雙聯(lián)齒輪泵溫控液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇系統(tǒng)研究

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

推土機(jī)在工作過程中為保證發(fā)動(dòng)機(jī)及液壓系統(tǒng)的工作，一般情況下各零部件均有其較為理想的工作溫度范圍，通常發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度范圍在85～95℃，液力變矩器的最佳溫度范圍為85～110℃最為合理。因此為保證機(jī)器能在其各個(gè)零部件最佳溫度范圍內(nèi)工作，需安裝相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)來散熱，傳統(tǒng)的風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)雖然能滿足其散熱需求，但是由于其能耗大，可控性差以及噪聲污染等問題已不能適應(yīng)工程機(jī)械的發(fā)展需求。

為提高工程機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性能，降低能量損失，溫控液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的使用越來越多，傳統(tǒng)溫控液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇主要有如下兩種類型。

1）定量（齒輪）泵帶定量風(fēng)扇馬達(dá) 通過比例溢流閥調(diào)節(jié)定量風(fēng)扇馬達(dá)溢流閥壓力從而達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的目的，成本低但是發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)節(jié)能效果不理想。

2）變量柱塞泵帶定量風(fēng)扇馬達(dá) 通過調(diào)節(jié)泵的排量來調(diào)節(jié)供給馬達(dá)的流量達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的目的，系統(tǒng)節(jié)能效果好，但成本較高，不利于推廣應(yīng)用。

本文通過用雙聯(lián)齒輪泵為風(fēng)扇馬達(dá)提供壓力油源，通過電磁閥切換實(shí)現(xiàn)小泵供油、大泵供油和大小泵同時(shí)供油3 種工作模式從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的3 個(gè)階梯速度的變化，同時(shí)配合對(duì)馬達(dá)比例溢流閥的控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨溫度變化，滿足不同的散熱要求，減少不同轉(zhuǎn)速和溫度條件下的定量風(fēng)扇液壓系統(tǒng)溢流損失，提升系統(tǒng)節(jié)能效果。

1 目前主流溫控液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比分析

1.1 單定量齒輪泵+定量風(fēng)扇馬達(dá)

單定量齒輪泵+定量風(fēng)扇馬達(dá)原理如圖1所示。

圖1 單定量齒輪泵+定量風(fēng)扇馬達(dá)原理圖

工作油液通過定量齒輪泵1 經(jīng)過換向閥5 供給定量風(fēng)扇馬達(dá)6，驅(qū)動(dòng)定量風(fēng)扇馬達(dá)帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，通過改變換向閥5 工作位置可以改變定量風(fēng)扇馬達(dá)6 的旋轉(zhuǎn)方向。

定量風(fēng)扇馬達(dá)的調(diào)速功能主要由反比例溢流閥3 實(shí)現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)需要通過改變反比例溢流閥3 的電流可以改變系統(tǒng)的工作壓力，從而調(diào)整流經(jīng)馬達(dá)的流量改變馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)多余的流量將從從反比例溢流閥溢流回油箱，以熱量形式損失掉，這也是該種類型系統(tǒng)的弊端。

1.2 變量柱塞泵+定量風(fēng)扇馬達(dá)

變量柱塞泵+定量風(fēng)扇馬達(dá)原理如圖2所示。

圖2 變量柱塞泵+定量風(fēng)扇馬達(dá)系統(tǒng)原理圖

變量柱塞泵1 給整個(gè)系統(tǒng)提供所需流量，經(jīng)過換向閥5 給定量風(fēng)扇馬達(dá)提供油液，通過定量風(fēng)扇馬達(dá)帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。定量風(fēng)扇馬達(dá)的調(diào)速功能也是由反比例溢流閥3 來實(shí)現(xiàn)，反比例溢流閥3 的控制直接控制的是泵口壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵排量的控制，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的流量按需求供給，無多余的流量溢流損失掉。因此該系統(tǒng)很好地解決了“單定量齒輪泵+定量風(fēng)扇馬達(dá)”系統(tǒng)的當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)多余的流量溢流的問題，更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2 雙聯(lián)齒輪泵+定量風(fēng)扇馬達(dá)系統(tǒng)

2.1 雙聯(lián)齒輪泵風(fēng)扇系統(tǒng)原理介紹

原理說明：系統(tǒng)由小齒輪泵1、大齒輪泵2組成的雙聯(lián)泵給系統(tǒng)供油，為保證系統(tǒng)切換過程中異常壓力沖擊各自泵出口分別安裝了溢流閥3和溢流閥4，通過控制器控制電磁閥Y1 與Y2 的通斷電完成大、小泵給系統(tǒng)供油的狀態(tài)切換，其中Y1、Y2 都不通電時(shí)大齒輪泵和小齒輪泵同時(shí)給系統(tǒng)供油，實(shí)現(xiàn)雙泵合流狀態(tài)，于與單定量齒輪泵+定量風(fēng)扇馬達(dá)系統(tǒng)一樣在電控系統(tǒng)故障情況下雙聯(lián)齒輪泵系統(tǒng)能保證風(fēng)扇以最大轉(zhuǎn)速工作滿足系統(tǒng)散熱需求。Y1 通電，Y2 斷電時(shí)電磁閥切換至左位，實(shí)現(xiàn)小齒輪泵供油，大齒輪泵卸荷，Y2 通電，Y1 斷電電磁閥切換至右位工作實(shí)現(xiàn)大齒輪泵工作小齒輪泵卸荷。

圖3 雙聯(lián)齒輪泵系統(tǒng)原理圖

2.2 雙聯(lián)齒輪泵匹配分析

以推土機(jī)現(xiàn)有風(fēng)扇系統(tǒng)匹配為例，液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇系統(tǒng)液壓泵排量通常以2 個(gè)匹配點(diǎn)進(jìn)行匹配選型，匹配點(diǎn)1 要求為發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)附近應(yīng)滿足風(fēng)扇滿轉(zhuǎn)的需求，匹配點(diǎn)2 要求為額定轉(zhuǎn)速條件下需滿足風(fēng)扇滿足需求，2 個(gè)點(diǎn)匹配時(shí)部分效率參數(shù)選擇不同，最終選擇2 個(gè)匹配點(diǎn)排量較大值。

V泵1——第一個(gè)匹配點(diǎn)下泵排量，mL/r；

V馬達(dá)——風(fēng)扇馬達(dá)排量，mL/r；

選取我院2017年5月～2018年5月我中心血站采集到的51280份血液標(biāo)本進(jìn)行篩查，24521份標(biāo)本需要進(jìn)行核酸檢驗(yàn)。

n風(fēng)扇——風(fēng)扇要求轉(zhuǎn)速，r/min；

n泵——泵的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，r/min；

ηv泵——泵的容積效率；

ηv馬達(dá)——馬達(dá)的容積效率。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)一般為1 300～1 500r/min 左右，最大功率點(diǎn)一般為1 900～2 000r/min，假定匹配點(diǎn)1 最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速為1 300r/min，匹配點(diǎn)2 最大功率點(diǎn)的轉(zhuǎn)速為1 950r/min，假設(shè)此時(shí)計(jì)算得出匹配點(diǎn)1 下的泵排量為X（mL/r），在匹配點(diǎn)2 轉(zhuǎn)速下匹配的泵排量為（1300/1950）X=0.667X（mL/r）。

當(dāng)選擇泵總排量為X時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)在匹配點(diǎn)1 工作時(shí)，能使風(fēng)扇達(dá)到滿轉(zhuǎn)，那么此排量X在發(fā)動(dòng)機(jī)匹配點(diǎn)2 工作時(shí)將有1/3 的多余流量以最大溢流壓力溢流損失掉，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及假設(shè)計(jì)算，我們選擇雙聯(lián)泵排量組合為大約為1∶2。那么1∶2 的組合可以實(shí)現(xiàn)相同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下通過小泵、大泵及雙泵供油最終可實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇1∶2∶3 的階梯轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

為驗(yàn)證雙聯(lián)齒輪泵溫控液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇系統(tǒng)的可行性及節(jié)能效果，在原先單定量齒輪泵溫控液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的樣機(jī)上進(jìn)行了雙聯(lián)齒輪泵系統(tǒng)的改造升級(jí)并進(jìn)行了測(cè)試，樣機(jī)原先單定量泵排量為42mL/r，風(fēng)扇滿轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1 400r/min，根據(jù)匹配及考慮現(xiàn)有廠家規(guī)格選型雙聯(lián)齒輪泵系統(tǒng)的排量組合為（16+28）mL/r。

2.3 裝車試驗(yàn)測(cè)試

各組合狀態(tài)下風(fēng)扇系統(tǒng)能耗計(jì)算

Pb——泵消耗液壓功率，kW；

ΔP——泵進(jìn)出口壓差，bar；

Q——泵輸出流量，L/min；

V——泵排量，mL/r；

n——泵輸入轉(zhuǎn)速，r/min；

ηT——效率，取0.82～0.85。

圖4 小泵單獨(dú)供油測(cè)試

圖5 大泵供油測(cè)試

圖6 雙泵合流供油測(cè)試

圖7 不同組合狀態(tài)下泵消耗功率和馬達(dá)功率對(duì)比

如圖7 所示，分別對(duì)比了小泵供油、大泵供油及雙泵合流供油時(shí)馬達(dá)需求功率計(jì)泵輸入功率的曲線，從功率曲線可以看出，隨著轉(zhuǎn)速升高泵消耗功率與馬達(dá)需求功率差值加大，特別是雙泵合流供油組合條件下發(fā)動(dòng)機(jī)1 300～1 400r/min以后，泵消耗功率與馬達(dá)需求功率差值迅速拉開，此處雙泵供油相當(dāng)于原先單個(gè)大排量齒輪泵供油狀態(tài)，說明此時(shí)存在較大的能量浪費(fèi)，實(shí)際應(yīng)用過程中在大約在1 300～1 400r/min 以后大部分工況條件下僅大泵供油即可滿足使用需求，最高轉(zhuǎn)速條件下實(shí)際雙泵消耗功率為大泵消耗功率的1.9 倍，說明此時(shí)約有50%的消耗為無效消耗，各種組合狀態(tài)效率曲線如圖8 所示。

圖8 不同組合狀態(tài)效率對(duì)比

3 結(jié)論

通過采用雙聯(lián)齒輪泵系統(tǒng)對(duì)原先單齒輪泵定量系統(tǒng)的升級(jí)替代，完全可以滿足不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇系統(tǒng)轉(zhuǎn)速要求，而且在全工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)通過泵組合供油的切換可以盡可能地減少系統(tǒng)能量消耗，提升系統(tǒng)效率，最重要的是解決了原先單齒輪泵系統(tǒng)在匹配點(diǎn)1 轉(zhuǎn)速（發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)附近）以上多余的系統(tǒng)溢流損失，達(dá)到節(jié)能的目的。

通過工況驗(yàn)證，風(fēng)扇滿轉(zhuǎn)實(shí)際需求的時(shí)間較少，大部分時(shí)間僅小泵供油或者僅大泵供油即可滿足系統(tǒng)需求，由此雙聯(lián)齒輪泵溫控液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇系統(tǒng)相對(duì)單齒輪泵系統(tǒng)更具節(jié)能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)相對(duì)于變量柱塞泵風(fēng)扇系統(tǒng)更具成本優(yōu)勢(shì)，因此具有很好的推廣意義。