挖掘机散热系统控制策略研究

2021-11-04张振宇ZHANGZhenyu

建筑机械化 2021年10期

张振宇/ZHANG Zhen-yu

（徐州徐工矿业机械有限公司，江苏徐州 221000）

挖掘机主要用于矿产、岩石和沙土等高密度物料的挖掘与装载作业。挖掘机工作环境复杂多变，必须保证在高温、高寒、高海拔等恶劣环境具有很强的可靠性及高性能。液压油温过低导致液压油黏稠会加大能量损耗从而降低效率，液压油温过高则液压油黏度下降从而使得液压系统内泄量增大，导致液压元件损伤减少使用寿命。发动机水温过低使得发动机不处于最佳燃烧状态，造成油耗高，操作性能差等缺点；发动机水温过高则会导致发动机异常，发生故障。因此，散热系统控制发动机水温及液压油温稳定在最佳工作区间，对提高挖掘机工作的稳定性及发挥最佳工作性能起到至关重要的作用。

1 散热系统的组成

散热系统硬件组成如图1 所示，主要包括控制系统、发动机、散热泵和风扇。发动机作为动力来源驱动散热泵，散热泵带动风扇转动起到降温的作用。控制系统通过调节散热泵电流进行流量调节，散热泵电流与流量成反比，进而调节发动机散热风扇的转速，从而达到控制发动机水温和液压油温的目的。

图1 散热系统原理

2 分段式控制策略

分段式控制策略如图2（a）所示，将温度分为80～85 ℃、85～90 ℃、90 ℃以上3 段进行控制，以上三段温度对应的散热泵控制电流分别为600mA、450mA、300mA。由于散热泵的电流与流量成反比例关系，因此随着温度的升高散热泵的控制电流分段突变变小，导致散热泵流量变大，风扇转速提高，从而达到控制温度的目的。

如图2（b）所示给出了分段式控制策略的发动机水温温度变化曲线示意图。发动机水温在挖掘机启动后0～2t 的时间内温度迅速上升到82℃，虽然分段式控制策略在80℃开始控制，此时风扇工作在低速，因为温度上升趋势大于风扇降温趋势，因此在前期温度控制存在一定的超调量。随着温度的升高达到85℃后分段控制的第二阶段开始起作用，风扇转速在中速，在温度增加到90℃之前温度增加斜率为（90℃-82℃）／（6t-2t）=4℃／t。

图2 分段式控制策略及水温变化

在温度达到90℃后进入分段控制的第三阶段，风扇转速达到高速，此时的温度增加斜率为（93℃-90℃）／（9t-6t）=1℃／t，最后温度在93℃趋于稳定。

由此可知，分段式控制策略前期存在超调，温度控制跟随性差。前期和中期的温度控制斜率在4℃／t，中期控制响应性不好，后期温度控制斜率在1℃／t 效果较好。由于分段式控制方法简单易于实现，所以目前运用比较广泛，但是由于分段比较粗犷，因此控制跟随性差，中期响应不好，存在超调等缺点。

3 线性控制策略

线性控制策略如图3（a）所示，温度在80～90 ℃之间，散泵的控制电流从600mA 到300mA 线性减少，用公式表示为

其中I 表示电流（mA），T表示温度（℃）。由公式可以得出随着温度的不同，散热泵的控制电流线性变化，不存在阶跃点。

如图3（b）所示的线性控制策略的发动机水温温度变化曲线示意图。在0～80℃之间控制策略并未干预，发动机水温迅速升高。80～85℃之间散热泵电流从600～450mA 之间线性变化，由图可以得出这一阶段温度的变化斜率约为1.67℃／t。在温度85～90℃之间散热泵的电流从450～300mA 之间线性变化，该阶段的温度变化斜率为2.5℃／t，最后温度稳定在90℃，电流为300mA。

图3 线性控制策略及水温变化

由上可知，线性控制策略解决了分段式控制策略存在超调，中期控制响应不好的问题，对比发动机的温度变化斜率可以看出，不管是在前期还是中期，线性控制策略使得单位时间温度变化更加平滑。分段式控制策略最后温度的稳定时间为9t，线性控制策略温度最后稳定的时间为7t，因此线性控制策略的敏捷性更高。

4 线性与分段相结合控制策略

分段式控制策略在温度突变的情况下能快速响应，进入恒电流加大风扇的转速，能够应对散热器阻塞等外部情况造成的突发状况。线性控制策略能够缩短调节时间和超调量，并且能够解决分段式控制策略的控制滞后的缺点。因此本文采用温度变化在正常情况下线性控制策略，温度变化加速度超过一定范围内采用分段式控制策略的阶跃性特点的控制策略，提高散热系统在温度突变情况下的控制鲁棒性。

如图4（a）所示，发动机的工作温度在86℃的情况下突变到100℃，超出了温度的正常变化范围。散热泵电流的控制策略在86℃之前采用线性控制策略，在86℃之后采用分段式阶跃控制策略，电流恒定给300mA直到发动机水温稳定在90℃附近。

如图4（b）所示，虽然在86℃发动机水温发生突变，经过分段式控制策略的阶跃输出300mA电流，使得发动机水温很快在5t 的时间内稳定在90℃。