根據冷卻對象溫度反饋的壓力控制型泵控模型，實現了濕盤制動系統的溫度控制。最后,進行了實驗樣機的驗證，結果表明：濕盤制動系統油溫在連續制動工況下油溫始終低于100℃,能夠滿足連續制動需求。

鉸卡；濕盤制動；泵控；有源定比

鉸接式礦用汽車(以下簡稱“鉸卡”)是相對于剛性自卸車而言，采用前、后車架鉸接型式的自卸車。前、后車架可相對轉動達45°，使轉向半徑大為減小，并可繞公共縱軸作相對擺動，使前后車架間的扭轉載荷降為零。鉸接車架和平衡梁懸掛的應用使鉸卡的機動性和通過性需求得以保證。鉸卡通常為2軸式或3軸式，多為全輪驅動，且每根軸上都配有差速器鎖。通常采用大型寬截面型輪胎以降低接地比壓，保證車輛在松軟或泥濘路面上的通過性。鉸卡主要用來在惡劣的“越野”路況進行物料運輸，往往是長距離的滿載下坡，這對車輛的制動穩定性提出了很高的要求。

為了滿足苛刻的制動能力要求，通常在鉸卡每個輪邊均配置一個行車制動器，以最大化增強其制動能力[5]。在進行長時間大負荷行車制動過程中，車輛制動勢能在制動器處轉變為熱能。為了快速耗散制動器處產生的大量熱量，通常采用冷卻油液將制動器處產生的熱量帶走，并通過冷卻風扇將油液冷卻，使油液溫度保持在合理的范圍內[8]。

1 冷卻對象的流量需求

鉸卡行車制動系統的冷卻對象是裝配在前、中、后3個驅動橋輪邊內側的6個濕盤制動器，布置形式見圖1。

圖1 鉸卡濕盤制動器布置形式

鉸卡行車制動力應與相應車橋的滿載載荷成正比。本例中，鉸卡前、中、后橋載荷之比見式(1)。

Ifa∶Lma∶Lra=C1∶C2∶C3

(1)

式中：Lfa、Lma、Lra分別為前、中、后橋滿載載荷；C1、C2、C3表示3個常數。

各橋制動力與相應載荷成正比[3]，且各橋輪邊轉速近似相等，可知各橋發熱功率與滿載載荷成正比[2]，見式(2)。

(2)

式中：Hfa、Hma、Hra分別表示前、中、后橋行車制動器發熱功率。

對各橋制動器進行冷卻時，輸入冷卻油液的溫度相同，為實現制動器等溫差降溫，各橋冷卻流量與制動器發熱功率應成正比[1]，見式(3)。

(3)

式中，qfa、qma、qra分別表示前、中、后橋行車制動器冷卻流量。

綜合式(1)～(3)，可得式(4)。

qfa∶qma∶qra=C1∶C2∶C3

(4)

式(4)表明，為了實現各橋濕盤制動器的等溫差降溫，輸入各橋的冷卻油液流量須與其滿載負載成正比。

2 冷卻元件的工作特性

鉸卡濕盤制動冷卻系統采用由液壓馬達驅動的風冷冷卻器作為冷卻元件，其外形及原理見圖2。

圖2 馬達驅動風冷冷卻器外形及原理圖

此類冷卻器的冷卻功率與溫差、散熱器散熱材料、散熱流體流量及冷卻風流量相關。其選型根據最大散熱功率工況進行確定，一旦冷卻器選型確定之后，在具體某一運行工況下，實時散熱功率僅與冷卻風及散熱流體流量相關。根據離心式流體機械工作特性可知，風扇冷卻風流量與轉速成正比，而其驅動扭矩則與風扇轉速的平方成正比，見式(5)。

T∝n2

(5)

式中：T為風扇驅動扭矩，即馬達輸出扭矩；n為風扇轉速，即馬達轉速。

驅動扭矩T可表示為式(6)。

(6)

式中：Δp為馬達驅動壓差；Vg為馬達排量。

結合式(5)和式(6)可以得到式(7)。

Δp∝n2

(7)

在散熱流量一定的情況下，通過控制馬達驅動壓差可以實現對風扇的轉速控制，進而實現對冷卻器冷卻功率的控制。由于馬達出口壓力基本恒定，則通過控制馬達入口壓力即可實現對冷卻器冷卻功率的控制，進而控制冷卻系統的溫度。

3 有源定比分流組件的設計

針對冷卻對象的流量需求，為了實現前、中、后三橋的定比冷卻流量分配，設計了有源定比分流組件，結構及原理見圖3、圖4。

圖3 有源定比分流組件結構

圖4 有源定比分流組件原理圖

小流量高壓液壓油通過P口進入有源定比分流組件，驅動液壓馬達轉動，馬達通過公共軸驅動與之串聯的3個液壓泵以相同的轉速轉動。開關電磁閥用于控制液壓馬達的旁通功能，當系統不需提供冷卻油液時，開關電磁閥得電，來自P口的驅動液壓油經開關電磁閥通往T口，冷卻泵停止工作。安全單向閥用于設定冷卻泵的最大輸出壓力，保護濕盤制動器免遭高壓擊潰。

有源定比分流組件中的關鍵元件是一臺特別設計的馬達泵，其中的馬達、泵均為齒輪式結構，內部通過通軸驅動形式保證馬達和串聯的3個液壓泵具有相同的轉速，結構形式見圖5。

圖5 馬達泵結構

根據液壓泵的流量工作特性，見式(8)。

(8)

式中：qp1、qp2、qp3分別表示1#、2#、3#泵流量；Vg1、Vg2、Vg3分別表示1#、2#、3#泵排量；ηV1、ηV2、ηV3分別表示1#、2#、3#泵容積效率，三者近似相等，大約為0.9[6]。

故可得式(9)。

qp1∶qp2∶qp3=Vg1∶Vg2∶Vg3

(9)

式(9)表明通過確定三個齒輪泵的排量比值可以控制三個泵的輸出流量比值[7]，1#、2#、3#齒輪泵輸出流量分別供給前、中、后橋濕盤制動器進行冷卻，結合式(4)可得式(10)。

Vg1∶Vg2∶Vg3=qfa∶qma∶qra=C1∶C2∶C3

(10)

根據式(10)可確定馬達泵中三個泵的排量比值。

4 泵控有源定比分流冷卻系統的設計

基于以上分析，綜合電控變量泵及油源定比分流組件，設計了泵控有源定比分流冷卻系統，系統原理見圖6。

電控變量泵為壓力控制型電控泵，控制特性見圖7。當無電氣信號輸入時，輸出保持最大壓力，之后輸出壓力隨輸入信號的增大而降低，但即使輸入電信號達到100%的峰值，液壓泵輸出仍將保持一定壓力(接近但并非零壓)。采用該型電控泵的目的是保證在無信號輸入的故障發生時，系統仍能全負荷運轉，使濕盤制動器得到充分冷卻。同樣，有源定比分流組件中開關電磁閥的選型為斷電關閉的形式，也是出于故障工況的安全保障目的。

液壓泵輸出的油液先后經過冷卻風扇馬達及有源定比分流組件中的齒輪馬達，提高了液壓泵的壓力利用水平，降低了系統的流量需求，是一種以壓力換流量的配置策略。

通過配置在車橋濕盤制動器冷卻回油路上的6個溫度傳感器實時監控各制動器的溫度情況，以便參與控制并作故障診斷。系統通過該溫度傳感器感知流經濕盤制動器油液的實時溫度，進而控制電控變量泵及電磁開關閥的動作。

系統運行時的具體控制邏輯是：當起始冷卻油液溫度處于合理的范圍內，系統無需冷卻時，電控變量泵輸入最大控制信號，液壓泵輸出最低壓力，同時開關電磁閥得電，低壓油液經過電磁閥返回液壓油箱，馬達泵僅在殘余壓力的作用下緩慢運行；當冷卻油液溫度高于目標溫度時，開關電磁閥斷電，電控變量泵輸入電信號降低，通過濕盤制動器的冷卻油流量增大，冷卻風扇轉速升高，從而使冷卻油液溫度降至合理的范圍內；反之，當油液溫度低

圖6 泵控有源定比分流冷卻系統原理圖

圖7 電控變量泵控制特性

于目標溫度時，開關電磁閥同樣斷電，電控變量泵輸入信號升高，通過濕盤制動器的冷卻油流量減小，冷卻風扇轉速降低，從而冷卻油液溫度升至合理的范圍內。

除此之外，采用了具有壓力保護功能的彈簧預壓式單向閥，用以保護車橋濕盤冷卻器，避免產生高壓沖擊造成漏油、損壞等故障。

5 樣車試驗結果

為了驗證泵控方案及定比分流的可行性，采用開環控制方式人為強制使圖5中的電磁閥1處于失電狀態，為圖7中的電控變量泵1提供0%、20%、40%、60%、80%及100%的輸入信號輸入，對馬達泵的工作壓力、轉速及各泵的輸出轉速進行監測，試驗測試結果見表1。

表1 泵控定比分流數據檢測表

為了驗證閉環控制情況下的溫控效果，對樣車進行連續4h滿載制動試驗，其制動油溫與散熱器風扇轉速的試驗結果見圖8。

圖8 滿載制動試驗下風扇轉速、制動油溫與時間關系

根據試驗結果可以看出，在正常的溫度區間內，散熱器風扇轉速跟制動油溫存在比較合理的關聯特性，且在制動油溫進入85℃以上的高溫區間時，風扇轉速達到最大值，且保持在最大值，直到油溫低于高溫區間。在整個試驗期間，油溫沒有進入100℃以上的報警區間。

6 結論

基于泵控有源定比分流冷卻方案及其試驗結果，本文得出如下結論。

1)通過恒壓電控變量泵對冷卻風扇和冷卻馬達的串聯驅動，建立有源泵控和冷卻系統的復合模型，實現對冷卻風量和冷卻流量的同步控制。

2)采用冷卻馬達通軸驅動三聯冷卻泵的方式，且每個冷卻泵配置集成式安全閥，建立了完全獨立且流量定比的散熱系統，使整車冷卻系統具有更高的安全性和可靠性。

3)以各個車橋冷卻油溫為基礎，借助恒壓電控變量泵建立具有反饋機制的油溫控制模型，使冷卻系統在最節能的條件下滿足各個車橋的散熱要求。

通過泵控有源定比分流冷卻的理念，設計和優化的XDA45鉸卡濕盤制動冷卻系統，在各種工況均實現了溫度控制，實現了預期目標。本文提出的理念同樣對有定比分流及壓力連續可控要求的系統具有的借鑒作用。

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Research on pump-controlling active constant proportional flow-divided cooling system of articulated dump truck

MENG Qing-yong1,2, SUN Bing-yu2, XIE He-ping2

(1. University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. XCMG Mining Machinery Company Limited, Xuzhou 221100, China)

In order to improve the radiating efficiency of the articulated dump truck’s wet multiple brakes, the paper puts forward the idea of pump-controlling active constant proportional flow-divided cooling hydraulic system. Basing on the idea, the paper analyzes the flow requirement of cooling object and properties of cooling actuator，designs cooler and active constant proportional flow-divided assembly, establishes pump-controlling active constant proportional flow-divided cooling hydraulic system. In the layout, achieving compact and integrated arrangement of component. In the flow distribution, considering continuous adjustable safe accurate flow division. In the model of control, establishing the pump-controlling model of pressure control type based on the temperature feedback of the cooling object, achieving temperature control of wet multiple braking system. Finally, through the prototype experiment was made, the results show that the coolant tempertures of the wet multiple braking system are less than 100 degree during continuous braking condition and meet the needs of continuous braking.

articulated dump truck; wet multiple brake; pump control; active constant proportion

2016-02-10

孟慶勇(1972-)，男，漢族，博士研究生，研究員級高級工程師，研究方向為非公路礦車自卸車關鍵技術。E-mail:18005210000@qq.com。

TH137.9

A

1004-4051(2016)11-165-04