馬泰

（四川邦立重機(jī)有限責(zé)任公司，四川瀘州 646000）

0 引言

傳統(tǒng)挖掘機(jī)上，液壓系統(tǒng)回油直接經(jīng)過冷卻器散熱后再回液壓油箱，對于液壓油冷卻器散熱功率，往往憑經(jīng)驗(yàn)按照挖掘機(jī)總液壓功率的30%～50%選擇[1]，在應(yīng)對不同的環(huán)境溫度、復(fù)雜多變的作業(yè)工況時(shí)，不能做到散熱功率的精準(zhǔn)控制，設(shè)計(jì)制造成本及使用油耗高；同時(shí)液壓系統(tǒng)回油有突變、壓力沖擊的存在，直接經(jīng)過冷卻器，會(huì)導(dǎo)致冷卻器開裂、漏油等故障[2]。針對上述問題，急需研究改進(jìn)一種新型的挖掘機(jī)液壓油冷卻系統(tǒng)。

1 問題描述

目前常見的挖掘機(jī)液壓油冷卻系統(tǒng)，冷卻器的風(fēng)扇由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)：一種是柴油機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)之間為固定傳動(dòng)比（如圖1、圖2）；另一種是皮帶+角傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)之間有3擋速度選擇（如圖3、圖4）。這兩種方式有著共同的缺點(diǎn)：不能根據(jù)實(shí)際散熱功率的需要，調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)范圍小，使用油耗高；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速工作時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速低，散熱功率小，在環(huán)境溫度高的使用場所，需加大散熱器尺寸（10%～30%），設(shè)計(jì)制造成本高[3-4]。

圖1 單速風(fēng)扇布置示意圖

圖2 單速風(fēng)扇轉(zhuǎn)速圖

圖3 三速風(fēng)扇布置示意圖

圖4 三速風(fēng)扇轉(zhuǎn)速圖

在布局方面，挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)回油直接經(jīng)過冷卻器，再回液壓油箱（如圖5），由于系統(tǒng)回油流量不連續(xù)，存在著較大的波動(dòng)，這給計(jì)算液壓油冷卻器散熱功率帶來麻煩，需要足夠的經(jīng)驗(yàn)，做大量的試驗(yàn)，反復(fù)驗(yàn)證校核；而且存在較大的流量波動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)有壓力峰值出現(xiàn)，這些峰值可能達(dá)到最大壓力的數(shù)倍，它們以脈動(dòng)型式出現(xiàn)，只能用示波器記錄下來。由于這種峰值出現(xiàn)的持續(xù)時(shí)間很短，一般的過載閥無法及時(shí)響應(yīng)，從而遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以消除系統(tǒng)內(nèi)的壓力沖擊和壓力振蕩[5-6]。

圖5 傳統(tǒng)液壓油冷卻系統(tǒng)圖

2 整改策略

對一種挖掘機(jī)抽油獨(dú)立冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在柴油機(jī)取力口增加1個(gè)抽油泵和1個(gè)冷卻泵，冷卻風(fēng)扇由冷卻馬達(dá)驅(qū)動(dòng)（如圖6），液壓油經(jīng)過冷卻器的流量無波動(dòng)、連續(xù)恒定，給冷卻器散熱功率計(jì)算帶來便捷，同時(shí)冷卻器風(fēng)扇工作轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，風(fēng)扇可以在最低和最高轉(zhuǎn)速之間無級調(diào)速，還能在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上增大轉(zhuǎn)速區(qū)域范圍（如圖7），當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速工作時(shí)，可提供更高的散熱功率，而不用加大散熱器尺寸。

圖6 獨(dú)立冷卻風(fēng)扇布置示意圖

圖7 獨(dú)立冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速圖

2.1 液壓控制模塊設(shè)計(jì)

抽油獨(dú)立冷卻系統(tǒng)工作原理如圖8所示。

圖8 抽油獨(dú)立冷卻系統(tǒng)圖

挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)回油直接接入液壓油箱的回油區(qū)，抽油泵1為定量泵，抽取液壓油箱回油區(qū)的熱油到冷卻器3，液壓油經(jīng)過冷卻后流入液壓油箱的吸油區(qū)，供挖掘機(jī)液壓主泵吸油。在低溫環(huán)境下，液壓油黏度增大，流入冷卻器3的油液阻力增大，挖掘機(jī)低溫啟動(dòng)時(shí)，此時(shí)抽油泵1抽取的液壓油通過過載單向閥2重新回到油箱回油區(qū)，用以保護(hù)冷卻器3。

冷卻泵7為變量泵，出口分別連接冷卻馬達(dá)5和補(bǔ)油單向閥6進(jìn)口，冷卻馬達(dá)5和補(bǔ)油單向閥6的出口接回液壓油箱回油區(qū)，冷卻泵7用于驅(qū)動(dòng)冷卻馬達(dá)5旋轉(zhuǎn)，冷卻馬達(dá)5傳動(dòng)軸上安裝冷卻風(fēng)扇4，給冷卻器3散熱。補(bǔ)油單向閥6起到防止冷卻馬達(dá)5吸空的作用。

液壓油箱吸油區(qū)裝有溫度傳感器8，冷卻泵7裝有電比例閥，冷卻馬達(dá)5的輸出軸裝有轉(zhuǎn)速傳感器9，都接入控制器的端口。

當(dāng)挖掘機(jī)在某一擋位工作時(shí)，流入冷卻器3的流量是恒定的，沒有流量突變、壓力沖擊的存在，從而延長冷卻器3的使用壽命；控制器采集溫度傳感器8的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓系統(tǒng)的溫度變化，改變冷卻泵7的比例閥電流，再通過轉(zhuǎn)速傳感器9反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而改變流入冷卻馬達(dá)5的流量，使冷卻風(fēng)扇4的轉(zhuǎn)速隨液壓油溫變化增大或減小，即根據(jù)系統(tǒng)油溫的高低，自動(dòng)改變冷卻器的散熱功率，冷卻器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速只與溫度有關(guān)，這樣挖掘機(jī)在不同工作擋位、環(huán)境溫度時(shí)都能滿足使用要求。

2.2 程序控制模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)選定好冷卻泵、冷卻馬達(dá)型號參數(shù)后，即可計(jì)算出冷卻風(fēng)扇最小轉(zhuǎn)速nmin、冷卻泵最小控制電流Imin、冷卻風(fēng)扇最大轉(zhuǎn)速nmax及冷卻泵最大控制電流Imax。為了獲得最佳效率和使用壽命，通常挖掘機(jī)液壓油工作黏度選擇為16～36 mm2/s范圍內(nèi)，根據(jù)使用不同牌號的液壓油，即可得出工作最低油溫tmin和最高油溫tmax。冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速根據(jù)液壓油溫成線性變化（如圖9）。

然而冷卻泵的控制電流與冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速關(guān)系并非成線性變化，當(dāng)控制電流較小時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化較快，控制電流較大時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化較平緩（如圖10）。

如圖9所示，設(shè)某一液壓油溫ta對應(yīng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速na。在圖10中，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速na對應(yīng)冷卻泵理論控制電流Ic輸出實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速nd，nd>na，為了獲得實(shí)際風(fēng)扇轉(zhuǎn)速na對應(yīng)的控制電流大小Ia，需作如下運(yùn)算：

圖9 油溫-風(fēng)扇轉(zhuǎn)速圖

圖10 控制電流-風(fēng)扇轉(zhuǎn)速圖

重復(fù)上述步驟，通過轉(zhuǎn)速傳感器檢測，直到控制電流Ib對應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速無限接近于目標(biāo)轉(zhuǎn)速na。

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)液壓油冷卻系統(tǒng)相比，抽油獨(dú)立冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢為：1）節(jié)省安裝空間。挖掘機(jī)上冷卻器布置位置可以與發(fā)動(dòng)機(jī)分開，能減小冷卻器10%左右的尺寸，有利于節(jié)省空間，同時(shí)冷卻器的安裝布置靈活方便。2）提升功能。冷卻器風(fēng)扇可以無級調(diào)節(jié)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速取決于實(shí)際所需的散熱功率，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)具有更高的散熱功率。3）降低成本。通過我公司在50 t級挖掘機(jī)上驗(yàn)證的結(jié)果表明，能節(jié)省5%的燃油消耗，冷卻器漏油開裂等故障率從過去的5%下降到0。