装载机散热风扇控制系统的研究与开发.pdf

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装载机散热风扇控制系的研究与开发
蔡登胜,曾光安,金忠,罗维,陈前锋
(广西柳工机械股份有限公司)
摘要:对当前各种装载机散热风扇的驱动方式及特点进行分析,得出电控比例液压风扇最
适用于装机工況的结论。对节流调速和容积调速两种电控比例液压风扇的结构、原理进行分析,
提出控制方案,开发相应控制系统,并对控制性能进行测试验证。实际使用证明,电控比例液压风扇
在装载机上的使用效果较好。
关键词:工程机械;散热;电控比例;液压风扇;控制
随着发动机技术的发展,特别是随着柴油发动发动机时,风扇转速超过所需散热能力,使得冷却
机排放要求的不断提高,发动机的散热量不断增液的升温过程延长,发动机的燃烧效率降低,影响
加,因此,有必要提高对发动机热效率与热管理的发动机的工作性能;3)在低温情况下,由于风扇转
技术要求。例如某公司的柴油发动机,由满足I阶速超过所需散热能力,不仅延长了发动机机体升温
段排放标准提升到满足Ⅳ阶段排放标准后,需要时间,而且使风扇能耗白白浪费;4)风扇转速与噪
通过散热系统散发的热量占总做功量的比例由声之间存在强相关关系,在发动机低温工作时,无
33%上升到40%。以装载机为例,由于轮式装载机的法控制风扇转速进入低速工作状态,使噪声难以控
负载不断波动,不像商用车负载那样平稳且变化缓制,易产生噪声污染。
慢,因而对散热系统的要求很高。大多数轮式装载12电子风扇驱动方式及特点
机在工作时车速慢,不具备迎风面,主要通过散热
针对传统散热直连风扇的缺点,开发了电子风
风扇对散热系统进行强制冷却,散热风扇约占用整扇。电子风扇由控制器+直流电机构成,根据冷却
机功率的79%-10%因此,研发装载机散热风扇控液温度的变化,电子风扇具有几个挡位,分别为停
制系统,对装载机散热风扇进行有效控制,对装载止挡、低速挡和高速挡。当温度低时,电子风扇停止
机节能、降噪以及提高燃油效率具有重要意义
工作;当温度高时,根据散热需要使风扇在低速挡
1散热风扇驱动方式介绍
或高速挡工作。这样,就可有效克服传统散热直连
风扇低温启动噪声大,能耗高及燃烧效率低问题。
1.1传统散热直连风扇驱动方式及特点
但电子风扇具有以下缺点:电子风扇的功率不足,
传统的轮式装载机散热直连风扇采用发动机无法满足大散热量时的冷却功率需求,因而只在轿
曲轴直接驱动或通过曲轴带动皮带轮变速驱动,其车上得到广泛应用,目前基本上未应用到工程机械
特点为:散热风扇的转速与系统散热需求无关,风领域。
扇转速只与发动机转速相关。这就使得这种散热方13硅油离合器风扇驱动方式及特点
式存在以下缺点:1)发动机的转速不受散热需求
针对传统散热直连风扇和电子风扇的缺点,
的控制,散热需求与风扇散热能力不同步,由于装些厂家推出了硅油离合器风扇。硅油离合器风扇属
载机的负载变化波动大,使得这种不同步始终存于液体黏性离合调速装置,根据牛顿内摩擦定律,当
在;2)由于发动机的燃烧效率与温度相互关联叫,两块板间充满黏性液体,其中一块板运动时,另一块
发动机存在一个最佳工作温度,大多数发动机的最板会受到黏性液体剪切力的作用而随之运动叫。
佳工作温度为85~95℃,当在较低环境温度下启动
在硅油离合器风扇结构中,主动板与发动机曲
作者简介:蔡登胜(1971ー),男,广西全州人,高级工程师,硕士,研究方向:工程机械电子与控制工程。
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轴机械连接,从动板与风扇连接,通过改变硅油的
流量,即可调整风扇的转速,一般传动比在
电控比例阅液压马达
0.15~1.00。硅油离合器风扇从20世纪50年代出现
跸(散热风扇
以来,经过多年的发展,目前在商用车上取得较为
试验·研究
广泛的应用,具有如下特点:1)从传动比来看,由
于风扇不再与发动机曲轴直接连接,当发动机低温
工作时,硅油离合器风扇可以主动工作在低转速状
态,从而节省风扇功率;当发动机高温工作时,可像
定量散热泵
直驱风扇一样,以发动机曲轴转速工作;2)目前主
流的硅油离合风扇主要采用双金属片来控制硅油
的流量,一般来说只有两挡或3挡,当用于工程机
被时,若是定转速工况的机器,如挖掘机、雄铺机
等,问题不大,但用于轮式装载机等发动机转速不
停地在怠速和最高速之间变化的机器时,则由于转
图1节流调速液压风扇原理图
速变化比双金属片的响应速度快,因而仍有适应性
不强的问题需要解决。
电控比例阀液压马达
1.4电控比例液压风扇驱动方式及特点
散热风扇
电控比例液压风扇通常由液压泵和液压马达
加调节阀构成,风扇安装在液压马达上,通过改变
节流
流过液压马达的流量,实现风扇转速的控制。电控
比例液压风扇的特点:1)功率大,可以实现较大冷
泵流量调节
却功率的传递;2)安装位置摆脱了发动机曲轴的
限制;3)通过对流量的控制,风扇转速可实现无级
调速,能够更精确地响应发动机的散热需求;4)转
散热泵斜盘
速变化范围大,工作转速既可低于发动机转速,也
调节液压缸红变量散热泵
可高于发动机转速。
2液压风扇调速方式
图2容积调速液压风扇原理图
液压风扇调速方式通常分为节流调速和容积系统,当电控比例阀开口加大(溢流压力小)时,
调速两种(原理图见图1、图2)。节流调速常用在定旁路流量增加,节流阀两端的压差增加,相应作用
量系统中,通过电控比例阀政变进入马达的流量,在泵流量调节阀炳端的压差增加,使泵流量调节
实现调速的目的;容积调速常用于变量系统中,采向左移动(右位通),泵流量调节液压缸无杆腔进
用变量泵或变量马达,通过改变泵或马达的流量来油,变量散热泵排量减小,散热风扇转速降低;当电
达到调速的目的。考虑到成本问题,由于节流调速控比例阀开口减小(溢流压力升高)时,流经节流阀
成本低,因而更容易得到应用。
的流量减小,节流阀两端的压差减小,作用在泵流
由图1可知,对于节流调速,由于定量散热泵量调节漍两端的压差减小,泵流量调节阀在复位弹
流量恒定,当电控比例阀开口加大时,旁路流量增簧的作用下右移(左位通),泵流量调节液压缸无杆
加,则流经液压马达的流量减小,散热风扇转速降腔压力降低,变量散热泵流量加大,散热风扇转速
低;若电控比例阀开口减小,旁路流量减少,则流过升高;当电控比例阀断电时,节流阀两端压差为0
液压马达的流量增加,散热风扇转速提高;当电控作用在泵流量调节阀两端的压差也为0,泵流量调
比例阀断电时,阀口关闭,风扇以最高转速转动。
节阀向右完全复位(左位通),使变量散热泵流量调
由图2可知,容积调速的特点是采用变量液压节液压缸无杄腔与油箱连通,此时,变量散热泵排