平地机节能智能散热与制动液压系统研究

朱正龙，汤茂银，张 旭，曲祥君，汪玉兰(.遵义师范学院 工学院，贵州 遵义 563006； .湖南机电职业技术学院 汽车工程学院，湖南 长沙 405)



平地机节能智能散热与制动液压系统研究

朱正龙1，汤茂银2，张 旭1，曲祥君1，汪玉兰1
(1.遵义师范学院 工学院，贵州 遵义 563006； 2.湖南机电职业技术学院 汽车工程学院，湖南 长沙 410151)

为了解决平地机采用常见的散热方式时在大载荷工况下发热过大，导致能量严重浪费的问题，研究了一种新型风扇控制与充液制动系统。该系统采用负载敏感泵与控制阀组对风扇散热和制动系统进行控制，具有节能、智能的特点，既实现了系统能量的按需供应，也保证了系统的发热量能够及时散发。该方案已在某大型工程机械公司的机械式平地机上进行了验证，并得到了广大客户的认可，具有市场应用价值。

智能散热控制；节能控制；制动控制；液压系统

0 引 言

目前，市场上的平地机按照驱动方式分为机械式、全液压式、机械液压式、液力式4种，平地机的散热方式有3种：发动机直接带动风扇；定量泵驱动定量马达；定量泵驱动定量马达带比例溢流阀。第1种散热方式风扇转速一直处于2 300 rpm，导致在不需要大散热功率时浪费能量[1]；第2种散热方式中泵和马达均处于最大工作流量，也会造成巨大的能量浪费；第3种散热方式虽有一定的节能作用，但在溢流阀处仍会有发热引起的能量浪费[2-4]。基于此，本文研究了一种平地机智能散热与自动充液制动液压系统，既能按照系统需要进行能量供应，又能有效控制液压系统的油温、发动机的水温与进气温度[5]。该方案已经在国内某大型工程机械公司得到验证，目前工作效果非常好，并广泛得到客户的高度赞许。

1 智能节能风扇控制液压系统设计

智能风扇控制系统的控制思路为：将平地机发动机的水温、进气温度以及液压系统的液压油温控制在允许的范围以内(发动机水温不超过90 ℃，进气温度不超过60 ℃，液压系统的油温不超过70 ℃；若其中1个温度值超过设定值，则以温度值的增加量)设定风扇转速的增加量；2个温度值超过设定值时，风扇转速的增加量为超过单个温度值时对应风扇转速的1.5倍；当3个温度值均超过设定值时，风扇转速的增量为单个温度值增加量风扇转速的2倍。只要传感器检测到其中任意1个温度值超过设定值，风扇转速从零增加到最大，直到3个温度值均控制在设定范围内为止。

1.1 智能节能风扇控制系统泵模块

该智能系统采用力士乐公司的A10V045DFR负载敏感泵进行节能模块流量供给，如图1所示。

图1 负载敏感泵原理

根据负载特性，当负载、面积一定时，控制阀压差随流量的增大而增大；当与泵匹配的阀的压差与泵的DFR阀的压差匹配时，泵的流量趋于稳定。因此，DR压力控制阀设定压力值为180 bar，DRF流量控制阀设定压力值为14 bar；该泵的输出流量根据负载所需进行供给，即风扇系统与制动充液系统需要多少流量，泵就提供多少流量，以达到节能的效果[6-7]。

1.2 智能散热与节能充液制动控制模块

控制阀组如图2所示，P与系统泵出口相连，PM为P端测压点，P1为风扇驱动油路口，T为回油口，P2为去制动冲液油路，LS1为充液油路负载反馈油路，LS2M为反比例溢流阀测压点，LS为风扇回路与制动回路负载反馈给泵流量控制阀的总接口，LSM为LS油路测压点。反比例溢流阀控制风扇的转速，当所检测的3个温度值均在设定值以下时，反比例溢流阀电流最大，压力最小，若电气控制系统出现异常，溢流阀压力最大，且风扇转速最大，才能保证平地机能正常工作；当温度传感器检测到3个温度值中任意1个温度值高于设定值时，温度传感器的温度值增量经控制器转换为控制电流来控制反比例溢流阀，使其压力升高驱动风扇转动，达到增加风扇转速、降低温度的目的；当有2个及以上温度值超过设定值时，则以温度值超过设定值较多的那个传感器作为反比例阀的输入量。由于反比例溢流阀仅仅用于控制风扇的驱动压力和产生14 bar的节流压差，其最大流量为3 L，但一般情况只有几毫升，因此其最大发热非常小，与负载敏感泵配合使用能有效达到节能效果[8-9]。

图2 智能风扇与节能制动控制阀组

图2中Φ0.8 mm节流孔用于产生与负载敏感泵DFR阀对应的压差值，即当通过反比例溢流阀的流量在Φ0.8 mm节流孔处的压差小于14 bar时，负载敏感泵继续增大流量，风扇转速持续增大，当产生的负载与反比例溢流阀一致时，比例阀开始溢流，节流孔开始产生压差，直到达到14 bar，负载敏感泵流量达到此温度条件下的流量平衡，风扇转速达到在此温度下对应的最大转速。压差传感阀用于让泵过来的液压油优先供给P2回路。梭阀用于将风扇回路与制动回路中的高压负载反馈给负载敏感泵，使泵输出的流量始终与负载大的一端匹配[10-12]。Φ1.2 mm节流孔用于制动系统充液过程，因压差传感器与梭阀的共同作用，此时经过压差传感阀的流量被完全切断，导致经过P1口到风扇控制系统的流量被切断，为防止风扇突然失去驱动力而停止，增加Φ1.2 mm节流孔从而保证风扇始终有最低转速。

2 风扇马达控制模块

风扇马达控制模块如图3所示，由补油阀、风扇马达与风扇3个部分组成。其中补油阀用在风扇高速旋转过程中，防止因控制阀等发生故障引起风扇马达的液压油突然失去动力而使风扇马达与风扇连接部分发生断裂；根据风扇转速与负载要求，选择38 mL·r-1的齿轮马达用于驱动风扇旋转。

图3 风扇马达控制模块

3 节能自动充液制动控制

自动充液控制主要由充液阀与制动阀共同完成，当系统压力低于设定压力时，系统自动充液，泵输出到冲压阀的流量逐渐增大，直到经过冲压阀的压差达到DFR阀压力，充液阀流量达到最大，泵的流量趋于稳定；压力达到冲压阀的设定压力时停止充液，泵自动回中位并进行能量存储，供系统制动使用。

3.1 自动节能充液制动控制系统

平地机整机重(18 t)、功率大(160 kW)、速度快(46 km·h-1)，为了保证其在高速行驶过程中遇到突发情况刹车(制动距离一般在3～5 m)时不发生侧翻，采用双蓄能器、双制动器进行后四轮同时制动，其中1个蓄能器或制动器出现故障时，另外一个还能正常工作，具有双保险的作用。自动节能充液原理如图4所示。

图4 自动节能充液原理

自动节能充液制动控制过程为：压力补偿器与控制单元因弹簧力的作用开始工作，来自泵的流量经充液阀内部单向阀进入蓄能器回路，同时负载压力经过控制单位到充液阀LS口流向负载敏感泵的流量控制单元，为充液回路提供充液流量供应；当充液压力达到120～125 bar时(弹簧制造或装配存在误差，起始控制压力会有所差别)，启停控制单元阀芯开始向左位移动，直到压力达到160 bar时，控制回油和先导控制作用在补偿器中建立压力克服压力补偿器的弹簧力，控制单元切换来自压力补偿器的负载信号流回T口[13-14]；此时压力补偿器转换泵的流量方向，使P口与N口相通，单向阀关闭，充液结束。当压力低于120～125 bar时，重复上诉充液过程。当充液起点压力为120～125 bar时，充液压力为160 bar；当DS2压力开关检测到制动系统压力低于100 bar时，制动灯闪烁报警。

3.2 制动过程

脚踏制动阀是一个两位三通比例机械换向减压阀。初始位置时，制动阀输出口与油箱直接相连，使制动缸里面的液压油全部经过T口回到油箱，此时的回油路需要单独接到液压油箱，防止其他回油路液压油的干涉导致制动器因回油压力过高而产生制动力，引起平地机在行驶过程中停顿。因制动阀为机械比例减压阀，可以改变制动阀的限位结构从而调节制动输出压力；制动压力是根据制动力矩与制动缸的制动力换算得来的，其设定值必须适中。经过试验验证，平地机的制动压力应设定为60～65 bar，否则当车速超过30 km·h-1时突然刹车会产生后轮跳动现象；而压力太低会使制动距离过长，存在安全隐患[15-17]。

在制动阀的出口DS处设有5 bar的压力开关，用于在刹车时将该信号经控制器送到变速箱或液压动力单位，切断动力源，以减少对制动轮毂的磨损，延长使用寿命，缩短制动距离。

3.3 蓄能器的确定

蓄能器作为辅助动力源，其容积计算公式为

(1)

式中：V0为所需蓄能器的容积(m3)；P0为充气压力(Pa)，按0.9P1>P0>0.25P2充气；Vx为蓄能器的工作容积(m3)；P1为系统最低压力(Pa)；P2为系统最高压力(Pa)；n为指数，等温时n=1，绝热时n=1.4。

由于液体为快速释放，因此认为液压是在绝热条件下工作，选取n=1.4，根据制动力矩与制动缸体积要求，预充压力为60 bar,最低工作压力为65 bar。最高工作压力为160 bar，制动缸每次制动所需容积为0.28 m3，要求在泵不能提供油源时，蓄能器还能提供7次制动，因此根据式(1)确定蓄能器的体积为0.63 L。

根据蓄能器型谱，选择容积为2 L、公称压力为210 bar的天津道达尔公司的蓄能器。

4 结 语

该方案由某大型工程机械公司在18 t机械式平地机上进行试验，结果发现发动机油耗比普通的风扇散热系统低30%，液压系统的发热量减少30%，且液压可以一直控制在60 ℃以下，液压系统工作效率提高了5%。目前该系统已经在机械式平地机上进行批量使用，产品远销南美、南非、俄罗斯等多个国家，工作效果非常好，得到客户的高度认可；该方案可推广到其他大型工程机械上进行使用，具有较强的工程应用价值。

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[责任编辑:杜卫华]

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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

贵州省科学技术联合基金项目(黔科合LH字[2015]7045号)

朱正龙(1981-)，男，贵州遵义人，硕士，工程师，研究方向为石油钻井设备、路面机械设备、土方机械设备、农业机械设备。

U415.51

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