姜 鵬，劉士博，劉昊天，時雨欣，王添順，呂秀梅，6

（1.遼寧瀚石機(jī)械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124221；3.沈陽工學(xué)院 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 撫順 113122；4.沈陽師范大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 沈陽 110034；5.遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山 114051；6.阜新市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，遼寧 阜新 123000）

露天礦用鉆機(jī)在大型露天煤礦、鐵礦、金礦等露天礦開采中發(fā)揮著重要的作用。露天礦用鉆機(jī)大多采用大排量柴油機(jī)或者電機(jī)驅(qū)動液壓泵組，從而帶動整機(jī)液壓系統(tǒng)的工作，由于液壓系統(tǒng)存在一定的能量損耗，所以液壓系統(tǒng)發(fā)熱量較大，所以對液壓系統(tǒng)的散熱要求較高[1]，如果冷卻效果不佳，會影響液壓系統(tǒng)的功能，從而影響設(shè)備的正常使用。

目前常用的冷卻風(fēng)扇散熱方式常采用水冷和風(fēng)冷，與風(fēng)冷散熱效果相比，水冷散熱效果更明顯，但是受冷卻水源與使用環(huán)境溫度等條件限制，現(xiàn)在工程機(jī)械冷卻風(fēng)扇冷卻方式全采用風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)。

1 風(fēng)扇驅(qū)動方式

風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)，風(fēng)扇的驅(qū)動方式主要有以下幾種類型：①發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動冷卻風(fēng)扇：此種方式，散熱效率受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速影響較大，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不能根據(jù)液壓系統(tǒng)的油溫單獨(dú)進(jìn)行速度調(diào)整；②直流電機(jī)驅(qū)動冷卻風(fēng)扇：由于有些工程機(jī)械大多采用柴油機(jī)作為驅(qū)動動力，缺少電力能源，電機(jī)使用較繁瑣，而且電機(jī)體積較大轉(zhuǎn)速較低，小功率的電機(jī)難以滿足工程機(jī)械的散熱要求；③液壓馬達(dá)驅(qū)動風(fēng)扇：液壓馬達(dá)驅(qū)動的風(fēng)扇，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以獨(dú)立于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)無級變速，容易實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，而且與電機(jī)相比，液壓馬達(dá)能夠提供更大的扭矩，而且液壓馬達(dá)體積小，便于安裝。

與傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動相比，液壓馬達(dá)驅(qū)動轉(zhuǎn)速較高，可以達(dá)到4 000 r/min 以上，最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到6 000 r/min，從而提供更大風(fēng)力，使冷卻效果更好[2]。所以，露天礦用鉆機(jī)大多采用液壓驅(qū)動風(fēng)扇系統(tǒng)。液壓驅(qū)動風(fēng)扇系統(tǒng)可分為3 種：定排量定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)、定排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)和變排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。

2 定排量定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)

2.1 工作原理

定排量定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)原理圖如圖1。

圖1 定排量定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)原理圖

該定排量定轉(zhuǎn)速的工作原理：油箱中設(shè)有溫度傳感器，當(dāng)油溫沒有達(dá)到設(shè)定的啟動冷卻溫度時，電磁換向閥的電磁鐵不帶電，液壓油通過電磁換向閥直接回油箱，此時可以減少能量的損耗和熱量的產(chǎn)生；當(dāng)油溫達(dá)到設(shè)定的啟動冷卻溫度時，電磁換向閥的電磁鐵帶電，此時電磁換向閥閉合，液壓油經(jīng)過冷卻馬達(dá)流回油箱[3]，從而帶動冷卻馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)。此時，可以通過調(diào)節(jié)手動溢流閥，調(diào)整此系統(tǒng)的最大工作壓力。當(dāng)液壓泵停止工作時，在慣性力的作用下，馬達(dá)仍然會高速旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)的進(jìn)油腔已經(jīng)沒有液壓油的補(bǔ)充，便會產(chǎn)生負(fù)壓，從而影響液壓馬達(dá)的使用壽命，因此，在馬達(dá)的進(jìn)油路與回油路之間安裝單向閥，當(dāng)進(jìn)油路由于慣性力產(chǎn)生負(fù)壓時，回油路的液壓油會補(bǔ)充到進(jìn)油路，從而保證液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，直至液壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動[4]。

定排量定轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)的成本低，操作簡單，缺點(diǎn)是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不能調(diào)整。而且定排量定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，工作壓力可以隨著負(fù)載變動，但是流量不能調(diào)節(jié)，一直存在此壓力下的溢流現(xiàn)象，造成能源的浪費(fèi)，同時造成二次產(chǎn)熱[5]。

2.2 能耗圖

由于定排量定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)采用的是直動式溢流閥，溢流閥調(diào)定后在工作過程中壓力不會隨時改變，當(dāng)系統(tǒng)流量大于馬達(dá)實(shí)際使用流量時，溢流閥便會在此壓力下進(jìn)行溢流，從而產(chǎn)生能量的損耗。異常煤溫處理監(jiān)控如圖2。圖中：p 為系統(tǒng)壓力，MPa；Q 為系統(tǒng)流量，L/min；p1為馬達(dá)實(shí)際工作壓力，MPa；p2為系統(tǒng)設(shè)定壓力，MPa；Q1為馬達(dá)實(shí)際流量，L/min；Q2為泵輸出流量，L/min；■為浪費(fèi)的能量，kW。

圖2 異常煤溫處理監(jiān)控

3 定排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)

3.1 工作原理

定排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)原理圖如圖3。

圖3 定排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)原理圖

該定排量變轉(zhuǎn)速的工作原理：電磁比例溢流閥控制器可以通過控制電流的大小從而控制比例溢流閥的壓力，當(dāng)溫度傳感器檢測到液壓油溫過高時，控制系統(tǒng)自動提高比例溢流閥的工作壓力，增大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速從而滿足散熱要求。當(dāng)油溫較低時，減少轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)油溫對風(fēng)扇的自動控制[6]。

定排量變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)的成本相對較低，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)自動控制，缺點(diǎn)是仍然存在部分壓力溢流損失[7]。

3.2 理論依據(jù)

風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動需要克服一定的阻力，在一定的范圍內(nèi)，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越快，需要消耗的扭矩就越大[8]。

式中：T 為風(fēng)扇輸入扭矩，N·m；p 為液壓馬達(dá)工作壓力，MPa；V 為液壓馬達(dá)排量，mL。

當(dāng)液壓泵的排量充足時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力，即可控制馬達(dá)的扭矩，從而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

3.3 控制方式選擇

比例溢流閥的控制方式可以分為正比例控制和反比例控制2 種[9]，正比例控制就是電流越大，比例溢流閥的壓力越大，從而提供的扭矩越大，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越快，反比例控制是，當(dāng)電流越大時，電磁比例溢流閥壓力越小，扭矩越小，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越慢。工程機(jī)械風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制常采用反比例控制，若采用正比例控制，當(dāng)比例溢流閥控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，將導(dǎo)致風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動，工程機(jī)械散熱系統(tǒng)失去功能，從而對設(shè)備造成影響，而反比例控制方式，當(dāng)比例溢流閥控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，風(fēng)扇以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行，能夠保證設(shè)備的正常使用[10]。

3.4 能耗圖

由于定排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)采用的是比例電磁溢流閥，溢流閥的壓力在工作過程中可以根據(jù)液壓油溫度隨時改變，此時的壓力就是馬達(dá)的工作壓力，但是當(dāng)系統(tǒng)流量大于馬達(dá)實(shí)際使用流量時，溢流閥便會在此壓力下進(jìn)行溢流，從而產(chǎn)生能量的損耗[11]。定排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)能耗圖如圖4。圖中：p 為系統(tǒng)壓力，MPa；Q 為系統(tǒng)流量，L/min；p1為馬達(dá)實(shí)際工作壓力，MPa；Q1為馬達(dá)實(shí)際流量，L/min；Q2為泵輸出流量，L/min；■為浪費(fèi)的能量，kW。

圖4 定排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)能耗圖

4 變排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)

4.1 工作原理

變排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)原理圖如圖5。

圖5 變排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)原理圖

根據(jù)比例溢流閥的調(diào)整壓力，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定壓力后，變量泵自動減小斜盤角度，減小泵的排量，此時按需輸出流量[12]，沒有多余的流量溢流，不會二次發(fā)熱。

變排量變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)的成本高，故障率較高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以調(diào)整。可根據(jù)液壓油溫控制比例溢流閥的壓力。

4.2 能耗圖

由于變排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)采用的是比例電磁溢流閥控制變量柱塞泵，溢流閥的壓力工作過程中可以根據(jù)溫度隨時改變，溢流閥壓力的改變可以控制液壓泵排量的擺角，從而控制液壓泵的輸出流量，此時就會按照馬達(dá)的轉(zhuǎn)速需求進(jìn)行油量的供給，不會有多余流量的溢流，便不會有能量的損耗[13]。變排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)能耗圖如圖6。圖中：p 為系統(tǒng)壓力，MPa；Q為系統(tǒng)流量，L/min；p1為馬達(dá)實(shí)際工作壓力，MPa；Q1為馬達(dá)實(shí)際流量，L/min。

圖6 變排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)能耗圖

5 結(jié)語

1）3 種冷卻系統(tǒng)均能滿足露天礦用鉆機(jī)的冷卻要求，冷卻效果良好。

2）定轉(zhuǎn)速變量系統(tǒng)本質(zhì)上是液壓泵流量飽和工況下的壓力控制轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，可以根據(jù)電比例溢流閥的壓力改變，隨時控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動控制。

3）變排量變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)可以根據(jù)液壓油溫，自動控制變量泵的排量，無能量損耗，在節(jié)能方面明顯優(yōu)于其他2 個冷卻系統(tǒng)，保證了液壓油溫在最佳范圍內(nèi)工作，可以有效地延長設(shè)備的使用壽命，但是，變量泵和比例溢流閥價格較貴，又對液壓油清潔度要求較高，后期維護(hù)復(fù)雜，維護(hù)成本較高，因此此系統(tǒng)適用于高端工程機(jī)械。