工程機械數字溫控風扇系統的研究

(山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272000)

隨著全球能源日趨緊張，各國均在新能源、節能等項目方面積極推進，工程機械也在向智能、節能方向發展。工程機械設備在建筑施工、礦山行業等領域起著至關重要的作用，工程機械設備智能控制主要表現在“機-電-液-智”耦合控制上，節能主要表現在發動機及液壓系統功率匹配上，工程機械設備正向數字化、一體化方向發展。智能、節能型產品的研發與設計在國外均已開展，我國在這方面起步較晚。本文重點介紹數字溫控風扇系統在工程機械上的研究及應用。

1 傳統溫控風扇系統介紹

傳統工程機械主要采用閉式行走系統，原理圖如圖1 所示。閉式系統有能夠輸出較大扭矩和推力、運動均勻穩定、響應速度快等特點，但是液壓油往復循環，油液升溫較快。工程機械液壓系統最佳理想油溫50±5℃，系統油溫過高會造成油液黏度降低，導致油液變質，影響液壓元件的穩定性，因此對系統內的液壓油進行及時有效的降溫顯得至關重要。

圖1 工程機械閉式容積系統

工程機械最開始的溫控風扇系統是用靠發動機皮帶輪直接帶動風扇轉動，這種無法滿足冷卻功能，并伴隨能量浪費；隨后又出現一種液壓式風扇系統，即靠單獨齒輪泵驅動馬達帶動風扇轉動，在實現正反轉時借用電磁換向閥，這種系統在一定程度上起到了節能作用，但是風扇轉速的控制精度不高，節能有限，響應速度較慢，效率較低，傳統溫控風扇系統如圖2 所示。

圖2 傳統溫控風扇系統

2 數字溫控風扇系統設計

數字溫控風扇系統主要解決風扇泵在啟動時不需要發動機提供太大的扭矩，并根據液壓系統溫度及馬達轉速反饋實現風扇系統的無級調節，真正實現智能、節能控制，其原理圖如圖3所示。

圖3 數字電液溫控風扇系統

溫控風扇系統的最終的執行元件是液壓馬達，馬達轉速是由進出馬達的油液流量決定的，因此在系統中設計一個流量調節閥。在系統中設計一個O 型中位機能的三位四通滑閥式換向閥來改變風扇馬達來進出油液方向，實現風扇正反轉。不僅可以實現換向，而且可以通過改變閥芯的位移實現流量的變化。選擇數字方向流量閥作為溫控風扇系統的控制元件；在系統中設計了壓力補償閥來保證數字方向流量閥進出口壓差恒定，有效避免風扇轉動慣性及風扇泵出口壓力變化引起的換向閥進出口壓差的變化，進而導致風扇轉速不穩定。風扇馬達上裝有轉速傳感器實時監測風扇轉速，在油冷器上裝有溫度傳感器可以實時監測系統油液溫度，所有監測信號經過模數轉化器反饋給控制器與數字閥控制信號比對，準確控制風扇轉速，實現系統節能、智能控制。

3 數字溫控風扇統模型建立

3.1 步進電機數學建模

步進電機是將控制器提供的脈沖信號轉換為電機軸的輸出轉角位移，得到其力矩方程、電機轉子動力學方程、凸輪式機械轉換器轉角位移方程如下。

其中，Tb為步進電機的力矩，Nm；Ti為步進電機的轉矩，Nm；Z為轉子齒數；θm為旋轉磁場的角位移，°；θ為轉子的轉角位移，°；Tf為凸倫摩擦力力矩；Jb為轉子及負載的綜合轉動慣量，kgm2；Bb為阻尼系數，Ns/m；e為凸輪的偏心距；xv為凸輪式機械轉換器輸出的直線位移。

3.2 壓力補償閥數學建模

壓力補償閥是一種定差減壓閥，它工作原理是通過遠程控制口來調節進口壓力，以保證進口壓力和遠程控制口的壓力差不變。得到壓力補償閥閥芯受力平衡方程、流量連續性方程、閥出口流量方程、左腔流量方程、阻尼孔流量方程如下。

其中，My為壓力補償閥閥芯當量質量，By為壓力補償閥阻尼，Ns/m；ky為閥彈簧剛度，N/m；xy0為彈簧初始位移，m；xy為彈簧閥芯運動位移，m；kys為液動力剛度；Cyd為閥口流量系數；Dy為閥座孔直徑，m；α為閥口射流角；py為進油腔壓力，Pa；pL為遠程控制口壓力，Pa；Ay為左右兩腔橫截面積，m2；qy1為從壓力補償閥左腔流出的油液流量，m3/s；qyt為從壓力補償閥出口流出的油液流量，m3/s。

3.3 減壓閥數學建模

通過分析得到減壓閥的閥芯受力平衡方程、流量連續性方程、出口流量方程、閥芯上阻尼孔的流量方程如下。

其中，Mj為閥芯當量質量，kg；xj為定閥芯位移，m；Bj為閥芯運動阻尼，Ns/m；kj為定值減壓閥的彈簧剛度，N/m；xj0為定值減壓閥的彈簧預壓縮量，m；kjs為液動力系數；Cjd為定值減壓閥的流量系數；Dj為定值減壓閥的閥座孔直徑，m；Pj、Pjt為分別是定值減壓閥進油口和出油口壓力，Pa；Aj為定值減壓閥出油腔油壓作用面積，m2；qj為流入定值減壓閥的流量，m3/s；qjt為流出定值減壓閥的流量，m3/s；qj1為阻尼孔流量，m3/s；Vj0為控制腔體積，m3。

3.4 數字閥主閥的數學建模

分析得到數字方向流量閥主閥芯的力平衡方程、主閥的流量連續性方程、流量閥的流量、阻尼孔流量方程如下。

其中，M為閥芯當量質量，kg；x為閥芯位移，m；B為閥芯運動阻尼，Ns/m；k為主閥的彈簧剛度，N/m；x0為主閥彈簧預壓縮量，m；ks為液動力系數；p為油液進口壓力，Pa；PL為主閥A（B）口的壓力，Pa；p1、p2為左腔和右腔壓力，Pa；A1、A2為分別是主閥左腔和右腔橫截面積，m2；q為流入的油液流量，m3/s；A為主閥腔面積，m2；V0為進油腔體積，m3；kq為主閥的流量系數；kc為主閥的流量-壓力系數。

3.5 液壓馬達數學建模

數字方向流量閥的線性化流量方程、液壓馬達流量連續性方程、風扇馬達軸所受的力矩平衡方程如下。

其中，Dm為液壓馬達的每弧度排量，m3/rad；θm為液壓馬達的角位移，rad；Cm為液壓馬達總的泄漏系數；Jm為折算到液壓馬達軸上的負載和馬達轉動慣量之和，kgm2；Bm為黏性阻尼系數，Ns/m；K為負載扭轉彈簧剛度，Nm/rad；TL為作于馬達軸上的外負載力矩；Vm0為總容積，m3。

3.6 速度傳感器數學建模

傳感器的數學建模是采用近似的線性方法，忽略一些非關鍵性因素，把傳感器簡化特性不隨時間變化的線性系數。用線性時不變控制理論來表述傳感器的固有特性，可以看成比例環節

其中，K為速度傳感器比例增益。

將式（1）～（18）式進行拉氏變換，根據簡化原則對傳遞函數進行簡化合并，得到數字電液控制溫控風扇系統傳遞函數方框圖，如4 圖所示。該系統輸入量為電量脈沖信號，輸出量為數字方向流量閥閥芯位移，即步進電機接收到多少脈沖信號，閥芯就移動相應比例的位移量。

圖4 數字電液溫控風扇系統傳遞函數方框圖

4 數字電液溫控風扇系統仿真分析及論證

在MATLAB/Simulink 軟件環境下進行分析，設傳感器增益為1，并代入其它參數（以靜壓推土機作為仿真對象，因涉及整機液壓系統技術參數，暫不作詳述）。在仿真軟件環境下構造模型；得到數字電液溫控風扇系統模型的閉環Bode圖、單位階躍信號曲線如圖5、圖6 所示。

由圖5 可知，此系統有正的幅值裕度（即所得到的相頻特性曲線沒有與-180°線相交，則說明系統幅值裕量趨于+∞）及正的相位裕度（即所得到的幅頻特性曲線在0 點時，對應的相頻特性曲線在-180°線以上），系統穩定性很好。

由圖6 可知，數字電液溫控風扇系統階躍響應信號曲線上升時間為0.015s，達到峰值時間為0.024s，系統達到穩定時間為0.15s，由此可以看出系統響應很快，系統靈敏度高。

5 結語

圖5 數字電液溫控風扇系統閉環Bode圖

圖6 數字電液溫控風扇系統單位階躍響應

從控制理論上講系統的相位裕度和幅值裕度都有一個理想的選擇范圍，過大或者過小都會影響到系統的穩定性；單位階躍響應的峰值，超調量為54.7%，系統的超調量過大，說明溫控風扇系統平穩，但是平穩性不理想，數學模型中系統的阻尼比越小，則超調量就越大。為了能有效地消除振蕩；可以將智能控制器如模糊PID 控制、神經網絡控制等引入系統，來保證系統良好的平穩性，這種控制方式可以作為后續的研究方向。從溫控系統上講，此數字溫控系統響應快，穩定并可以實時監測兩側馬達的速度及系統油液溫度，很好地解決工程機械液壓系統油溫高的問題，真正實現智能、節能。