挖掘機(jī)液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)的負(fù)載特性研究

王緒通 牛東東 王青 李闖闖

摘要：大型挖掘機(jī)的散熱系統(tǒng)通常采用獨(dú)立散熱的方式，獨(dú)立散熱方式可根據(jù)散熱需求動(dòng)態(tài)調(diào)整功率消耗，能明顯降低給整車帶來的負(fù)載。掌握液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)負(fù)載特性，能為整機(jī)功率匹配、節(jié)能控制提供基本依據(jù)。通過理論建模、實(shí)車?yán)碚摂?shù)據(jù)代入計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比了理論計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型的有效性、準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：液壓獨(dú)立散熱；穩(wěn)態(tài)模型；負(fù)載扭矩

0? ?引言

功率匹配是液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)過程中極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，這關(guān)系到整車的使用經(jīng)濟(jì)性，對(duì)產(chǎn)品的核心競爭力起到?jīng)Q定性作用。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精確匹配，需要研究各個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載特性。散熱系統(tǒng)是整機(jī)除液壓系統(tǒng)外，功率消耗最多的系統(tǒng)，一般功率消耗可達(dá)20%～30%。過去對(duì)散熱系統(tǒng)功耗的計(jì)算，常常是基于風(fēng)扇特性進(jìn)行估算，誤差相對(duì)較大。為了避免該弊端，采用液壓式驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要綜合考慮液壓特性和風(fēng)扇特性進(jìn)行系統(tǒng)性的計(jì)算。

1? ?液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)組成及功用

液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)由散熱泵、散熱閥組、散熱馬達(dá)、散熱風(fēng)扇、散熱器組成，主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液、渦輪增壓氣體的散熱，同時(shí)也兼顧空調(diào)冷媒和柴油的散熱。

散熱泵與發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接，與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸保持相同轉(zhuǎn)速，形成的液壓油流量通過散熱閥組后，流向散熱馬達(dá)。散熱馬達(dá)在液壓油流量的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)散熱風(fēng)扇形成空氣流動(dòng)，流動(dòng)的空氣再吹過散熱器實(shí)現(xiàn)降溫。散熱風(fēng)扇在旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生空氣流動(dòng)的同時(shí)，也會(huì)受到空氣的反作用力，這一反作用力最終會(huì)傳導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸上，形成液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)的負(fù)載扭矩。液壓獨(dú)立散熱的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

為了能以較低的功耗實(shí)現(xiàn)充分的散熱，需要對(duì)液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，如控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制等，所以控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)采集液壓油溫、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、渦輪增壓氣體溫度，通過運(yùn)算實(shí)時(shí)控制散熱泵的功率輸出。液壓油、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液、渦輪增壓氣體的溫度的變化都較為平順，所在控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時(shí)無需快速大幅調(diào)整，也不用考慮液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)本身的響應(yīng)性。

1.1? ?散熱泵

目前市場上常用的液壓獨(dú)立散熱的散熱泵，以壓力控制、流量控制兩種方式為主。采用流量控制的液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)較簡單，只需要控制系統(tǒng)發(fā)出散熱泵的排量控制指令即可，液壓零部件和回路沒有壓力和流量之間的交互調(diào)節(jié)。較之不同的是，采用壓力控制的散熱泵排量會(huì)受回路壓力的影響，這有助于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大幅變化時(shí)排量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，其使用也更加廣泛[1]。壓力控制式散熱泵原理如圖2所示。

采用壓力控制的散熱泵集成了柱塞泵、斜盤調(diào)節(jié)器、控制閥、電磁比例溢流閥，在回路控制上溢流閥的溢流部分流量會(huì)推動(dòng)控制閥，最終減小柱塞泵的流量，使溢流流量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)至最低。當(dāng)改變電磁比例溢流閥的控制電流時(shí)，溢流壓力、柱塞泵流量、散熱泵輸出功率形成聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)散熱泵的輸出功率控制。

1.2? ?散熱閥組

散熱閥組用于控制散熱馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向。在液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)中，選用的散熱馬達(dá)可以改變進(jìn)油液的方向，相應(yīng)的散熱馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向也跟隨進(jìn)油方向做出調(diào)整。這一設(shè)計(jì)的作用是，當(dāng)散熱器上灰塵較多時(shí)，可以改變風(fēng)向，對(duì)散熱器除塵。

1.3? ?散熱馬達(dá)

散熱馬達(dá)的作用是將液壓油流量轉(zhuǎn)化為軸的旋轉(zhuǎn)。在不考慮馬達(dá)本身的效率特性時(shí)，可以將其視作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線性元件。在液壓側(cè)，以流量作為輸入并反饋壓力，在旋轉(zhuǎn)側(cè)，以轉(zhuǎn)速作為輸出并接收扭矩反饋。

1.4? ?散熱風(fēng)扇

散熱風(fēng)扇與散熱馬達(dá)直接連接，以保持同樣的轉(zhuǎn)速，并輸出一定的風(fēng)速。相應(yīng)的風(fēng)扇會(huì)受到反作用力，并轉(zhuǎn)化為扭矩體現(xiàn)在馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)軸上。根據(jù)風(fēng)扇特性，在某個(gè)固定轉(zhuǎn)速下，風(fēng)扇因反作用力所形成的扭矩是某個(gè)固定值，且這一扭矩與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的平方成正比。

2? ?液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型

為了清晰掌握了解液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)的整體的負(fù)載、能耗情況，需要識(shí)別能量傳遞環(huán)節(jié)的各種狀態(tài)量以及各狀態(tài)量之間的相互關(guān)系，建立液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型。通過模型，可以確定在不同的轉(zhuǎn)速、散熱泵溢流壓力設(shè)定下的液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)的負(fù)載扭矩特性。散熱獨(dú)立散熱系統(tǒng)能量傳遞如圖3所示。

基于前文分析的散熱泵、散熱馬達(dá)、散熱風(fēng)扇的特點(diǎn)，可以將系統(tǒng)整體模型分為兩部分進(jìn)行討論，分別是散熱馬達(dá)-風(fēng)扇模型、散熱泵模型。前文結(jié)論也指出在進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制時(shí)，無需考慮系統(tǒng)本身的響應(yīng)性，在模型建立時(shí)僅考慮其穩(wěn)態(tài)模型即可。

2.1? ?散熱馬達(dá)-風(fēng)扇的穩(wěn)態(tài)模型

在能量傳遞環(huán)節(jié)中，馬達(dá)通過排量來影響各狀態(tài)之間的傳遞關(guān)系，其中包括流量→速度、扭矩→壓力。風(fēng)扇的固有特性參數(shù)為扭矩系數(shù)，其影響的傳遞關(guān)系為轉(zhuǎn)速→扭矩。散熱馬達(dá)和風(fēng)扇的參數(shù)、變量定義如表1所示。

歸納上述參數(shù)和變量，并確定轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

（1）

式中：Nm為轉(zhuǎn)速，Q為流量，Dm為排量。

扭矩計(jì)算為：

Tm=RfT·N2m? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：Tm為扭矩，RfT為扭矩系數(shù)。

壓力計(jì)算公式如下：

（3）

本部分模型的輸入是流量，輸出是壓力，將風(fēng)扇和馬達(dá)的參數(shù)作為模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)負(fù)載側(cè)的模型創(chuàng)建。

2.2? ?散熱泵穩(wěn)態(tài)模型

首先確定散熱泵在能量傳遞時(shí)所起的作用，包括轉(zhuǎn)速→流量、排量→流量、壓力→扭矩、壓力→排量，這里面影響傳遞關(guān)系的參數(shù)為溢流壓力、最大排量?？偨Y(jié)散熱泵的參數(shù)、變量定義如表2所示。

當(dāng)系統(tǒng)管路中的壓力沒有達(dá)到溢流壓力時(shí)，散熱泵不受影響而以最大排量輸出，此時(shí)排量Dp=Dmax。

輸出流量為：

（4）

將散熱馬達(dá)-風(fēng)扇模型代入，得到系統(tǒng)管路壓力為：

（5）

輸出扭矩為：

（6）

當(dāng)系統(tǒng)管路壓力達(dá)到散熱泵的溢流壓力時(shí)，其排量因受溢流流量影響而向較小值調(diào)節(jié)，可認(rèn)為在達(dá)到平衡時(shí)的理想狀態(tài)為完全沒有溢流流量。此時(shí)管路中壓力為：P=Pmax。

將散熱馬達(dá)-風(fēng)扇模型代入，得到輸出流量為：

（7）

輸出扭矩為：

（8）

本部分在討論散熱泵模型時(shí)，也代入了散熱馬達(dá)-風(fēng)扇模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)完整模型的創(chuàng)建。系統(tǒng)以散熱泵轉(zhuǎn)速作為輸入、扭矩作為輸出，將散熱泵、散熱馬達(dá)、散熱風(fēng)扇的參數(shù)作為模型參數(shù)，能夠獲得不同轉(zhuǎn)速時(shí)散熱系統(tǒng)向發(fā)動(dòng)機(jī)施加的負(fù)載。

模型表明，系統(tǒng)在壓力達(dá)到散熱泵溢流壓力點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)了趨勢(shì)變化。通過散熱泵原理分析可知，改變電磁比例溢流閥的電流，可以改變溢流壓力，進(jìn)而能夠改變系統(tǒng)負(fù)載特性，實(shí)現(xiàn)散熱系統(tǒng)功耗的調(diào)節(jié)。

3? ?某液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)的研究

某款挖掘機(jī)采用了液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)，散熱泵采用壓力控制方式。通過產(chǎn)品資料獲取散熱泵、散熱馬達(dá)、散熱風(fēng)扇的參數(shù)，如表3所示。

3.1? ?基于模型的計(jì)算

將表3的參數(shù)代入模型，其中Pmax在參數(shù)范圍內(nèi)分別取2MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、24.5MPa，進(jìn)行理論計(jì)算，獲取該液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速-扭矩關(guān)系，如圖4所示。

理論計(jì)算表明，該系統(tǒng)的趨勢(shì)變化點(diǎn)均處于1300r/min以下。由于該車型的飛輪和散熱泵的連接軸之間存在1.5的速比，因此當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于870r/min時(shí)，該系統(tǒng)的負(fù)載扭矩與轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)。

這一特征與直聯(lián)風(fēng)扇的負(fù)載特性有明顯的區(qū)別，也從側(cè)面說明建模的必要性。同時(shí)這一區(qū)間也正是該系統(tǒng)負(fù)載可控區(qū)域，且挖掘機(jī)工作轉(zhuǎn)速一般都處于1000r/min以上，這也表明該系統(tǒng)能夠在整機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)節(jié)。

3.2? ?基于實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，對(duì)該車型的液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際的數(shù)據(jù)測(cè)試。

設(shè)置散熱泵溢流壓力為24.5MPa，在750～1800r/min范圍內(nèi)選取9個(gè)點(diǎn)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。分別測(cè)定各轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩百分比、摩擦扭矩，并對(duì)發(fā)電機(jī)等其他負(fù)載扭矩標(biāo)定，再通過速比進(jìn)行轉(zhuǎn)速和扭矩?fù)Q算，得出不同散熱泵轉(zhuǎn)速下的散熱系統(tǒng)負(fù)載扭矩。

具體計(jì)算方式如下：

扭矩=（扭矩百分比-摩擦扭矩）×參考扭矩/速比

轉(zhuǎn)速=發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速×速比

數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，理論扭矩較實(shí)測(cè)扭矩最大誤差為6.9%，平均誤差為4.9%，兩者之間的對(duì)比曲線如圖5所示。

4? ?結(jié)束語

過去對(duì)散熱系統(tǒng)功耗的計(jì)算，常常是基于風(fēng)扇特性進(jìn)行估算，誤差相對(duì)較大。本文通過理論建模、實(shí)車?yán)碚摂?shù)據(jù)代入計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比了理論計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型的有效性、準(zhǔn)確性。

對(duì)液壓獨(dú)立散熱系統(tǒng)進(jìn)行建模計(jì)算，相較于之前的粗略估算法，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度高，趨勢(shì)更加明確。在進(jìn)行建模時(shí)，應(yīng)詳細(xì)考慮系統(tǒng)各零部件特性，明確系統(tǒng)的參數(shù)、狀態(tài)變量以及各狀態(tài)變量對(duì)系統(tǒng)的影響方式，進(jìn)行系統(tǒng)性建模。

參考文獻(xiàn)

[1] 李縣軍，石立京，史繼江.大型液壓挖掘機(jī)獨(dú)立散熱系統(tǒng)控

制方式對(duì)比[J].工程機(jī)械與維修，2020（1）：40-41.