挖掘機液壓油冷卻系統分析及優化改造

馬泰

（四川邦立重機有限責任公司，四川瀘州 646000）

0 引言

傳統挖掘機上，液壓系統回油直接經過冷卻器散熱后再回液壓油箱，對于液壓油冷卻器散熱功率，往往憑經驗按照挖掘機總液壓功率的30%～50%選擇[1]，在應對不同的環境溫度、復雜多變的作業工況時，不能做到散熱功率的精準控制，設計制造成本及使用油耗高；同時液壓系統回油有突變、壓力沖擊的存在，直接經過冷卻器，會導致冷卻器開裂、漏油等故障[2]。針對上述問題，急需研究改進一種新型的挖掘機液壓油冷卻系統。

1 問題描述

目前常見的挖掘機液壓油冷卻系統，冷卻器的風扇由柴油機驅動：一種是柴油機皮帶驅動風扇，風扇與發動機之間為固定傳動比（如圖1、圖2）；另一種是皮帶+角傳動驅動風扇，風扇與發動機之間有3擋速度選擇（如圖3、圖4）。這兩種方式有著共同的缺點：不能根據實際散熱功率的需要，調節風扇轉速或調節范圍小，使用油耗高；當發動機低轉速工作時，風扇轉速低，散熱功率小，在環境溫度高的使用場所，需加大散熱器尺寸（10%～30%），設計制造成本高[3-4]。

圖1 單速風扇布置示意圖

圖2 單速風扇轉速圖

圖3 三速風扇布置示意圖

圖4 三速風扇轉速圖

在布局方面，挖掘機液壓系統回油直接經過冷卻器，再回液壓油箱（如圖5），由于系統回油流量不連續，存在著較大的波動，這給計算液壓油冷卻器散熱功率帶來麻煩，需要足夠的經驗，做大量的試驗，反復驗證校核；而且存在較大的流量波動，系統會有壓力峰值出現，這些峰值可能達到最大壓力的數倍，它們以脈動型式出現，只能用示波器記錄下來。由于這種峰值出現的持續時間很短，一般的過載閥無法及時響應，從而遠遠不足以消除系統內的壓力沖擊和壓力振蕩[5-6]。

圖5 傳統液壓油冷卻系統圖

2 整改策略

對一種挖掘機抽油獨立冷卻系統進行了改進，在柴油機取力口增加1個抽油泵和1個冷卻泵，冷卻風扇由冷卻馬達驅動（如圖6），液壓油經過冷卻器的流量無波動、連續恒定，給冷卻器散熱功率計算帶來便捷，同時冷卻器風扇工作轉速與發動機轉速無關，風扇可以在最低和最高轉速之間無級調速，還能在傳統基礎上增大轉速區域范圍（如圖7），當發動機低轉速工作時，可提供更高的散熱功率，而不用加大散熱器尺寸。

圖6 獨立冷卻風扇布置示意圖

圖7 獨立冷卻風扇轉速圖

2.1 液壓控制模塊設計

抽油獨立冷卻系統工作原理如圖8所示。

圖8 抽油獨立冷卻系統圖

挖掘機液壓系統回油直接接入液壓油箱的回油區，抽油泵1為定量泵，抽取液壓油箱回油區的熱油到冷卻器3，液壓油經過冷卻后流入液壓油箱的吸油區，供挖掘機液壓主泵吸油。在低溫環境下，液壓油黏度增大，流入冷卻器3的油液阻力增大，挖掘機低溫啟動時，此時抽油泵1抽取的液壓油通過過載單向閥2重新回到油箱回油區，用以保護冷卻器3。

冷卻泵7為變量泵，出口分別連接冷卻馬達5和補油單向閥6進口，冷卻馬達5和補油單向閥6的出口接回液壓油箱回油區，冷卻泵7用于驅動冷卻馬達5旋轉，冷卻馬達5傳動軸上安裝冷卻風扇4，給冷卻器3散熱。補油單向閥6起到防止冷卻馬達5吸空的作用。

液壓油箱吸油區裝有溫度傳感器8，冷卻泵7裝有電比例閥，冷卻馬達5的輸出軸裝有轉速傳感器9，都接入控制器的端口。

當挖掘機在某一擋位工作時，流入冷卻器3的流量是恒定的，沒有流量突變、壓力沖擊的存在，從而延長冷卻器3的使用壽命；控制器采集溫度傳感器8的數據，實時監控液壓系統的溫度變化，改變冷卻泵7的比例閥電流，再通過轉速傳感器9反饋數據進行修正，從而改變流入冷卻馬達5的流量，使冷卻風扇4的轉速隨液壓油溫變化增大或減小，即根據系統油溫的高低，自動改變冷卻器的散熱功率，冷卻器風扇轉速只與溫度有關，這樣挖掘機在不同工作擋位、環境溫度時都能滿足使用要求。

2.2 程序控制模塊設計

當選定好冷卻泵、冷卻馬達型號參數后，即可計算出冷卻風扇最小轉速nmin、冷卻泵最小控制電流Imin、冷卻風扇最大轉速nmax及冷卻泵最大控制電流Imax。為了獲得最佳效率和使用壽命，通常挖掘機液壓油工作黏度選擇為16～36 mm2/s范圍內，根據使用不同牌號的液壓油，即可得出工作最低油溫tmin和最高油溫tmax。冷卻風扇轉速根據液壓油溫成線性變化（如圖9）。

然而冷卻泵的控制電流與冷卻風扇轉速關系并非成線性變化，當控制電流較小時，風扇轉速變化較快，控制電流較大時，風扇轉速變化較平緩（如圖10）。

如圖9所示，設某一液壓油溫ta對應風扇轉速na。在圖10中，風扇轉速na對應冷卻泵理論控制電流Ic輸出實際風扇轉速nd，nd>na，為了獲得實際風扇轉速na對應的控制電流大小Ia，需作如下運算：

圖9 油溫-風扇轉速圖

圖10 控制電流-風扇轉速圖

重復上述步驟，通過轉速傳感器檢測，直到控制電流Ib對應的風扇轉速無限接近于目標轉速na。

3 結語

與傳統液壓油冷卻系統相比，抽油獨立冷卻系統的優勢為：1）節省安裝空間。挖掘機上冷卻器布置位置可以與發動機分開，能減小冷卻器10%左右的尺寸，有利于節省空間，同時冷卻器的安裝布置靈活方便。2）提升功能。冷卻器風扇可以無級調節，風扇轉速取決于實際所需的散熱功率，在發動機低轉速時具有更高的散熱功率。3）降低成本。通過我公司在50 t級挖掘機上驗證的結果表明，能節省5%的燃油消耗，冷卻器漏油開裂等故障率從過去的5%下降到0。