挖掘机独立散热系统智能保护控制方法

文 俊

（徐州徐工矿业机械有限公司，江苏 徐州 221000)

液压挖掘机主要由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制系统等部分组成，其中发动机是整机动力核心。挖掘机工况恶劣，为了保证挖掘机发动机工作在合理温度范围内，挖掘机的散热系统至关重要。挖掘机传统散热风扇采用发动机直驱的形式，风扇转速不可调节，始终处于最大转速，噪音大，燃油消耗大。近年来，随着燃油价格的不断上涨，越来越多的挖掘机散热风扇采用独立控制方式，散热系统独立设置，风扇通过液压马达驱动，根据发动机水温自动调节风扇转速，可实现降噪音、降油耗的效果。

但挖掘机工况复杂，散热系统可能因飞溅的碎石撞击、散热系统堵塞等异常，使发动机水温上升迅速，最终超过正常工作温度范围。若无法及时提高风扇转速，容易导致发动机快速高温，造成不可逆损坏。传统的独立散热系统均采用绝对温度控制方法，即温度和风扇转速线性一一对应，这种控制方法在出现突发情况时，无法快速调整散热系统的散热功率，改变风扇转速，不能有效避免因系统故障导致的发动机高温问题，所以必须对散热系统的控制方法进行优化。

1 挖掘机散热系统

1.1 散热系统分类

挖掘机散热系统主要有两种：一种是风扇安装采用发动机直驱方式，风扇转速与发动机转速呈一个固定的转速比，风扇转速为固定转速，在低温工况下，散热系统能量浪费严重；另一种散热方式是采用独立散热系统，即在挖掘机主液压系统之外，单独增加一个由散热泵、液压马达组成的散热回路，散热风扇由液压马达直接驱动，风扇转速即为液压马达转速，散热泵采用变量泵，通过调节散热泵排量可实现对液压马达转速的调节，进而实现对散热风扇转速的调节。

1.2 独立散热系统控制方式

独立散热系统对于风扇转速的控制原理为：通过控制器监控发动机水温，根据发动机水温调节散热风扇转速：当发动机水温低于t1时，散热风扇转速为最低转速n1；当发动机水温高于t2时，散热风扇转速为最高转速n2；当发动机水温介于t1和t2之间时，风扇转速随发动机水温升高而增大，发动机风扇转速随水温变化曲线如图1所示。

图1 风扇转速与水温关系曲线

2 智能保护控制方法

2.1 温升梯度保护控制

通过对挖掘机发动机水温进行实时监控，得到发动机正常工作时温度随时间变化规律。发动机水温在节温器打开之前，发动机水温会快速上升，当水温达到节温器开启温度之后，水温会围绕节温器开启温度上下缓慢浮动，最终接近平衡，图2 是某型号挖掘机从启动到发动机水温平衡的水温变化曲线。

图2 发动机水温变化曲线

温度传感器将发动机水温信号传输给控制器，控制器每秒采集一次发动机水温实时温度值，用当前采集的温度值减去前一次采集的温度值，即为温升梯度，计算连续5 次温升梯度的平均值，可以得到平均温升梯度T。

式中，T为平均温升梯度，T（n＋1）为第n＋1 次水温，Tn为第n次水温，n为采集次数。

将每秒采集的实时温度值迭代计算，得到随时间变化的平均温升梯度曲线，如图3 所示。

图3 平均温升梯度曲线

通过平均温升梯度曲线可以发现，发动机在启动之后，节温器打开之前，温升梯度较大，在节温器打开接近热平衡之后，温升梯度较小。由此温升梯度变化规律，设计温升梯度控制策略。

控制器设定发动机工作警戒水温Tw，当水温超过Tw时，启动温升梯度控制，控制器进行温升梯度计算，当散热系统出现异常，发动机水温快速上升，平均温升梯度变大，当平均温升梯度高于某一设定值ΔT，控制器发送控制信号至散热系统，加大散热风扇转速，提高散热系统的散热能力，平均温升梯度越大，控制散热风扇转速越高，在此，Tw可设定为发动机节温器开启温度，ΔT可设定为1～2℃。此种控制策略可有效检测发动机的快速升温异常，并及时提高散热风扇转速，从而实现对发动机的有效保护。

2.2 高温应急保护控制

如果发动机水温上升过快，达到或者超过了发动机最高允许工作水温，为避免造成系统损坏，需要增加应急保护机制，故设计应急保护机制为：设定发动机最高允许工作水温Tm，当水温高于Tm且持续时间超过10s时，启用高温应急保护控制，控制器发出信号，降低发动机转速至怠速或最低转速、降低挖掘机主泵输出功率至最低，同时控制报警器发出报警信号。

为避免发动机转速降低后因主泵输出功率超过发动机最大输出功率导致的发动机憋车熄火问题，发动机转速降低和主泵功率降低必须是异步的，首先进行主泵功率降低，在主泵功率降低到一定值后再进行发动机转速降低，防止发动机低转速时的最大输出功率与主泵功率不匹配而造成的危害。

2.3 智能保护控制方法

发动机散热风扇转速受发动机水温绝对温度和平均温升梯度共同控制，其中高温应急控制优先级大于温升梯度控制的优先级，温升梯度控制的优先级高于绝对温度控制的优先级，散热风扇的实际输出转速取三者控制方法的最大值。

发动机水温低于Tw时，按绝对温度控制；当水温超过Tw时，启动温升梯度控制，在平均温升梯度值没有达到设定温升梯度ΔT时，风扇转速仍然按绝对温度控制，散热风扇转速与水温温度值相关，当平均温升梯度值达到设定温升梯度ΔT时，风扇转速由温升梯度控制，风扇转速高低取决于温升梯度值大小；当水温超过发动机最高允许工作水温Tm且持续时间超过10s，启动高温应急控制，进一步提高风扇转速，同时主动降低主泵功率，降低发动机转速，图4 为智能保护控制系统流程图。

图4 智能保护控制系统流程图

2.4 智能保护控制实例

以某70t 挖掘机为例，设定控制温度t1=85 ℃，t2=94 ℃，控制转速n1=100rpm，n2=1000rpm，发动机水温在85℃及以下时对应风扇转速为100rpm，在94℃及以上时对应风扇转速为1 000rpm，温度区间内风扇转速采用无级调节；设定Tm为104℃，当发动机水温超过104℃且持续时间超过10s后，控制器控制散热器风扇转速至最大转速1 300rpm，发动机转速降低至怠速1 100rpm，主泵输出功率降至最大输出功率的50%；设定平均温升梯度限定值ΔT=1℃，警戒水温Tw=85℃，当平均温升梯度值超过ΔT时，风扇转速直接增大到1 000rpm。例如，水温在初始时是85℃，在5s 时是91℃，如果按绝对温度控制，在91℃时，散热系统对应的风扇转速为700rpm，但因为温升梯度为1.2℃，超过了平均温升梯度限定值，控制器发出控制信号，提高风扇转速到1 000rpm，可避免水温快速上升。增加了上述智能保护控制方法的挖掘机，因冷却液缺失导致发动机快速升温之后，温升梯度保护控制逻辑启动，快速增加了风扇转速，避免了发动机进一步快速升温，为司机应急处理赢得了时间，避免了次生故障的发生。

3 结语

此种基于液压马达驱动的液压挖掘机独立散热系统的智能保护控制方法，在传统的采用绝对温度控制的基础上，增加了温升梯度保护控制和高温应急保护控制：温升梯度保护控制通过监测发动机水温信号，并实时计算发动机平均温升梯度，当发动机水温超过警戒水温且平均温升梯度值超过设定值时，及时增大散热风扇转速，避免发动机快速过热；高温应急保护控制通过设定发动机允许工作最高水温，在发动机出现异常高温或突然水温过热时，将风扇转速直接调整为最大风扇转速，迅速对发动机系统进行冷却，同时降低主泵功率，降低发动机转速，减小发动机的发热量。

该智能保护策略能够在出现散热系统突发故障引起的发动机系统快速升温时，自动对散热系统进行调整，增大系统散热量，降低发动机系统发热量，延缓发动机温度上升速度，为故障处理赢得时间，提升了发动机系统的可靠性，提升了挖掘机高温环境适应性。