挖掘機散熱系統控制策略研究

張振宇/ZHANG Zhen-yu

（徐州徐工礦業機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

挖掘機主要用于礦產、巖石和沙土等高密度物料的挖掘與裝載作業。挖掘機工作環境復雜多變，必須保證在高溫、高寒、高海拔等惡劣環境具有很強的可靠性及高性能。液壓油溫過低導致液壓油黏稠會加大能量損耗從而降低效率，液壓油溫過高則液壓油黏度下降從而使得液壓系統內泄量增大，導致液壓元件損傷減少使用壽命。發動機水溫過低使得發動機不處于最佳燃燒狀態，造成油耗高，操作性能差等缺點；發動機水溫過高則會導致發動機異常，發生故障。因此，散熱系統控制發動機水溫及液壓油溫穩定在最佳工作區間，對提高挖掘機工作的穩定性及發揮最佳工作性能起到至關重要的作用。

1 散熱系統的組成

散熱系統硬件組成如圖1 所示，主要包括控制系統、發動機、散熱泵和風扇。發動機作為動力來源驅動散熱泵，散熱泵帶動風扇轉動起到降溫的作用。控制系統通過調節散熱泵電流進行流量調節，散熱泵電流與流量成反比，進而調節發動機散熱風扇的轉速，從而達到控制發動機水溫和液壓油溫的目的。

圖1 散熱系統原理

2 分段式控制策略

分段式控制策略如圖2（a）所示，將溫度分為80～85 ℃、85～90 ℃、90 ℃以上3 段進行控制，以上三段溫度對應的散熱泵控制電流分別為600mA、450mA、300mA。由于散熱泵的電流與流量成反比例關系，因此隨著溫度的升高散熱泵的控制電流分段突變變小，導致散熱泵流量變大，風扇轉速提高，從而達到控制溫度的目的。

如圖2（b）所示給出了分段式控制策略的發動機水溫溫度變化曲線示意圖。發動機水溫在挖掘機啟動后0～2t 的時間內溫度迅速上升到82℃，雖然分段式控制策略在80℃開始控制，此時風扇工作在低速，因為溫度上升趨勢大于風扇降溫趨勢，因此在前期溫度控制存在一定的超調量。隨著溫度的升高達到85℃后分段控制的第二階段開始起作用，風扇轉速在中速，在溫度增加到90℃之前溫度增加斜率為（90℃-82℃）／（6t-2t）=4℃／t。

圖2 分段式控制策略及水溫變化

在溫度達到90℃后進入分段控制的第三階段，風扇轉速達到高速，此時的溫度增加斜率為（93℃-90℃）／（9t-6t）=1℃／t，最后溫度在93℃趨于穩定。

由此可知，分段式控制策略前期存在超調，溫度控制跟隨性差。前期和中期的溫度控制斜率在4℃／t，中期控制響應性不好，后期溫度控制斜率在1℃／t 效果較好。由于分段式控制方法簡單易于實現，所以目前運用比較廣泛，但是由于分段比較粗獷，因此控制跟隨性差，中期響應不好，存在超調等缺點。

3 線性控制策略

線性控制策略如圖3（a）所示，溫度在80～90 ℃之間，散泵的控制電流從600mA 到300mA 線性減少，用公式表示為

其中I 表示電流（mA），T表示溫度（℃）。由公式可以得出隨著溫度的不同，散熱泵的控制電流線性變化，不存在階躍點。

如圖3（b）所示的線性控制策略的發動機水溫溫度變化曲線示意圖。在0～80℃之間控制策略并未干預，發動機水溫迅速升高。80～85℃之間散熱泵電流從600～450mA 之間線性變化，由圖可以得出這一階段溫度的變化斜率約為1.67℃／t。在溫度85～90℃之間散熱泵的電流從450～300mA 之間線性變化，該階段的溫度變化斜率為2.5℃／t，最后溫度穩定在90℃，電流為300mA。

圖3 線性控制策略及水溫變化

由上可知，線性控制策略解決了分段式控制策略存在超調，中期控制響應不好的問題，對比發動機的溫度變化斜率可以看出，不管是在前期還是中期，線性控制策略使得單位時間溫度變化更加平滑。分段式控制策略最后溫度的穩定時間為9t，線性控制策略溫度最后穩定的時間為7t，因此線性控制策略的敏捷性更高。

4 線性與分段相結合控制策略

分段式控制策略在溫度突變的情況下能快速響應，進入恒電流加大風扇的轉速，能夠應對散熱器阻塞等外部情況造成的突發狀況。線性控制策略能夠縮短調節時間和超調量，并且能夠解決分段式控制策略的控制滯后的缺點。因此本文采用溫度變化在正常情況下線性控制策略，溫度變化加速度超過一定范圍內采用分段式控制策略的階躍性特點的控制策略，提高散熱系統在溫度突變情況下的控制魯棒性。

如圖4（a）所示，發動機的工作溫度在86℃的情況下突變到100℃，超出了溫度的正常變化范圍。散熱泵電流的控制策略在86℃之前采用線性控制策略，在86℃之后采用分段式階躍控制策略，電流恒定給300mA直到發動機水溫穩定在90℃附近。

如圖4（b）所示，雖然在86℃發動機水溫發生突變，經過分段式控制策略的階躍輸出300mA電流，使得發動機水溫很快在5t 的時間內穩定在90℃。

圖4 線性與分段式相結合控制策略及水溫變化

5 結論

分段式控制策略主要優點是控制方法簡單、易于實現對溫度突變情況響應靈敏；缺點是控制存在超調、調節時間長、溫度控制中期響應速度慢。線性控制策略的主要優點是控制跟隨性好、響應敏捷、超調量小、調節時間短；缺點是對溫度突變情況響應速度慢，不具備溫度突變應急能力。

線性與分段相結合控制策略，結合了線性控制策略和分段式控制策略的優點。在溫度變化平穩情況下采用線性策略，溫度控制靈敏，風扇轉速平穩。遇在溫度突變情況下，采用分段式控制策略，風扇轉速迅速響應，解決溫度上升過快的問題。

采用線性與分段相結合的控制策略能夠應對隨著發動機工作時長增加溫度平穩上升的工作情況，也能應對由于散熱器阻塞等情況造成的溫度突然增高的工況，使得挖掘機散熱系統能夠在高溫、高寒、高海拔等惡劣環境下穩定工作，使發動機水溫與液壓油溫控制在最佳溫度區間，提高整機性能與效率。