平地機(jī)節(jié)能智能散熱與制動(dòng)液壓系統(tǒng)研究

朱正龍，湯茂銀，張 旭，曲祥君，汪玉蘭(.遵義師范學(xué)院 工學(xué)院，貴州 遵義 563006； .湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 405)

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平地機(jī)節(jié)能智能散熱與制動(dòng)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(xué)院 工學(xué)院，貴州 遵義 563006； 2.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151)

為了解決平地機(jī)采用常見的散熱方式時(shí)在大載荷工況下發(fā)熱過大，導(dǎo)致能量嚴(yán)重浪費(fèi)的問題，研究了一種新型風(fēng)扇控制與充液制動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用負(fù)載敏感泵與控制閥組對(duì)風(fēng)扇散熱和制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，具有節(jié)能、智能的特點(diǎn)，既實(shí)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(shí)散發(fā)。該方案已在某大型工程機(jī)械公司的機(jī)械式平地機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證，并得到了廣大客戶的認(rèn)可，具有市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

智能散熱控制；節(jié)能控制；制動(dòng)控制；液壓系統(tǒng)

0 引 言

目前，市場(chǎng)上的平地機(jī)按照驅(qū)動(dòng)方式分為機(jī)械式、全液壓式、機(jī)械液壓式、液力式4種，平地機(jī)的散熱方式有3種：發(fā)動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)風(fēng)扇；定量泵驅(qū)動(dòng)定量馬達(dá)；定量泵驅(qū)動(dòng)定量馬達(dá)帶比例溢流閥。第1種散熱方式風(fēng)扇轉(zhuǎn)速一直處于2 300 rpm，導(dǎo)致在不需要大散熱功率時(shí)浪費(fèi)能量[1]；第2種散熱方式中泵和馬達(dá)均處于最大工作流量，也會(huì)造成巨大的能量浪費(fèi)；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(huì)有發(fā)熱引起的能量浪費(fèi)[2-4]。基于此，本文研究了一種平地機(jī)智能散熱與自動(dòng)充液制動(dòng)液壓系統(tǒng)，既能按照系統(tǒng)需要進(jìn)行能量供應(yīng)，又能有效控制液壓系統(tǒng)的油溫、發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫與進(jìn)氣溫度[5]。該方案已經(jīng)在國內(nèi)某大型工程機(jī)械公司得到驗(yàn)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(fēng)扇控制液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)的控制思路為：將平地機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫、進(jìn)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(dòng)機(jī)水溫不超過90 ℃，進(jìn)氣溫度不超過60 ℃，液壓系統(tǒng)的油溫不超過70 ℃；若其中1個(gè)溫度值超過設(shè)定值，則以溫度值的增加量)設(shè)定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增加量；2個(gè)溫度值超過設(shè)定值時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增加量為超過單個(gè)溫度值時(shí)對(duì)應(yīng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的1.5倍；當(dāng)3個(gè)溫度值均超過設(shè)定值時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增量為單個(gè)溫度值增加量風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的2倍。只要傳感器檢測(cè)到其中任意1個(gè)溫度值超過設(shè)定值，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速從零增加到最大，直到3個(gè)溫度值均控制在設(shè)定范圍內(nèi)為止。

1.1 智能節(jié)能風(fēng)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(fù)載敏感泵進(jìn)行節(jié)能模塊流量供給，如圖1所示。

圖1 負(fù)載敏感泵原理

根據(jù)負(fù)載特性，當(dāng)負(fù)載、面積一定時(shí)，控制閥壓差隨流量的增大而增大；當(dāng)與泵匹配的閥的壓差與泵的DFR閥的壓差匹配時(shí)，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(fù)載所需進(jìn)行供給，即風(fēng)扇系統(tǒng)與制動(dòng)充液系統(tǒng)需要多少流量，泵就提供多少流量，以達(dá)到節(jié)能的效果[6-7]。

1.2 智能散熱與節(jié)能充液制動(dòng)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(cè)壓點(diǎn)，P1為風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)油路口，T為回油口，P2為去制動(dòng)沖液油路，LS1為充液油路負(fù)載反饋油路，LS2M為反比例溢流閥測(cè)壓點(diǎn)，LS為風(fēng)扇回路與制動(dòng)回路負(fù)載反饋給泵流量控制閥的總接口，LSM為L(zhǎng)S油路測(cè)壓點(diǎn)。反比例溢流閥控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，當(dāng)所檢測(cè)的3個(gè)溫度值均在設(shè)定值以下時(shí)，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(fēng)扇轉(zhuǎn)速最大，才能保證平地機(jī)能正常工作；當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到3個(gè)溫度值中任意1個(gè)溫度值高于設(shè)定值時(shí)，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(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、降低溫度的目的；當(dāng)有2個(gè)及以上溫度值超過設(shè)定值時(shí)，則以溫度值超過設(shè)定值較多的那個(gè)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(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)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(fù)載敏感泵配合使用能有效達(dá)到節(jié)能效果[8-9]。

圖2 智能風(fēng)扇與節(jié)能制動(dòng)控制閥組

圖2中Φ0.8 mm節(jié)流孔用于產(chǎn)生與負(fù)載敏感泵DFR閥對(duì)應(yīng)的壓差值，即當(dāng)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(shí)，負(fù)載敏感泵繼續(xù)增大流量，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速持續(xù)增大，當(dāng)產(chǎn)生的負(fù)載與反比例溢流閥一致時(shí)，比例閥開始溢流，節(jié)流孔開始產(chǎn)生壓差，直到達(dá)到14 bar，負(fù)載敏感泵流量達(dá)到此溫度條件下的流量平衡，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到在此溫度下對(duì)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(fēng)扇回路與制動(dòng)回路中的高壓負(fù)載反饋給負(fù)載敏感泵，使泵輸出的流量始終與負(fù)載大的一端匹配[10-12]。Φ1.2 mm節(jié)流孔用于制動(dòng)系統(tǒng)充液過程，因壓差傳感器與梭閥的共同作用，此時(shí)經(jīng)過壓差傳感閥的流量被完全切斷，導(dǎo)致經(jīng)過P1口到風(fēng)扇控制系統(tǒng)的流量被切斷，為防止風(fēng)扇突然失去驅(qū)動(dòng)力而停止，增加Φ1.2 mm節(jié)流孔從而保證風(fēng)扇始終有最低轉(zhuǎn)速。

2 風(fēng)扇馬達(dá)控制模塊

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

圖3 風(fēng)扇馬達(dá)控制模塊

3 節(jié)能自動(dòng)充液制動(dòng)控制

自動(dòng)充液控制主要由充液閥與制動(dòng)閥共同完成，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)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(dá)到DFR閥壓力，充液閥流量達(dá)到最大，泵的流量趨于穩(wěn)定；壓力達(dá)到?jīng)_壓閥的設(shè)定壓力時(shí)停止充液，泵自動(dòng)回中位并進(jìn)行能量存儲(chǔ)，供系統(tǒng)制動(dòng)使用。

3.1 自動(dòng)節(jié)能充液制動(dòng)控制系統(tǒng)

平地機(jī)整機(jī)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(dòng)距離一般在3～5 m)時(shí)不發(fā)生側(cè)翻，采用雙蓄能器、雙制動(dòng)器進(jìn)行后四輪同時(shí)制動(dòng)，其中1個(gè)蓄能器或制動(dòng)器出現(xiàn)故障時(shí)，另外一個(gè)還能正常工作，具有雙保險(xiǎn)的作用。自動(dòng)節(jié)能充液原理如圖4所示。

圖4 自動(dòng)節(jié)能充液原理

自動(dòng)節(jié)能充液制動(dòng)控制過程為：壓力補(bǔ)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(jìn)入蓄能器回路，同時(shí)負(fù)載壓力經(jīng)過控制單位到充液閥LS口流向負(fù)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(dāng)充液壓力達(dá)到120～125 bar時(shí)(彈簧制造或裝配存在誤差，起始控制壓力會(huì)有所差別)，啟停控制單元閥芯開始向左位移動(dòng)，直到壓力達(dá)到160 bar時(shí)，控制回油和先導(dǎo)控制作用在補(bǔ)償器中建立壓力克服壓力補(bǔ)償器的彈簧力，控制單元切換來自壓力補(bǔ)償器的負(fù)載信號(hào)流回T口[13-14]；此時(shí)壓力補(bǔ)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(dāng)壓力低于120～125 bar時(shí)，重復(fù)上訴充液過程。當(dāng)充液起點(diǎn)壓力為120～125 bar時(shí)，充液壓力為160 bar；當(dāng)DS2壓力開關(guān)檢測(cè)到制動(dòng)系統(tǒng)壓力低于100 bar時(shí)，制動(dòng)燈閃爍報(bào)警。

3.2 制動(dòng)過程

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

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

3.3 蓄能器的確定

蓄能器作為輔助動(dòng)力源，其容積計(jì)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(shí)n=1，絕熱時(shí)n=1.4。

由于液體為快速釋放，因此認(rèn)為液壓是在絕熱條件下工作，選取n=1.4，根據(jù)制動(dòng)力矩與制動(dòng)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(dòng)缸每次制動(dòng)所需容積為0.28 m3，要求在泵不能提供油源時(shí)，蓄能器還能提供7次制動(dòng)，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(dá)爾公司的蓄能器。

4 結(jié) 語

該方案由某大型工程機(jī)械公司在18 t機(jī)械式平地機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗比普通的風(fēng)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(jī)械式平地機(jī)上進(jìn)行批量使用，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷南美、南非、俄羅斯等多個(gè)國家，工作效果非常好，得到客戶的高度認(rèn)可；該方案可推廣到其他大型工程機(jī)械上進(jìn)行使用，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

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[責(zé)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(xué)技術(shù)聯(lián)合基金項(xiàng)目(黔科合LH字[2015]7045號(hào))

朱正龍(1981-)，男，貴州遵義人，碩士，工程師，研究方向?yàn)槭豌@井設(shè)備、路面機(jī)械設(shè)備、土方機(jī)械設(shè)備、農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備。

U415.51

B