溫控電比例變量液壓風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王 濤，譚艷輝，張碧榮，譚 艷

（1. 廣西柳工機(jī)械股份有限公司裝載機(jī)研究院；廣西 柳州 545007；2. 廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006）

傳統(tǒng)的直驅(qū)風(fēng)扇系統(tǒng)通常是過冷系統(tǒng)，會(huì)浪費(fèi)大量的能量，并且會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高效節(jié)能和低噪聲運(yùn)轉(zhuǎn)提出了更高的要求。而溫控電比例變量液壓風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以提供更合理的控制，在低冷卻需求時(shí)可以降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，因此這種風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)消耗更少的能量，輻射更小的噪聲。此外，該系統(tǒng)還可以提高整機(jī)效率，使整機(jī)在工作過程中更加節(jié)能，噪聲影響更小。

1 傳統(tǒng)的直驅(qū)風(fēng)扇系統(tǒng)

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)風(fēng)扇系統(tǒng)是一種最簡(jiǎn)單的風(fēng)扇散熱系統(tǒng)，風(fēng)扇直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出端或通過其它形式的機(jī)械連接。其特點(diǎn)是：風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)之間沒有任何控制裝置，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系變化。此系統(tǒng)是一個(gè)過冷系統(tǒng)，浪費(fèi)了大量的發(fā)動(dòng)機(jī)能量。同時(shí)也使得風(fēng)扇的噪聲變得無法控制，產(chǎn)生很大的噪聲。另外也限制了風(fēng)扇布置的靈活性。

2 溫控電比例變量液壓風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

隨著機(jī)電液一體化和電控技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械冷卻系統(tǒng)多參數(shù)智能化溫控成為可能，可以使各散熱器盡可能的在其最佳工作溫度工作，實(shí)現(xiàn)了散熱系統(tǒng)的節(jié)能和整機(jī)的降噪，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇和散熱系統(tǒng)的靈活布置。

液壓風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)液壓泵的形式，可分為定量液壓風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和變量液壓風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。定量液壓風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般是通過與風(fēng)扇馬達(dá)并聯(lián)的溢流閥閥桿開度來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。在整機(jī)工作的過程中，該系統(tǒng)通過溢流閥始終存在一定的溢流損失，節(jié)能效果大打折扣。變量液壓風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是通過改變變量泵的排量來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)幾乎沒有溢流損失，節(jié)能效果好。

溫控電比例變量液壓風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理如圖1所示，由風(fēng)扇馬達(dá)帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行散熱。系統(tǒng)的工作原理是：采集各散熱器的溫度信號(hào)經(jīng)過散熱控制器的處理，輸出電流信號(hào)到電比例溢流閥控制閥芯開度，改變LS口的壓力，從而控制泵的輸出流量，最終控制風(fēng)扇馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到根據(jù)各散熱器設(shè)定的溫度參數(shù)自動(dòng)調(diào)整風(fēng)扇的目的。

對(duì)變量泵總成內(nèi)部的負(fù)荷傳感閥進(jìn)行分析，得到負(fù)荷傳感閥的平衡方程為

圖1 溫控電比例變量液壓風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理圖

式中 P——泵的出口壓力；

PLS——電比例溢流閥控制的LS壓力；

PK——電比例溢流閥預(yù)設(shè)彈簧力。

當(dāng)控制的電比例溢流閥的電流一定，PLS的壓力也就一定。當(dāng)變量泵的轉(zhuǎn)速瞬間升高，泵的出口壓力P和流量也會(huì)瞬間升高。根據(jù)公式（1）勢(shì)必引起負(fù)荷傳感閥右移，伺服缸大小腔都進(jìn)油，由于大腔的作用面積大于小腔的作用面積，所以柱塞桿左移，使變量泵排量減小，相應(yīng)的變量泵輸出流量減少，使進(jìn)入風(fēng)扇馬達(dá)的流量基本不變；反之亦然。

根據(jù)以上的工作原理，在系統(tǒng)流量飽和的情況下，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制，從而實(shí)現(xiàn)通過散熱控制器輸出到電比例溢流閥的不同電流值，控制不同風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，滿足不同環(huán)境溫度對(duì)散熱的要求。在高溫的夏天使風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)，以滿足散熱要求；在低溫的冬天使風(fēng)扇低速旋轉(zhuǎn)甚至不轉(zhuǎn)，以達(dá)到快速暖車的目的，同時(shí)也降低了能耗和噪聲。

變量泵總成內(nèi)部壓力切斷閥的作用是控制系統(tǒng)的壓力不超過設(shè)定值，保護(hù)變量泵。

散熱器在高粉塵環(huán)境工作，容易被空氣中的雜質(zhì)堵塞，降低散熱器的散熱效率。該系統(tǒng)還具有對(duì)散熱器“自清潔”的功能，即通過電磁換向閥控制風(fēng)扇馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在“散熱”和“清潔”兩種模式下的自由切換，將散熱器中的粉塵雜質(zhì)吹出，保持散熱器的清潔和良好的散熱效率，從而降低使用和維護(hù)成本。

該系統(tǒng)電磁換向閥總成中單向閥的作用是當(dāng)變量泵停止供油后，風(fēng)扇在慣性作用下會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)風(fēng)扇馬達(dá)轉(zhuǎn)變成了液壓泵，并通過單向閥從回油路吸油，從而防止振動(dòng)和壓力沖擊的產(chǎn)生。溢流閥的作用是限定風(fēng)扇馬達(dá)的最高壓力，即限定風(fēng)扇馬達(dá)的最大輸出扭矩，在散熱系統(tǒng)一定的情況下，既可限定風(fēng)扇的最高轉(zhuǎn)速，在由于其它原因卡住風(fēng)扇時(shí)，又起到保護(hù)風(fēng)扇馬達(dá)的作用。

3 溫控電比例變量液壓風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）系統(tǒng)布置靈活。

由于風(fēng)扇由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，所以散熱系統(tǒng)部件可以根據(jù)整機(jī)的情況方便布置，已不受發(fā)動(dòng)機(jī)的位置限制。

（2）噪聲控制方便。

由于風(fēng)扇的布置不受發(fā)動(dòng)機(jī)的限制，可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲發(fā)射問題，使發(fā)動(dòng)機(jī)向外發(fā)射的噪聲在傳播過程中通過噪聲隔離的方式控制噪聲，封閉的發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)是解決發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的最好手段。

通過散熱器的布置和選用大直徑低轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇，降低風(fēng)扇的噪聲，特別是在環(huán)境溫度很低時(shí)，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)或在很低的轉(zhuǎn)速下工作，使整機(jī)噪聲更低。

（3）節(jié)能。

通過溫控電比例液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而控制風(fēng)扇消耗的功率。如圖2所示為某機(jī)型選用的液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過1500rpm后，風(fēng)扇的最大轉(zhuǎn)速控制在1600rpm以下，風(fēng)扇消耗的功率在25kW以內(nèi)。而如果是發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)風(fēng)扇，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速最高能達(dá)到2400rpm，風(fēng)扇消耗的功率高達(dá)85kW，能量浪費(fèi)很大。

圖2 直驅(qū)風(fēng)扇與液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇對(duì)比

（4）可實(shí)現(xiàn)散熱系統(tǒng)多參數(shù)控制。

由于散熱控制器可以采集各散熱器冷卻介質(zhì)的溫度，所以可以實(shí)現(xiàn)各散熱器冷卻介質(zhì)溫度的同時(shí)控制。如圖3所示為各冷卻介質(zhì)的溫度控制范圍。目標(biāo)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由各散熱器介質(zhì)中的最高溫度決定。

圖3 各冷卻介質(zhì)的溫度控制范圍

如圖4所示是溫控電比例變量液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制的理論轉(zhuǎn)速曲線。曲線1對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是由電比例溢流閥及系統(tǒng)管路通流量的物理性能決定的風(fēng)扇能達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速。曲線2是各散熱器最低的起調(diào)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，曲線3是風(fēng)扇設(shè)定的最高轉(zhuǎn)速。在曲線2和3之間的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是由散熱控制器實(shí)時(shí)采集到的各散熱器介質(zhì)溫度，通過運(yùn)算比較后確定。當(dāng)各散熱器的溫度都低于設(shè)定的最低溫度，風(fēng)扇以最低的轉(zhuǎn)速（曲線1）運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 溫控電比例變量液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制

（5）增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)能力。

通過散熱控制器的電比例控制，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中，使風(fēng)扇以最低的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載，使發(fā)動(dòng)機(jī)更加容易啟動(dòng)。

4 結(jié)束語

通過對(duì)溫控電比例變量液壓風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理的分析與研究，該系統(tǒng)綜合運(yùn)用了液壓傳動(dòng)技術(shù)、電比例控制技術(shù)、多參數(shù)傳感控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇隨各散熱器冷卻介質(zhì)溫度的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，在滿足各散熱器散熱的前提下，使風(fēng)扇以最低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)節(jié)能降噪的要求，特別是在環(huán)境溫度低的工況下工作，節(jié)能降噪效果更加突出。隨著客戶對(duì)整機(jī)舒適性和節(jié)能等方面要求的提高，溫控電比例變量液壓風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工程機(jī)械上，特別是大型工程機(jī)械上的應(yīng)用將越來越廣泛。