工程機械液壓實驗臺冷卻系統研究

鄭庭， 賀元成， 孟志明

（1.四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢 643000；2.瀘州職業技術學院 機械工程學院，四川 瀘州 646000）

工程機械液壓實驗臺冷卻系統研究

鄭庭1， 賀元成2， 孟志明1

（1.四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢 643000；2.瀘州職業技術學院 機械工程學院，四川 瀘州 646000）

液壓油作為液壓系統的工作介質，其溫度一般在35～65℃比較合理。文中以某工程機械液壓試驗臺為基礎，分析了其冷卻系統，并提出兩種冷卻系統方案，一種采用定量泵加比例溢流閥，另一種采用變量泵。通過對兩者進行分析、比較并進行試驗研究，試驗結果表明：兩者溫度變化趨勢相同了；溫變初始階段中定量泵系統相對變量泵系統油液溫升較快；兩者油溫最終都穩定在（60±1）℃，有效實現液壓油溫度控制。綜合考慮，該試驗臺采用定量泵加比例溢流閥。

液壓油；工程機械；試驗臺；冷卻系統；溫升

0 引言

液壓油作為液壓系統中實現潤滑摩擦副和傳動動力的介質，不僅需要根據使用目的和使用環境慎重選擇，而且要保證其工作溫度在一定范圍內。據統計，液壓系統至少有20%的輸入功率轉化為熱量并耗散在液壓系統中，最終表現為液壓油溫的升高，這將導致油液黏度降低、泄漏增加、油膜破裂、氣蝕和密封件加速老化等現象，嚴重影響液壓系統性能與可靠性。因此，對液壓油冷卻方面的研究具有重要意義[1]。

工程機械工況復雜，一般長期以高負荷低轉速工作，此種情況下因液壓油溫過高導致設備無法正常工作，影響施工的情況時有發生。本研究從系統的觀點出發，以工程機械液壓試驗臺為出發點，進行液壓系統液壓油冷卻方面的研究。

1 試驗臺冷卻系統分析

本工程機械液壓試驗臺主要進行液壓系統方面的研究，是一個集數據采集與控制一體的液壓系統，液壓系統采用與負載無關的流量分配系統和閉式泵-馬達系統；加載系統分別為開式液壓缸加載系統，開、閉式馬達系加載系統；輔以液壓油冷卻系統及其控制系統組成。試驗臺系統原理如圖1所示。

試驗臺工作過程中，液壓油作為傳遞能量的介質，隨著實驗的進行，負載變化較大，會產生較大溫升。其中，通過主動加載或被動加載方式模擬負載的過程，都是通過比例溢流閥的溢流過程實現的，此過程中是系統油液溫升的主要原因之一。為保證液壓執行機構工作在最理想的溫度狀態下，需要對液壓油進行合理的冷卻。

如圖1所示，液壓油冷卻系統工作原理為：電機拖動液壓泵從液壓油箱中吸油，經單向閥、過濾器輸送至風冷式液壓油冷卻器，完成獨立抽油。液壓油冷卻風扇由液壓馬達驅動，油箱中的溫度傳感器把溫度信號傳至單片機，控制比例溢流閥的開度，冷卻馬達由齒輪泵供油，組成自動調控冷卻回路，從而把溫度控制在30～65℃之間，實現溫度的閉環控制。

圖1 試驗臺系統原理圖

試驗臺采用HM-46（L-AN32）抗磨液壓油，圖2為其黏溫特性曲線，由圖2可知，油液黏度隨溫度上升而下降；而黏度下降可以降低壓力損失，降低發熱功率，利于系統溫升的減小。對于液壓系統來說，系統的理想工作溫度為35～65℃，此時油液的黏度、耐磨性和潤滑性均處于最佳狀態，系統傳遞效率最高。

圖2 液壓油黏溫特性曲線

工程機械液壓冷卻系統一般采用結構緊湊的風冷式散熱器進行強制散熱，通過散熱器的散熱功率、風量之間的關系為

式中：P為散熱器的散熱功率，kW；qv為流經散熱器的風量，m3/s；ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；△t為散熱器進出口空氣的溫度差，℃。

通過式（1）可知，散熱器的散熱功率隨流經散熱器的風量成正比關系，而風量與散熱風扇的轉速亦成正比關系，所以散熱風扇的轉速決定了散熱器釋放的散熱功率。

2 可調速液壓驅動冷卻系統

為實現液壓系統在最佳溫度下工作并達到節能的效果，大多數工程機械液壓系統采用可調速靜液壓驅動冷卻系統。目前可調速靜液壓驅動系統主要有兩種形式：一種采用變量泵的電液控制液壓驅動冷卻系統；另一種采用定量泵的旁路節流調速液壓驅動冷卻系統。

2.1 變量泵組成的冷卻系統

采用變量柱塞泵的電液控制液壓驅動冷卻系統調速原理為容積調速。系統原理如圖3所示。該系統由電機帶動變量柱塞泵驅動液壓馬達，液壓馬達驅動冷卻風扇，通過調節變量柱塞泵的斜盤傾角，改變泵的排量，從而實現冷卻風扇轉速變化。控制器根據安裝在液壓系統的溫度傳感器采集到的溫度信號進行處理后輸出相應的電流控制電液伺服閥的輸出壓力，改變泵的斜盤傾角，從而控制變量泵的輸出流量。故系統輸出流量可通過電液伺服閥進行無級控制。

該系統特點為：反比例控制，即泵的排量隨輸出電流增大而減小；能夠檢測多點溫度信號；失效安全功能；冷卻風扇轉速無級控制；容積調速，無節流損失，更節能；因采用了變量泵，成本較高。

2.2 定量泵和比例閥組成的冷卻系統

采用定量泵和旁路電磁比例閥組成的電液控制液壓驅動冷卻系統調速原理為旁路調速原理，其原理如圖4所示。該系統由電機帶動定量泵驅動液壓馬達，液壓馬達驅動冷卻風扇，通過調節比例溢流閥，改變流入液壓馬達的流量，從而實現冷卻風扇轉速變化。控制器對安裝在液壓系統的冷卻單元溫度信號采樣，并對采樣信號處理，輸出控制信號至比例溢流閥調節端，改變其溢流壓力，從而控制進入液壓馬達的流量。因此，可以根據液壓油溫的高低實現液壓馬達的無級調速，即油溫自動控制。

圖3 變量泵組成的冷卻系統

該系統的特點為：控制簡單、失效安全功能、冷卻風扇轉速無級控制、對油液要求不高、成本低、因采用了比例溢流閥，調速過程始終存在溢流損失。目前，國內外的中小型工程機械大多采用此種系統。

圖4 定量泵和比例閥組成的冷卻系統

2.3 可調速液壓驅動冷卻系統控制原理

該控制系統由油溫變送器、微控單元ECU、液壓馬達、冷卻風扇、散熱器等組成，系統每隔15 s左右采樣一次，將油溫變速器采集到的油溫信號傳給A/D轉換模塊，將模擬信號轉換為數字信號，然后送入微控單元單片機進行處理，輸出相應模擬電信號，通過驅動電路，控制比例溢流閥的溢流量或者變量泵的斜盤傾角，調節流經液壓馬達的流量，以此實現冷卻風扇的自動調節。

3 冷卻系統散熱特性研究

為測試兩種冷卻系統散熱特性，以本實驗臺為基礎，分別采用兩種冷卻系統進行試驗對比，本實驗臺冷卻系統主要技術參數如表1所示。

圖5 控制系統原理圖

表1 液壓試驗臺主要技術參數

本液壓系統冷卻實驗在環境溫度30℃情況下進行，液壓試驗臺在室內放置，散熱器外置在室外。試驗時，液壓系統模擬某一負載運動規律，分別進行開式系統液壓油缸的主動、被動加載，液壓馬達的主動、被動加載；閉式系統液壓馬達加載，實驗時間為2 h。實驗結果如圖6～圖8所示。

圖6 馬達轉速及壓力與比例閥輸入的關系

圖7 馬達轉速及壓力與變量泵斜盤傾角變化的關系

液壓馬達與比例電磁閥并聯，實時調節比例電磁閥的電流，控制流經馬達的液壓油流，控制馬達轉速，即可控制散熱器散熱效果。從圖6可知，隨著比例溢流閥輸入的PWM信號的增加，溢流量加大，液壓馬達轉速、壓力下降。液壓馬達與變量泵串聯，實時調節變量泵斜盤傾角的變化，控制流經馬達的液壓油流，控制馬達轉速，即可控制散熱器散熱效果。從圖7可知，隨著變量泵斜盤傾角的增大，液壓馬達轉速增加，壓力下降，顯示了冷卻系統調節風扇轉速的過程。

液壓系統工作時，采用兩種液壓冷卻系統的油溫變化如圖8所示，可知：采用定量泵的液壓系統與采用變量泵的液壓系統溫度變化趨勢相同；在溫變初始階段，定量泵系統因為比例溢流閥的溢流導致系統油液溫升較快，變量泵系統因為沒有多余流量的溢流，系統溫升較定量泵系統慢一些，兩種系統溫度最終穩定在（60±1）℃左右。兩種冷卻系統效果相差不大，但變量泵比定量泵價格高，而且試驗臺的工況、環境等條件沒有工程機械惡劣，因此，本實驗臺采用定量泵系統較為合適。

圖8 兩種冷卻系統液壓油溫曲線

4 結論

本研究以某一工程機械液壓試驗臺為基礎，從系統觀點出發，分析了其冷卻系統，并提出兩種冷卻系統方案，通過對兩種方案進行分析、比較并進行試驗研究，試驗結果表明：兩者溫度變化趨勢相同；溫變初始階段，定量泵系統相對變量泵系統油液溫升較快；兩者油溫最終都穩定在（60±1）℃。通過本研究，可以有效實現液壓系統油溫的控制，并對企業今后設計制造工程機械液壓冷卻系統提供參考價值。

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（編輯 明 濤）

TH 137

A

1002-2333（2015）11-0053-03

四川省科技計劃項目（2013GZX0151，2014GZ0126）；過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室開放基金項目（GK201310）

鄭庭（1988—），男，碩士研究生，主要從事液壓系統節能技術研究。

2015-06-25