论筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计

2012-11-16朱一德

中国新技术新产品 2012年5期

朱一德

(江苏省交通技师学院，江苏镇江 212006)

新时期工业生产技术的改革发展，使得筑路机械设备的性能、结构、操作等方面得到了显著的改善，促进了筑路作业效率的提升。但同时道路工程数量的增加对筑路机械的结构性能也造成了明显的损坏，设备内部的结构或零件出现不同程度的磨损。冷却系统是筑路机械的辅助结构，当设备处于高速运行状态下可起到控温作用，综合设计冷却装置液压驱动系统是技术研发工作的重点。

一、筑路机械设备冷却系统的作用

工业是我国三大产业的中心支柱，工业化生产技术的发展对其它产业经济有着巨大的推动作用。自工业化生产时代到来，各种机械设备在建筑业、制造业、采矿业等多个领域里广泛运用。冷却系统是机械设备的组成结构之一，系统的主要作用是控制机械运动所产生的热量，以达到均衡设备温度的作用。通常冷却系统的作用是减少发动机因燃烧所产生的热量，保证发动机处于标准的运转温度范围内。机械行业采用的发动机方式多种多样，如：气冷式发动机及水冷式发动机，气冷式发动机是靠发动机带动风扇及车辆行驶时的气流来冷却发动机；水冷式发动机则是靠冷却水在发动机中循环来冷却发动机。考虑到机械设备发动装置的稳定性，设计筑路机械结构时应考虑机件的冷却降温问题，尤其是控制发动机的温度处于标准状态。若发动机冷却不足，会使气缸充气量不足和出现早然和爆燃等燃烧不正常的现象，发动机功率将下降，且发动机零件也会因润滑不良而加速磨损。由此可见，根据机械设备的结构特点设计冷却系统，能够维持发动机及其它机件的温度处于标准状态，防止温度过高造成的不利影响。

二、机械冷却系统存在的不足

科学技术的发展促进了机械设备的普及运用，不仅仅是工业产品的生产加工，机械设备在建筑行业的运用也发挥了重要的施工性能。筑路机械使道路施工摆脱了传统人工操作的方式，利用机械自动化完成道路的修建改造，不仅加快了工程建设的进度，也降低了人工操作的难度。由于城市长期规划发展，道路工程数量增多使得筑路机械的性能面临多方破坏，其冷却系统存在的问题如下：

1、负荷问题。无论是哪一种类型的机械设备，其均有特定的负荷范围及运行条件。从目前的施工情况看，筑路机械设备的作业条件复杂，如：高温、多粉尘等，恶劣的操作环境导致发动机产生的热量大幅度上升，而原先安装的冷却系统已难以适应散热、排热的要求。尤其是许多市政单位追求进度，筑路机械24h持续作业，超负荷运行影响了冷却系统功能的发挥。

图1 基于单片机的智能控制系统

2、阻力问题。为了更好地完成筑路工程作业，技术人员往往会对筑路机械进行结构改造，以实现冷却系统性能的改善。因冷却风扇的传统驱动结构单一，系统安装时未能配备相对应的辅助机件，从而增大了冷却空气的流动阻力。阻力变化不定会造成冷却空气及冷却液的温度差异过大，不利于冷却系统散热、排热作用的发挥，并且增加了筑路机械的维护难度。

3、驱动问题。驱动系统是冷却系统的子系统，对冷却装置的温控作用有较大的影响。早期受到技术条件的限制，机械驱动模式多出采用冷却风扇、水泵等基本构件，让空气经过散热器把产生的热量逐渐消除。尽管这种驱动系统起到了相应的降温作用，但是在筑路机械作业环境变化之后，驱动系统的散热性能明显减弱，无法适应设备在不同条件下的散热需要。

4、结构问题。冷却系统结构安装不合理，筑路机械操作时故障发生率上升，这些都限制了冷却系统的功能。对于大型筑路机械而言，冷却系统不仅运用于发动机冷却，对于机械设备其它机件也能起到散热的效果。如：压路机、平地机、摊铺机等，冷却系统对传动系统、液力举升等也有良好的散热性能。但由于驱动系统结构缺陷，造成散热器所安装的位置与标准不符而限制散热作用。

三、发动机冷却系统的设计

发动机是筑路机械的动力装置，负责传输动能给其它机械构件以维持正常的机械运动。冷却系统能够及时把运动产生的热量散开，使发动机的运行环境处于恒温状态，防止温度过高或过热对发动装置造成的不利影响。目前，发动机冷却系统的设计经过多方改进，技术人员对各种冷却装置的布局掌握了科学的方法。

1、系统构成

根据常规的筑路机械结构组成分析，发动机冷却系统的组成构件包括：电磁比例溢流阀、液压泵、电控单元、油箱、冷油器及粗、液压马达、冷却液温度传感器、精过滤器等，每一个部分在冷却系统运行中都发挥了重要的作用。如：温度传感器的作用是对发动机温度实时监测，且把温度信号传递给电控单元；电控单元则是把温度信息反馈给电磁比例溢流阀，通过溢流阀控制溢流量大小等，每一个结构之间都互相搭配运行。随着机电一体化、机械自动化等技术的运用，冷却系统内部结构之间的配合程度更深，不同装置或元件的协调性更加明显。设计人员可采用单片机设计智能化的冷却系统，如图2。

2、冷却装置

液压驱动是发动机主要的冷却装置，控制冷却系统液压回路则多数选择无级调压回路，液压泵的出口压力则是溢流阀所调整的压力。冷却装置中液压调控的方法依赖于电磁比例溢流阀，可间接性地对发动机的温度适当调节。设计人员考虑冷却装置布局时应防止冷却风扇频繁动作带来的不便，尤其是对液压驱动系统、冷却系统引起的冲击，以维持系统处于安全、稳定的运行状态。如：设计方案里将冷却风扇控制在最低稳定转速下持续运转，以此控制风扇运行消耗的功率大小。

四、液压油冷却系统的设计

液压油是筑路机械的液压介质，对机械设备能够发挥能量传递、系统润滑、防腐、防锈、冷却等多方面作用。液压系统结构较为复杂，如图3，液压油冷却系统的设计应参考筑路机械的实际作业量，合理设计与机械负荷相匹配的驱动装置，把系统的组成构件有效整合起来，在保证液压油作用的前提下增强系统的冷却效果。此次液压油冷却系统的驱动装置设计为电动机，以符合机电一体化操作的控制要求。驱动装置的设计要重点考虑液压油的温度，使其处于规定的温度值。温度过高，液压油的使用时间越短，降低了冷却系统的运行效率；温度过低，液压油的粘度偏大，不利于油泵的吸入。按照筑路机械实际作业情况，把液压油的标准温度限定在30-70℃。按照这一标准可确定冷却风扇的温度范围，通常最佳温度在60℃。

为了适应液压油冷却系统的使用要求，设计人员可设置一套信号传输流程，让温度信号能够及时传递给系统控制中心，这有助于筑路机械各机件的协调运行。本次设计的方案：整体控制方法采用开关控制，由液压油温度传感器将液压油温度信号传给电控单元ECU，ECU判断液压油温度是否达到风扇开始工作的上限温度60℃，当液压油温度达到最高温度，则电控单元ECU输出脉冲信号，启动电动机驱动冷却风扇开始工作，同时电控单元ECU对每次采样值进行判断，若温度小于风扇停止工作的下限温度50℃，风扇自动停止运行。

五、筑路机械电气系统的设计

图3 液压系统原理

机械自动化是设备操控的新趋势，在机械设备内部建立自动控制系统辅助人员操作，可降低筑路工程作业的难度。电气控制系统在机械设备中的运用越来越多见，利用电气部分指导、控制设备操作可提高筑路机械的作业效率。因此，机械冷却装置液压系统的设计要充分考虑电气控制系统，借助于电气控制系统的相关功能辅助冷却系统的散热过程。电气控制系统具备的功能包括：

1、保护功能。线路保护功能的实现需结合系统的"自检测"完成，如：当电气设备线路的电压、电流超出标准荷载，对设备的安全运行造成不利影响。此时，利用电气控制系统的自检测，可对线路的异常信号自行调控。

2、监测功能。筑路机械设备利用电气控制系统能及时捕捉视听信号，对设备的运作状态作出准确地判断，及时监测各种异常问题的发生。利用监测功能可以降低液压驱动系统的故障发生率，提醒操作人员采取措施紧急处理。

3、控制功能。机械电气控制采用的高压开关、大电流开关等设备结构复杂，若依赖于人工操作则会影响到电气设备作用的发挥。电气控制系统的自动化调度，可自动控制分、合闸等操作，当系统产生故障后也可及时切断电路。

六、冷却装置故障处理方案的设计

冷却装置液压驱动系统会受到外界环境、运行负荷、作业时间等方面的影响，导致冷却装置的散热性能减弱。设计阶段是冷却系统规划布置的主要环节，此环节必须要考虑后期液压驱动系统故障的处理问题，设计有效的应急处理策略。结合实际工作经验，笔者设计了一套冷却装置故障处理方案，具体情况：①"看"。详细观察冷却系统故障的状态，如：散热器、风扇、液压泵等。②"找"。根据掌握的故障表现，操作人员应尽快确定故障范围，以准确定位系统故障的位置。③"做"。查明故障原因、故障位置之后，现场人员要采取简单的处理措施，对控制系统自行调控处理。经过简单的故障处理流程，操作人员可以减小故障造成的不利影响，技术人员的检修争取更多的时间。