挖掘机液压油冷却系统分析及优化改造

马泰

（四川邦立重机有限责任公司，四川泸州 646000）

0 引言

传统挖掘机上，液压系统回油直接经过冷却器散热后再回液压油箱，对于液压油冷却器散热功率，往往凭经验按照挖掘机总液压功率的30%～50%选择[1]，在应对不同的环境温度、复杂多变的作业工况时，不能做到散热功率的精准控制，设计制造成本及使用油耗高；同时液压系统回油有突变、压力冲击的存在，直接经过冷却器，会导致冷却器开裂、漏油等故障[2]。针对上述问题，急需研究改进一种新型的挖掘机液压油冷却系统。

1 问题描述

目前常见的挖掘机液压油冷却系统，冷却器的风扇由柴油机驱动：一种是柴油机皮带驱动风扇，风扇与发动机之间为固定传动比（如图1、图2）；另一种是皮带+角传动驱动风扇，风扇与发动机之间有3挡速度选择（如图3、图4）。这两种方式有着共同的缺点：不能根据实际散热功率的需要，调节风扇转速或调节范围小，使用油耗高；当发动机低转速工作时，风扇转速低，散热功率小，在环境温度高的使用场所，需加大散热器尺寸（10%～30%），设计制造成本高[3-4]。

图1 单速风扇布置示意图

图2 单速风扇转速图

图3 三速风扇布置示意图

图4 三速风扇转速图

在布局方面，挖掘机液压系统回油直接经过冷却器，再回液压油箱（如图5），由于系统回油流量不连续，存在着较大的波动，这给计算液压油冷却器散热功率带来麻烦，需要足够的经验，做大量的试验，反复验证校核；而且存在较大的流量波动，系统会有压力峰值出现，这些峰值可能达到最大压力的数倍，它们以脉动型式出现，只能用示波器记录下来。由于这种峰值出现的持续时间很短，一般的过载阀无法及时响应，从而远远不足以消除系统内的压力冲击和压力振荡[5-6]。

图5 传统液压油冷却系统图

2 整改策略

对一种挖掘机抽油独立冷却系统进行了改进，在柴油机取力口增加1个抽油泵和1个冷却泵，冷却风扇由冷却马达驱动（如图6），液压油经过冷却器的流量无波动、连续恒定，给冷却器散热功率计算带来便捷，同时冷却器风扇工作转速与发动机转速无关，风扇可以在最低和最高转速之间无级调速，还能在传统基础上增大转速区域范围（如图7），当发动机低转速工作时，可提供更高的散热功率，而不用加大散热器尺寸。

图6 独立冷却风扇布置示意图

图7 独立冷却风扇转速图

2.1 液压控制模块设计

抽油独立冷却系统工作原理如图8所示。

图8 抽油独立冷却系统图

挖掘机液压系统回油直接接入液压油箱的回油区，抽油泵1为定量泵，抽取液压油箱回油区的热油到冷却器3，液压油经过冷却后流入液压油箱的吸油区，供挖掘机液压主泵吸油。在低温环境下，液压油黏度增大，流入冷却器3的油液阻力增大，挖掘机低温启动时，此时抽油泵1抽取的液压油通过过载单向阀2重新回到油箱回油区，用以保护冷却器3。

冷却泵7为变量泵，出口分别连接冷却马达5和补油单向阀6进口，冷却马达5和补油单向阀6的出口接回液压油箱回油区，冷却泵7用于驱动冷却马达5旋转，冷却马达5传动轴上安装冷却风扇4，给冷却器3散热。补油单向阀6起到防止冷却马达5吸空的作用。

液压油箱吸油区装有温度传感器8，冷却泵7装有电比例阀，冷却马达5的输出轴装有转速传感器9，都接入控制器的端口。

当挖掘机在某一挡位工作时，流入冷却器3的流量是恒定的，没有流量突变、压力冲击的存在，从而延长冷却器3的使用寿命；控制器采集温度传感器8的数据，实时监控液压系统的温度变化，改变冷却泵7的比例阀电流，再通过转速传感器9反馈数据进行修正，从而改变流入冷却马达5的流量，使冷却风扇4的转速随液压油温变化增大或减小，即根据系统油温的高低，自动改变冷却器的散热功率，冷却器风扇转速只与温度有关，这样挖掘机在不同工作挡位、环境温度时都能满足使用要求。

2.2 程序控制模块设计

当选定好冷却泵、冷却马达型号参数后，即可计算出冷却风扇最小转速nmin、冷却泵最小控制电流Imin、冷却风扇最大转速nmax及冷却泵最大控制电流Imax。为了获得最佳效率和使用寿命，通常挖掘机液压油工作黏度选择为16～36 mm2/s范围内，根据使用不同牌号的液压油，即可得出工作最低油温tmin和最高油温tmax。冷却风扇转速根据液压油温成线性变化（如图9）。

然而冷却泵的控制电流与冷却风扇转速关系并非成线性变化，当控制电流较小时，风扇转速变化较快，控制电流较大时，风扇转速变化较平缓（如图10）。

如图9所示，设某一液压油温ta对应风扇转速na。在图10中，风扇转速na对应冷却泵理论控制电流Ic输出实际风扇转速nd，nd>na，为了获得实际风扇转速na对应的控制电流大小Ia，需作如下运算：

图9 油温-风扇转速图

图10 控制电流-风扇转速图

重复上述步骤，通过转速传感器检测，直到控制电流Ib对应的风扇转速无限接近于目标转速na。

3 结语

与传统液压油冷却系统相比，抽油独立冷却系统的优势为：1）节省安装空间。挖掘机上冷却器布置位置可以与发动机分开，能减小冷却器10%左右的尺寸，有利于节省空间，同时冷却器的安装布置灵活方便。2）提升功能。冷却器风扇可以无级调节，风扇转速取决于实际所需的散热功率，在发动机低转速时具有更高的散热功率。3）降低成本。通过我公司在50 t级挖掘机上验证的结果表明，能节省5%的燃油消耗，冷却器漏油开裂等故障率从过去的5%下降到0。