論筑路機械冷卻裝置液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

朱一德

(江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212006)

新時期工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的改革發(fā)展，使得筑路機械設(shè)備的性能、結(jié)構(gòu)、操作等方面得到了顯著的改善，促進(jìn)了筑路作業(yè)效率的提升。但同時道路工程數(shù)量的增加對筑路機械的結(jié)構(gòu)性能也造成了明顯的損壞，設(shè)備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或零件出現(xiàn)不同程度的磨損。冷卻系統(tǒng)是筑路機械的輔助結(jié)構(gòu)，當(dāng)設(shè)備處于高速運行狀態(tài)下可起到控溫作用，綜合設(shè)計冷卻裝置液壓驅(qū)動系統(tǒng)是技術(shù)研發(fā)工作的重點。

一、筑路機械設(shè)備冷卻系統(tǒng)的作用

工業(yè)是我國三大產(chǎn)業(yè)的中心支柱，工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展對其它產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟有著巨大的推動作用。自工業(yè)化生產(chǎn)時代到來，各種機械設(shè)備在建筑業(yè)、制造業(yè)、采礦業(yè)等多個領(lǐng)域里廣泛運用。冷卻系統(tǒng)是機械設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)之一，系統(tǒng)的主要作用是控制機械運動所產(chǎn)生的熱量，以達(dá)到均衡設(shè)備溫度的作用。通常冷卻系統(tǒng)的作用是減少發(fā)動機因燃燒所產(chǎn)生的熱量，保證發(fā)動機處于標(biāo)準(zhǔn)的運轉(zhuǎn)溫度范圍內(nèi)。機械行業(yè)采用的發(fā)動機方式多種多樣，如：氣冷式發(fā)動機及水冷式發(fā)動機，氣冷式發(fā)動機是靠發(fā)動機帶動風(fēng)扇及車輛行駛時的氣流來冷卻發(fā)動機；水冷式發(fā)動機則是靠冷卻水在發(fā)動機中循環(huán)來冷卻發(fā)動機。考慮到機械設(shè)備發(fā)動裝置的穩(wěn)定性，設(shè)計筑路機械結(jié)構(gòu)時應(yīng)考慮機件的冷卻降溫問題，尤其是控制發(fā)動機的溫度處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。若發(fā)動機冷卻不足，會使氣缸充氣量不足和出現(xiàn)早然和爆燃等燃燒不正常的現(xiàn)象，發(fā)動機功率將下降，且發(fā)動機零件也會因潤滑不良而加速磨損。由此可見，根據(jù)機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計冷卻系統(tǒng)，能夠維持發(fā)動機及其它機件的溫度處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，防止溫度過高造成的不利影響。

二、機械冷卻系統(tǒng)存在的不足

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了機械設(shè)備的普及運用，不僅僅是工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工，機械設(shè)備在建筑行業(yè)的運用也發(fā)揮了重要的施工性能。筑路機械使道路施工擺脫了傳統(tǒng)人工操作的方式，利用機械自動化完成道路的修建改造，不僅加快了工程建設(shè)的進(jìn)度，也降低了人工操作的難度。由于城市長期規(guī)劃發(fā)展，道路工程數(shù)量增多使得筑路機械的性能面臨多方破壞，其冷卻系統(tǒng)存在的問題如下：

1、負(fù)荷問題。無論是哪一種類型的機械設(shè)備，其均有特定的負(fù)荷范圍及運行條件。從目前的施工情況看，筑路機械設(shè)備的作業(yè)條件復(fù)雜，如：高溫、多粉塵等，惡劣的操作環(huán)境導(dǎo)致發(fā)動機產(chǎn)生的熱量大幅度上升，而原先安裝的冷卻系統(tǒng)已難以適應(yīng)散熱、排熱的要求。尤其是許多市政單位追求進(jìn)度，筑路機械24h持續(xù)作業(yè)，超負(fù)荷運行影響了冷卻系統(tǒng)功能的發(fā)揮。

圖1 基于單片機的智能控制系統(tǒng)

2、阻力問題。為了更好地完成筑路工程作業(yè)，技術(shù)人員往往會對筑路機械進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，以實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)性能的改善。因冷卻風(fēng)扇的傳統(tǒng)驅(qū)動結(jié)構(gòu)單一，系統(tǒng)安裝時未能配備相對應(yīng)的輔助機件，從而增大了冷卻空氣的流動阻力。阻力變化不定會造成冷卻空氣及冷卻液的溫度差異過大，不利于冷卻系統(tǒng)散熱、排熱作用的發(fā)揮，并且增加了筑路機械的維護難度。

3、驅(qū)動問題。驅(qū)動系統(tǒng)是冷卻系統(tǒng)的子系統(tǒng)，對冷卻裝置的溫控作用有較大的影響。早期受到技術(shù)條件的限制，機械驅(qū)動模式多出采用冷卻風(fēng)扇、水泵等基本構(gòu)件，讓空氣經(jīng)過散熱器把產(chǎn)生的熱量逐漸消除。盡管這種驅(qū)動系統(tǒng)起到了相應(yīng)的降溫作用，但是在筑路機械作業(yè)環(huán)境變化之后，驅(qū)動系統(tǒng)的散熱性能明顯減弱，無法適應(yīng)設(shè)備在不同條件下的散熱需要。

4、結(jié)構(gòu)問題。冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝不合理，筑路機械操作時故障發(fā)生率上升，這些都限制了冷卻系統(tǒng)的功能。對于大型筑路機械而言，冷卻系統(tǒng)不僅運用于發(fā)動機冷卻，對于機械設(shè)備其它機件也能起到散熱的效果。如：壓路機、平地機、攤鋪機等，冷卻系統(tǒng)對傳動系統(tǒng)、液力舉升等也有良好的散熱性能。但由于驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)缺陷，造成散熱器所安裝的位置與標(biāo)準(zhǔn)不符而限制散熱作用。

三、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

發(fā)動機是筑路機械的動力裝置，負(fù)責(zé)傳輸動能給其它機械構(gòu)件以維持正常的機械運動。冷卻系統(tǒng)能夠及時把運動產(chǎn)生的熱量散開，使發(fā)動機的運行環(huán)境處于恒溫狀態(tài)，防止溫度過高或過熱對發(fā)動裝置造成的不利影響。目前，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)過多方改進(jìn)，技術(shù)人員對各種冷卻裝置的布局掌握了科學(xué)的方法。

1、系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)常規(guī)的筑路機械結(jié)構(gòu)組成分析，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的組成構(gòu)件包括：電磁比例溢流閥、液壓泵、電控單元、油箱、冷油器及粗、液壓馬達(dá)、冷卻液溫度傳感器、精過濾器等，每一個部分在冷卻系統(tǒng)運行中都發(fā)揮了重要的作用。如：溫度傳感器的作用是對發(fā)動機溫度實時監(jiān)測，且把溫度信號傳遞給電控單元；電控單元則是把溫度信息反饋給電磁比例溢流閥，通過溢流閥控制溢流量大小等，每一個結(jié)構(gòu)之間都互相搭配運行。隨著機電一體化、機械自動化等技術(shù)的運用，冷卻系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的配合程度更深，不同裝置或元件的協(xié)調(diào)性更加明顯。設(shè)計人員可采用單片機設(shè)計智能化的冷卻系統(tǒng)，如圖2。

2、冷卻裝置

液壓驅(qū)動是發(fā)動機主要的冷卻裝置，控制冷卻系統(tǒng)液壓回路則多數(shù)選擇無級調(diào)壓回路，液壓泵的出口壓力則是溢流閥所調(diào)整的壓力。冷卻裝置中液壓調(diào)控的方法依賴于電磁比例溢流閥，可間接性地對發(fā)動機的溫度適當(dāng)調(diào)節(jié)。設(shè)計人員考慮冷卻裝置布局時應(yīng)防止冷卻風(fēng)扇頻繁動作帶來的不便，尤其是對液壓驅(qū)動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)引起的沖擊，以維持系統(tǒng)處于安全、穩(wěn)定的運行狀態(tài)。如：設(shè)計方案里將冷卻風(fēng)扇控制在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下持續(xù)運轉(zhuǎn)，以此控制風(fēng)扇運行消耗的功率大小。

四、液壓油冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

液壓油是筑路機械的液壓介質(zhì)，對機械設(shè)備能夠發(fā)揮能量傳遞、系統(tǒng)潤滑、防腐、防銹、冷卻等多方面作用。液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如圖3，液壓油冷卻系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)參考筑路機械的實際作業(yè)量，合理設(shè)計與機械負(fù)荷相匹配的驅(qū)動裝置，把系統(tǒng)的組成構(gòu)件有效整合起來，在保證液壓油作用的前提下增強系統(tǒng)的冷卻效果。此次液壓油冷卻系統(tǒng)的驅(qū)動裝置設(shè)計為電動機，以符合機電一體化操作的控制要求。驅(qū)動裝置的設(shè)計要重點考慮液壓油的溫度，使其處于規(guī)定的溫度值。溫度過高，液壓油的使用時間越短，降低了冷卻系統(tǒng)的運行效率；溫度過低，液壓油的粘度偏大，不利于油泵的吸入。按照筑路機械實際作業(yè)情況，把液壓油的標(biāo)準(zhǔn)溫度限定在30-70℃。按照這一標(biāo)準(zhǔn)可確定冷卻風(fēng)扇的溫度范圍，通常最佳溫度在60℃。

為了適應(yīng)液壓油冷卻系統(tǒng)的使用要求，設(shè)計人員可設(shè)置一套信號傳輸流程，讓溫度信號能夠及時傳遞給系統(tǒng)控制中心，這有助于筑路機械各機件的協(xié)調(diào)運行。本次設(shè)計的方案：整體控制方法采用開關(guān)控制，由液壓油溫度傳感器將液壓油溫度信號傳給電控單元ECU，ECU判斷液壓油溫度是否達(dá)到風(fēng)扇開始工作的上限溫度60℃，當(dāng)液壓油溫度達(dá)到最高溫度，則電控單元ECU輸出脈沖信號，啟動電動機驅(qū)動冷卻風(fēng)扇開始工作，同時電控單元ECU對每次采樣值進(jìn)行判斷，若溫度小于風(fēng)扇停止工作的下限溫度50℃，風(fēng)扇自動停止運行。

五、筑路機械電氣系統(tǒng)的設(shè)計

圖3 液壓系統(tǒng)原理

機械自動化是設(shè)備操控的新趨勢，在機械設(shè)備內(nèi)部建立自動控制系統(tǒng)輔助人員操作，可降低筑路工程作業(yè)的難度。電氣控制系統(tǒng)在機械設(shè)備中的運用越來越多見，利用電氣部分指導(dǎo)、控制設(shè)備操作可提高筑路機械的作業(yè)效率。因此，機械冷卻裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計要充分考慮電氣控制系統(tǒng)，借助于電氣控制系統(tǒng)的相關(guān)功能輔助冷卻系統(tǒng)的散熱過程。電氣控制系統(tǒng)具備的功能包括：

1、保護功能。線路保護功能的實現(xiàn)需結(jié)合系統(tǒng)的"自檢測"完成，如：當(dāng)電氣設(shè)備線路的電壓、電流超出標(biāo)準(zhǔn)荷載，對設(shè)備的安全運行造成不利影響。此時，利用電氣控制系統(tǒng)的自檢測，可對線路的異常信號自行調(diào)控。

2、監(jiān)測功能。筑路機械設(shè)備利用電氣控制系統(tǒng)能及時捕捉視聽信號，對設(shè)備的運作狀態(tài)作出準(zhǔn)確地判斷，及時監(jiān)測各種異常問題的發(fā)生。利用監(jiān)測功能可以降低液壓驅(qū)動系統(tǒng)的故障發(fā)生率，提醒操作人員采取措施緊急處理。

3、控制功能。機械電氣控制采用的高壓開關(guān)、大電流開關(guān)等設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若依賴于人工操作則會影響到電氣設(shè)備作用的發(fā)揮。電氣控制系統(tǒng)的自動化調(diào)度，可自動控制分、合閘等操作，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生故障后也可及時切斷電路。

六、冷卻裝置故障處理方案的設(shè)計

冷卻裝置液壓驅(qū)動系統(tǒng)會受到外界環(huán)境、運行負(fù)荷、作業(yè)時間等方面的影響，導(dǎo)致冷卻裝置的散熱性能減弱。設(shè)計階段是冷卻系統(tǒng)規(guī)劃布置的主要環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)必須要考慮后期液壓驅(qū)動系統(tǒng)故障的處理問題，設(shè)計有效的應(yīng)急處理策略。結(jié)合實際工作經(jīng)驗，筆者設(shè)計了一套冷卻裝置故障處理方案，具體情況：①"看"。詳細(xì)觀察冷卻系統(tǒng)故障的狀態(tài)，如：散熱器、風(fēng)扇、液壓泵等。②"找"。根據(jù)掌握的故障表現(xiàn)，操作人員應(yīng)盡快確定故障范圍，以準(zhǔn)確定位系統(tǒng)故障的位置。③"做"。查明故障原因、故障位置之后，現(xiàn)場人員要采取簡單的處理措施，對控制系統(tǒng)自行調(diào)控處理。經(jīng)過簡單的故障處理流程，操作人員可以減小故障造成的不利影響，技術(shù)人員的檢修爭取更多的時間。

結(jié)論

總之，冷卻系統(tǒng)是筑路機械的重要構(gòu)成之一，對發(fā)動機起到了散熱、降溫的作用。隨著筑路工程作業(yè)量的上升，機械設(shè)備的運行負(fù)荷也會不斷增大，對原有的冷卻裝置液壓驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行改裝設(shè)計，可以有效完善系統(tǒng)的冷卻功能。另外，設(shè)計方案還要對系統(tǒng)故障配備相應(yīng)的處理方案，避免給冷卻系統(tǒng)的持續(xù)運行造成不利影響。

[1]鐘少軍.筑路機械冷卻裝置液壓驅(qū)動系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計[J].東南大學(xué)學(xué)報，2010，17（2）：10-13.

[2]傅永進(jìn).大型收獲機電液混合驅(qū)動智能冷卻系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2010，32（11）：84-86.

[3]季曉娟.內(nèi)燃機冷卻風(fēng)扇溫度控制液壓驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)研究[J].機電工程技術(shù)，2010，26（8）：18-21.

[4]邢思妍.汽車發(fā)動機自控電動冷卻風(fēng)扇的發(fā)展與研究[J].內(nèi)燃機工程，2010，40（15）：74-75.

[5]裘明宏.現(xiàn)代發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].山東科技大學(xué)學(xué)報，2010，15（9）：54-56.

[6]馬建龍.發(fā)展玉米收獲機械化勢在必行[J].農(nóng)機科技推廣，2010，13（10）：6-8.