（农业机械化工程专业论文）yz18j型压路机冷却系统智能控制研究.pdf

符号说明 冷却系统散走的热量 传热介质的温度 周围环境空气温度 传热介质的温度t f 与周围环境空气温度t 。的差值 发动机燃料消耗率( k g k w h ) 传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比 发动机功率( k w ) 燃料低热值( k j k g ) 冷却水的循环量 冷却空气需要量 冷却水在发动机中循环时的容许温升 水的比重 空气的重度 水的比热 水泵的泵水量( m 3 s ) 水泵的液力效率 水泵的机械效率 水泵的容积效率 冷却空气的需要量 风扇消耗功率 风扇的压力 风扇的液力效率 风扇的机械效率 k k n a m 札w u 地 儿 几 。u m 妇眦凸= 孔 孔 町v ，r风扇的容积效率 液压马达容积效率 水泵的转矩 风扇的转矩 风扇的修正转矩 液压马达的实际输出转矩 液压马达的理论输出转矩 液压马达的机械效率 液压马达的工作压力 所求液压马达的排量 液压马达实际所需的流量 液压油泵的最高工作压力 从油泵出口到液压马达入口之间总的压力损失 液压油泵的最大供油量 同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值 液压油泵的排量 液压油泵的实际输出流量 液压油泵的轴输入功率 液压油泵的容积效率 液压油泵的总效率 轴k m。手昂叫h狮 靴 学位论文原创性和使用授权的声明 y9 0 s s 6 s 本人提交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行科学 研究取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重 要贡献的个人或者集体，均在文中明确说明。本人声明的法律 责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规 定，同意学习保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸 质本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大 学可以将本学位论文的全部或者部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 盟l m型甏 山东农业大学硕士学位论文 摘要 y z i s j 型压路机的冷却系统风扇采用了传统曲轴定传动比驱动，且 同一冷却系统风扇同时承担着发动机和机械传动操作系统以及转向系统 液压油的散热任务，散热强度极大。这种驱动方式使工程机械发动机起动 转矩大、预热时间长、低速大负荷时冷却不足、高速小负荷时冷却能力过 剩，从而造成发动机冷却不合理风扇耗能较大，降低了发动机的动力输出 而且风扇安装位置受限，工作噪声大。 本课题设计了种新型的冷却系统，该系统采用两种驱动方式共用一 个电控单元，分别对发动机冷却系统和液压油冷却系统进行合理控制。它 既可以解决压路机在施工中常出现的发动机过热和液压传动系统冷却不 足的问题，而且可以将风扇分开放置，冷却合理可靠。 在本课题中发动机冷却系统采用液力方式驱动冷却风扇，它单独对发 动机进行冷却，风扇和水泵转速由电磁比例溢流阀来调节。单片机控制系 统可以根据冷却液温度调节液力驱动油路中电磁比例阀的溢流量，进而控 制风扇和水泵转速。在液压油冷却系统中，冷却风扇采用直流电机驱动， 单片机控制系统根据液压油的温度控制电机的工作状态。两个系统中的冷 却风扇驱动方式不同，且分别根据不同的冷却要求，独立工作。 本文研究内容主要包括：冷却系统的工作原理、特别是发动机冷却装 置液压驱动系统的主要液压元件的参数计算、选型及比例溢流阀的选择匹 配、单片机控制系统的硬件电路设计、软件设计等。单片机控制系统的硬 件电路设计主要包括a o 转换电路、d a 转换电路和放大电路的设计等几 个部分。软件设计采用的是模块化程序设计方法，主要程序模块包括温度 循环采样模块、数字滤波模块、水温控制程序模块、油温控制程序模块、 d a 转换程序模块，主程序模块和t 。中断程序模块等。 y z i s j 型压路机冷却系统智能控制研究 测试表明本系统不仅可以有效解决y z l 8 j 型压路机发动机过热和液 压油冷却不足等问题，而且系统还具有安装灵活、节省燃油、降低噪声、 体积小、功率低等优点。将之推广会获得较大的经济效益。 关键词 ：压路机；冷却系统；单片机；比例溢流阀；风扇 山东农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o o l i n gs y s t e mf a no ft h ey z l8 jt y p er o l l e r sc o o l i n gs y s t e ma t p r e s e n ta d o p t st h et r a d i t i o n a lc r a n k s h a f tf i x e dt r a n s m i t t i n gr a t i ot y p ed r i v i n g , a n dt h es a m ec o o l i n gs y s t e mf a ni sb e a r i n gt h eh e a td i s s i p a t i o no ft h ee n g i n e a n dh y d r a u l i co i lo fe n g i n e e r i n gm a c h i n e r yt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，h y d r a u l i c s t e e r i n gs y s t e ma tt h es a m et i m e t h eh e a td i s s i p a t i o ni sg r e a ti ni n t e n s i t yt y p e o fd r i v i n gm e t h o dc a u s e dt h ee n g i n eo fr o l l e rh a ss t a r tt o r q u e ，l o n gp r e h e a t i n g t i m e ，u n d e rc o o l i n g a t l o w s p e e dh i g h l o a do v e r c o o l i n g a t h i g h - s p e e d l o w - l o a d ，u n r e a s o n a b l ec o o l i n ga n dt o om u c hp o w e rc o n s u m p t i o nb yt h ef a n ， w h i c hd e c r e a s e dt h ep o w e ro u t p u t ，a n dt h ef i xl o c a t i o no ft h ef a ni sl i m i t e d ， a n dt h eo p e r a t i o nn o i s ei sh i g h i nt h ep r o j e c tw ed e s i g n e dac o o l i n gs y s t e mo fn e ws t y l e ，w h i c ha d o p t s t w od r i v i n gw a yu s i n go n ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e du n i tt o g e t h e ra n dr a t i o n a l l y c o n t r o l st h ec o o l i n gs y s t e mo ft h ee n g i n ea n dh y d r a u l i co i ls e p a r a t e l y i tc a l l n o to n l ys e t t l et h ep r o b l e m so fo v e rh e a to fe n g i n ea n du n d e rc o o l i n go ft h e h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c ho f t e nh a p p e nu n d e rc o n s t r u c t i o n o f e n g i n e e r i n gm a c h i n e r y , b u ta l s op u tt h ef a n ss e p a r a t e l y ，a n dt h ec o o l i n gi s r e l i a b l ea n dr a t i o n a l i nt h ep r o j e c tt h ee n g i n ec o d l i n gs y s t e mc o o lt ot h ee n g i n ea l o n e ，i t a d o p t sh 3 ，d r a u l i ct od r i v et h ec o o l i n gf a n ，a n dt h er o t a t i o n a ls p e e do ff a na n d w a t e rp u m pi sc o n t r o l l e db yt h eo v e r f l o wo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p o r t i o n v a l v e a c c o r d i n gt ot h ec o o l i n gl i q u i dt e m p e r a t u r eo n e c h i pc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e mc a nr e g u l a t eh y d r a u l i cu r g eo i lp a s s a g ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p o r t i o ni s i t s h e dt h ef l o wo fo v e r f l o w i n go ft h ev a l v et oo v e r f l o w , a n dt h e nc o n t r o lt h e r o t a t i o n a ls p e e do ft h ef a na n dw a t e rp u m p i nt h eh y d r a u l i co i lc o o l i n g s y s t e m ，t h ec o o l i n gf a na d o p t st h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yt ou r g e ，a c c o r d i n gt 0 t h et e m p e r a t u r eo fh y d r a u l i co i lo n e c h i pc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mc o n t r o lt h e s t a t eo fe l e c t r i c a lm a c h i n e r y t h ed r i v e rw a y so fc o o l i n gf a ni nt w os y s t e m s y z l 8 j 型压路机冷却系统智能控制研究 a l ed i f f e r e n t ，a n dw o r ka l o n ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tc o o l i n gr e q u i r e m e n t s s e p a r a t e l y t h i sa r t i c l ec o n t e n t sm a i n l yi n c l u d e ：t h e c o o l i n gs y s t e mo p e r a t i n g p r i n c i p l e ，e s p e c i a l l y t h ep a r a m e t e rc a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o no ft h em a i n h y d r a u l i ce l e m e n t o ft h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mo nt h e r o a d - b u i l d i n g m a c h i n e r ye n g i n ec o o l i n gd e v i c e ，a n d t h e s e l e c t i n g a n d m a t c h i n g o f p r o p o r t i o n a ls p i l lv a l v ea n do t h e rd e s i g n s ，h a r d w a r ec i r e u rd e s i g n ，s o f t w a r e d e s i g ne t c t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no fo n e c h i pc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m m a i n l yi n c l u d e sa f t ) c h a n g ec i r c u i t ，d ac h a n g ec i r c u i t ，o d dp a r t so fe n l a r g i n g c i r c u i te t c a d o p tt h em o d u l et od e s i g np r o g r a mi ns o f t w a r ed e s i g n ，p r o c e d u r e m o d u l em a i n l yi n c l u d e st e m p e r a t u r ec i r c u l a t i o ns a m p l et h em o d u l e ，f i g u r e s t r a i nm o d u l e ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lp r o c e d u r em o d u l e ，c o n v e r s i o np r o g r a m m o d u l eo fd a ，t op r o c e d u r em o d u l ee t c t h et e s t i n gr e s u l ti n d i c a t et h a tt h i s c o o l i n gs y s t e mc a nr e s o l v et h e o v e r h e a tp r o b l e mo ft h ey z l8 jt y p er o l l e r se n g i n es y s t e ma n dh y d r a u l i c s y s t e me f f e c t i v e l y , a tt h es a m et i m ei ta l s oi se a s yt of i x ，s o u r c es a v i n ga n d w i t hh i g hp o w e rt h a nt h et r a d i t i o n a lc o o l i n gs y s t e m i fw ep o p u l a r i z ei t ，w e w i l lo b t a i ns o m ee c o n o m i cb e n e f i t s 【k e y w o r d s ：r o l l e r ；c o o l i n gs y s t e m ；o n e c h i pc o m p u t e r ；p r o p o r t i o n a l s p i l lv a l v e ；f a n 4 山东农业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 国内外压实机械的现状及发展 压实机械是以增加工作介质( 土石填方及路面铺层混合物料) 的密实 度为主要目的的施工机械，它是道路与工程结构物基础、堤坝及路面铺装 工程的主要施工设备之一。压实机械被广泛应用于道路工程、港口机场、 水电矿山、国防工程、市政及重矿工业区的建设，是交通运输与能源开发 的有力技术装备。采用机械进行有效的压实，能显著地改善基础填方与路 面结构层的强度和刚度，提高抗渗透能力和气候稳定性，在多数情况下几 乎可以消除沉陷，从而提高了工程的承载能力和使用寿命，并且大大减少 了维修费用。 压实机械通常分为压路机和夯实机两大类。压路机按施力工作原理不 同，分为静作用压路机、轮胎压路机、振动压路机和冲击式压路机四大系 列；按传动形式分为液压传动式、机械传动式和液力机械传动式：按转 向形式分为偏转轮转向、铰接转向和蟹行式；按用途不同分为基础用压路 机、路面用压路机、沟槽用压路机和斜坡用压路机等。 我国早期只能对一些压路机进行修配工作，直到1 9 5 2 年上海厦门筑路 机械厂试制成6 8 t 两轮内燃压路机和1 9 5 3 年天津第五机器厂试制成l o t 三轮蒸汽压路机，才开始有了自己的压实机械制造业。历经近5 0 余年的 创业和发展，从仿制、技术引进到自行开发，我国已有了以徐州、洛阳、 山东等产地为主的5 0 多家压实机械制造企业和多家科研机构，形成了一 个科研设计与开发制造的完整体系。现已形成了4 2 5 t 静碾压路机、1 6 3 0 t 轮胎压路机、o 5 2 6 t 振动压路机三大系列及年产8 0 0 0 余台的批量生 产能力，基本上满足了国内工程建设的需要，并且具有了一定的国际竞争 能力。 应该说振动压实技术和振动压路机的出现是压路机械发展史上的一 次跨越，从此压实效果的增长不再是简单地依赖于压路机重量或线压力的 增大，而是以振动压路机发出的振动载荷使土颗粒处于高频振动状态，颗 粒间的内摩擦力丧失，压路机本身的重力对土壤的压应力和剪切力迫使这 些颗粒重新排队而得到压实。振动压路机最初被用于压实非粘性材料，随 y z l8 j 型压路机冷却系统智能控制研究 着技术性能的改进，现已成功地用于粘性土壤、沥青等路面的压实工作。 2 0 世纪7 0 年代后，静液压传动和液压控制技术迅速推广应用，使压路机 行走、振动、转向及制动等系统实现了全液压传动，从总体上提高了压路 机械的生产效率和压实质量。 虽然机械驱动式振动压路机是目前市场上的主导产品，但众多的工程 机械展览会和主要压实机械制造厂商都在全力主推其全液压产品，以期提 高自己在广大用户中的形象和地位。随着中国入世的深入和关税的降低， 从国外进口的全液压产品的数量和品种正在与日俱增，压路机市场竞争正 在从低档次、低价格的初级竞争向着高配置、高利润的技术实力竞争转变。 国际上有实力的压实机械厂商也纷纷进军中国市场，“投资中国就是投资 未来”已成为许多国外企业家的共识。可以预见3 5 年后，国外压实机械 厂商必将在高端产品上占据国内市场的重要份额。 目前，尽管我国压路机械制造技术有了较大的发展，但由于国产压路 机基本上是靠测绘外国样机、技术跟进到技术引进一步一步地发展起来 的，以致造成我国工程机械行业在发展进程中的被动性、依赖性和不自主 性以及在自主知识产权、品牌、核心竞争力、专利、国际认证、占领国际 市场等方面的滞后性、与具有名牌产品和核心竞争力的国际工程机械企业 相比还有相当大的差距。 从国内外工程机械的发展趋势看：广泛采用机载计算机，根据各种传 感器的检测信号，结合专家系统知识库对工程机械的运行状态进行评估来 检测或排除故障：在新型柴油机上装用基于单片机的燃油喷射控制与调节 发动机最佳性能的系统，提高燃料的利用率，确保发动机废气排放符合环 境控制法规要求；采用自动换挡控制系统，根据工程机械行驶速度与负载 状态而自动换挡，并使发动机转速与运行工况相匹配，达到节能目的：广 泛应用人机工程学，体现人性化设计理念，并有利于驾驶员与操作界面的 协调，达到操作的舒适性：开发工程机械智能系统，在工程机械产品设计 中广泛应用集液压( 或液力) 、微电子及信息技术于一身的智能系统，不断 完善计算机辅助驾驶系统、信息管理系统和故障诊断系统的功能等将是工 程机械未来发展的方向。此外，对现有工程机械进行技术革新和技术改造， 完善和优化其局部功能也是工程技术人员责无旁贷的任务。本文仅通过对 山东农业大学硕士学位论文 山东临工生产的y z l 8 j 型压路机冷却系统进行探讨研究，提出改进方案， 其它类型的工程机械也可以参照本方案进行设计论证。 1 - 2 发动机冷却系统的功用 发动机在工作过程中，气缸与燃烧室内燃油雾化混合物燃烧温度高达 1 7 3 0 2 4 0 0 。3 ，会使直接与气体接触的缸体、缸盖、活塞和气门等，在 高温的作用下会因膨胀而破坏正常间隙，导致运动件运动受阻或者卡死； 各机件因高温而使机械强度降低甚至损坏；润滑油因高温失效而失去润滑 作用等。因此，必须在发动机上设置冷却系统，在发动机工作过程中对上 述高温机件进行冷却，维持发动机的正常温度，保证发动机的正常工作。 冷却系在工作中应保持合理的冷却强度，冷却强度过大过小都会影响 发动机正常工作。冷却不足，会造成发动机过热，导致发动机充气量下降 而影响发动机功率输出，同时，过高的温度会使润滑油粘度降低，导致机 件磨损加剧。反之，冷却过度，会使发动机过冷，导致燃料蒸发困难，或 己蒸发的燃料重又凝结，一方面会因燃烧不完全而造成发动机功率下降、 耗油量增大；另一方面这些燃油最终会沿气缸壁流入曲轴箱内，不仅冲刷 了缸壁上的机油膜，还会稀释润滑油，使机件的润滑效果变差。所以，冷 却系统除能满足发动机在最大热负荷情况下的冷却外，还必须能在发动机 各种工况下，对冷却强度进行调节，以维持发动机的正常工作温度。 1 3 压路机液压系统中的发热和散热 压路机的液压系统在使用过程中会出现系统过热的问题，压路机液压 系统的工作油温过高会影响系统及元件可靠性和整机作业效率，因此保证 液压系统在工作过程中热平衡处于正常运转状态，是保证机器正常可靠作 业的关键。 1 3 1 液压系统发热的原因 液压系统工作时，液压泵和液压缸的容积损失和机械损失将消耗一定 的能量。在实现能量转换与传递过程中，液压系统的阻力必然也要消耗一 部分能量，这部分能量的损失主要体现为流量和压力损失。 流量损失是指由于压差和间隙引起的液压油泄漏。压差使液压油从压 力较高处经配合间隙流至压力较低处，这就是泄漏。泄漏使有效流量减少， 7 y z l g j 型压路机冷却系统智能控制研究 容积效率降低。泄漏量与压差的乘积即为功率损失。由功率损失转换为热 量，使液压系统温度升高。 压力损失是指因液压油的粘性阻力和流经局部障碍时产生的压力降。 前者被称为沿程压力损失，它是由液压油流动时的内摩擦引起的；后者称 为局部压力损失，是由于液流方向或流速等的突然变化，在局部区域内形 成漩涡，使质点相互碰撞和剧烈摩擦而引起的。由压力损失引起的功率损 耗转变为热量，也会使液压系统温度升高。 此外，密封摩擦、相互运动的机械摩擦副之间的摩擦阻力也要损耗一 定的功率。当液压泵处于压缩行程时，液压油特别是渗入的空气被压缩至 高压时，也将产生热量。 1 3 2 液压系统的散热 液压系统过热主要是由系统产生的热量过多或者系统的散热能力不 足这两个方面的因素引起的。系统产生的热量可通过油箱及元件向四周散 发或是流经热交换器冷却。但如果液压油散热器和油箱的散热面积不足将 破坏热平衡，使产生的热量散不出去导致系统温度过高；或者散热器和油 箱的散热面被灰尘、油泥等覆盖，形成保温层，则会因传热系数降低而影 响整个系统的散热：如果风扇转速太低、风量不足，或者发动机虽转速正 常，但风扇因皮带松弛而使速度偏低，引起风量不足：或实际环境与原设 计的使用环境温度差别太大等因素，均会造成系统的散热能力不足。 1 4 当前压路机冷却系统存在的问题 压路机经常低速大负荷工作在高温、多粉尘的恶劣环境中，使用这些 设备时，发动机产生的热量多，又没有良好的迎风散热条件，所以经常出 现发动机过热和液压油温度过高等现象，致使设备不能正常工作，即增加 了作业成本，又影响了工作进度。同时，在高速、中小负荷工作时，冷却 能力过剩，使发动机预热缓慢，传热损失太多，造成燃油浪费，运动机件 磨损增加等。 目前y z l 8 j 型压路机中的冷却风扇和水泵一起由发动机曲轴通过v 型皮带以定传动比驱动，冷却空气通过散热器带走冷却水的热量。这种机 械驱动方式，使风扇的冷却能力仅随发动机的转速而变，却不能随发动机 的热状态和环境温度的改变而自动变化，所以必然会造成压路机在工地上 山东农业大学硕士学位论文 低速、大负荷工作时，冷却能力严重不足，而高速、中小负荷工作时冷却 又过度，造成传热损失多、油耗高等。此外，该冷却系统的冷却能力是按 最大热负荷工况设计的，所以还存在着启动转矩较大，预热时间长，风扇 耗能大等不足。该冷却系统在冷却发动机的同时，还担负着液压系统液压 油的散热任务，这种定传动比驱动的冷却系统限制了风扇和散热器的安装 位置，使发动机散热器和液压油散热器必须安装在一起并置于冷却风扇前 面，这就增加了冷却空气的流动阻力，降低了冷却空气与散热器中的冷却 介质的热交换速度，影响了散热效果，从而导致工程机械发动机和液压传 动系统出现过热现象。 发动机经常在过热温度下工作会带来以下不良后果： 1 ) 过高的温度会造成发动机充量系数降低，导致发动机升功率下降， 从而降低输出功率“1 ； 2 ) 发动机经常在过高温度下工作，会使高温零件( 如活塞、连杆、 气缸盖等) 的刚度和强度下降，造成磨损加剧，影响该部分零件及周围结 构的可靠性及使用寿命，严重时发生变形甚至折断，造成发动机机械故障 甚至报废。 3 ) 过高的温度会造成润滑油变质和烧损，导致润滑系统工作不良， 使零件的摩擦和磨损加剧，从而增加了内部消耗，降低了发动机的使用寿 命。 液压系统经常在过热温度下工作会产生以下不良后果： 1 ) 液压系统油温过高将导致液压系统热平衡温度升高，使油液粘度 降低、泄漏增加； 2 ) 引起热膨胀，造成不同材质的运动副的配合间隙变化，使动作不 灵或“卡死”导致工作性能降低或泄漏增加，破坏运动副问的润滑油膜， 加速磨损； 3 ) 容易造成油液汽化，使“气蚀”现象更加严重； 4 ) 密封件和高压软管的寿命受到影响，使其加速老化甚至变质； 5 ) 整个系统的性能、可靠性降低； 6 ) 容积效率下降，效率降低，造成整机生产率下降。 y z l 8 j 型压路机冷却系统智能控制研究 1 5 压路机冷却系统的研究和改进 为克服传统冷却系统中的不足，过去主要是对冷却风扇驱动方式进行 改进，改进方案主要集中在以下三个方面： 1 ) 离合器式风扇 离合器式风扇驱动系统可以实现内燃机温度开关控制，晟常用的是硅 油离合器式风扇，这种技术2 0 世纪6 0 年代末8 0 年代初在欧美国家得到 广泛的推广。该设计利用了粘性液体在传动中液体粘性剪切作用所能传递 的力与受剪切油膜的动力粘度和剪切速度成正比，与油膜厚度成反比的特 性，即只要油膜的厚度足够小，受剪切作用的油膜面积足够大，就可以传 递很大的力。在工作过程中保持受剪切作用的油膜厚度不变，通过改变油 膜剪切面积实现调节风扇转速的作用“1 。硅油离合器风扇可以将发动机的 工作温度控制在8 0 9 5 。c 范围内4 1 ，与传统风扇相比可节油3 5 “1 。而 且，离合器体积小、安装方便。 离合器式风扇只是解决了冷却强度调节问题。在离合器结合时，冷却 系统仍然采用定传动比的驱动方式，冷却风扇、散热器安装受限、风扇耗 能大的问题没有得到有效解决，且由于离合器式风扇在高速下频繁离合， 会给发动机造成新的载荷和热应力冲击，并使噪声加大。 2 ) 电动风扇 最早的电动冷却风扇是1 9 8 1 年美国的一项发明专利”3 ，该专利首次提 出了用电动冷却风扇取代发动机曲轴通过皮带驱动的冷却风扇，当汽车低 速大负荷行驶时，由于迎面风对散热器的冷却作用不强，所以发动机水温 上升，当发动机水温超过正常温度时，电动冷却风扇运转，消除了发动机 的过热：当汽车高速行驶时由于迎面风对散热器的冷却作用足以保持发动 机的正常工作温度，所以电动冷却风扇低速运转或停止工作。该专利利用 汽车行驶中迎面风这自然能量对散热器的冷却作用而而避免了发动机 驱动冷却风扇的损失，同时也缩短了发动机的预热时间，这对提高发动机 的热效率，延长其使用寿命具有积极的进步意义。 以后随着技术的发展，人们逐渐对电动风扇进行改进和优化，形成了 自控电动冷却风扇，其工作原理是：当冷却液的温度低于设定值时，冷却 液温度感应开关电路不通，风扇不工作；反之，当冷却液的温度稍高于设 1 0 山东农业大学硕士学位论文 定值时，冷却液温度感应开关电路自动接通，风扇运转。 其后，随着电子技术的快速发展，尤其是计算机在车辆上的运用，车 载计算机e c u 可以根据发动机冷却液温度传感器信号对冷却风扇转速进 行调节和控制，电动风扇进入了智能控制阶段。、 但是，由于风扇电机由蓄电池提供电源，风扇的功率受到车用电源的 限制，且对于压路机等工程机械，工作中行驶速度低，不能很好的利用迎 风面，并要求风扇的冷却强度大，所以在工程机械上的安装使用受到限制。 3 ) 液力驱动风扇 鉴于离合器式风扇和电动风扇存在的问题，2 0 世纪八十年代中期， 美国、德国等国家开始进行内燃机冷却风扇温控液压驱动系统的研究开发 工作。液压驱动风扇冷却系统通过比例阀调节液压系统油压，实现液压马 达及风扇转速的无级调节，从而较好的实现内燃机温度控制，有明显的节 油降噪效果，且安装灵活，不受空间的限制，既可以与液压系统共用同一 泵源，也可与冷却水泵同轴安装，散热器和风扇也可以独立装配在车辆的 任意位置，便于对整机进行造型设计，因此液力驱动风扇在工程机械上得 到了推广应用。 液力驱动冷却系统按液压调速方式分为容积调速、节流调速以及容积 节流调速三种方式。其中容积调速是采用变量泵来改变流量或改变液压马 达的排量来实现调速的，系统中变量泵和变量马达的结构复杂，成本较高， 但由于没有节流和溢流损失，因而效率高，油液温升小，主要用于高速、 大功率场合。节流调速一般是采用定量泵供油，用流量控制阀改变输入或 输出液压执行元件的流量来调节速度的，此种调速回路结构简单、可靠、 成本低，使用维修方便，多用于功率不大的场合，故内燃机冷却风扇液压 调速可采用节流调速方式。又根据流量阀在回路中的位置不同，节流调速 可分为进油节流调速、回油节流调速和旁路节流调速三种形式，其中回油 节流调速常用于有负载的场合，旁路节流调速多用于高速，因此内燃机冷 却风扇液压驱动系统宜选用进油节流调速回路。 液力驱动冷却系统按液压控制方式可以分为机液式和电液式，其中电 液式又分为开关式、伺服式和电液比例式。在液压传动与控制中，电液比 例控制又称电液遥控，是介于电液开关控制和电液伺服控制之间的一种控 y z l 8 1 型压路机冷却系统智能控制研究 制技术，兼有两者之所长，它以电液比例阀和电液比例变量泵为主要控制 组件构成电液比例控制系统。这种系统能够接收模拟式或数字式信号，使 输出的压力和流量按照输入信号( 电流) 的大小和极性成比例地连续受控。 从控制功能和系统特性上看，电液比例控制与电液伺服系统相似，都 可以用于开环和闭环系统。比例阀可以用于开环系统中实现随液压参数而 进行遥控，也可作为信号转换与放大组件用于闭环控制系统。但就目前来 说，比例控制主要用于开环控制，而伺服控制主要用于闭环控制伺服控 制装置总是有内反馈，任何检测到的误差都会引起系统状态改变，而这种 改变强迫这个误差为零。误差为零时伺服系统会处于平衡状态，直到新的 误差检测出来。在伺服控制系统中，平衡状态控制信号( 误差) 理论上为 零，而比例控制系统却永远不会为零，所以比例控制精度和动态响应速度 比电液伺服控制低，但其精度完全能够满足工程机械作业的精度要求。电 液比例控制最显著的特点是抗污染能力强，工作可靠，使用维护与一般液 压组件相同，容易推广应用；而精度和响应速度相对较高的电液伺服控制 技术则结构复杂、成本较高。 与电液开关控制相比，电液比例控制能够按比例地控制液压系统的压 力和流量，从而对执行组件的力、速度和位移进行连续控制，并能按输入 信号的极性改变液流方向，且在力、速度和位移变换时避免冲击现象，可 以简化油路设计，节省组件数量，节能效果也十分明显。此外，电液比例 控制系统能够实现工程中电液开关控制难以满足的连续控制和高精度控 制，并可以与微电孑技术结合，实现遥控、自控和适应控制。而开关控制 中控制组件只有两种状态，即开启或关闭。因此，要实现高质量的复杂控 制，必须有足够大量的组件，把各组件调整成某一特殊的状态，必要时选 用这一组件，从而实现受控对象按预定的顺序和要求动作。 电液比例控制冷却系统在一些发达国家起步较早，2 0 世纪8 0 年代中 期，美国、德国、日本及瑞典等国家就开始研究开发电液比例技术控制冷 却风扇的转速并应用在轿车发动机上，如丰田凌志( l e x u s ) e s 3 0 0 轿车 和亚洲龙( a v a 一1 0 n ) 轿车所采用的i m z f e 型发动机等就应用了电液比例 技术控制发动机冷却风扇系统，而我国目前该项技术尚在研制和推广应 用阶段，。 1 2 山东农业大学硕士学位论文 1 6 课题的提出 针对国产压路机冷却系统中存在的问题和国内外工程机械冷却系统 的研究发展情况，本课题提出将电液比例控制技术应用于y z l 8 j 型压路 机的冷却系统，基本设计思想是将整个冷却系统分为发动机冷却装置的液 压驱动系统和电机驱动风扇的液压油冷却系统两大部分，且分开放置，采 用不同温度传感器分别检测发动机冷却液温度和液压油温度，将温度信号 传给共用电控单元e c u ，由e c u 处理温度信号后发出指令，控制执行装置 工作。 1 7 课题研究的意义 “十一五”期间我国将进一步加大公路、铁路、水利等基础设施建设，给从事压 路机这种作为压实机械中最主要机种生产的制造企业和使用单位和个人带来了较高 的回报率。己列入规划的国家重大项目有：投资1 5 0 0 多亿元的南水北调工程( 2 0 0 2 年底2 0 1 0 年) ，5 2 6 0 亿元的西电东送工程( 2 0 0 1 年2 0 1 0 年) ，2 6 0 亿元的青藏 铁路工程( 2 0 0 1 年一2 0 0 7 年) 。另外北京2 0 0 8 年奥运会的场馆建设，总投资为2 8 0 0 亿元左右，其中约6 4 将投向基础设施和场馆建设等。除了以上一些大的举国瞩目 的项目外，全国公路、高速公路建设项目相继开工均需要大量压实施工机械，压 实机械正在成为国内外众多生产厂家投资的热点，行业发展前景非常广阔。为解决 y z l 8 3 型压路机械所存在的发动机和液压油经常过热进而影响工作效率以及压路 机冷却系统耗能多、散热器重叠布置影响散热等问题，本课题改变了原冷却系统的 驱动方式、控制方式和布置方式，对提高发动机热效率、降低发动机燃油消耗乖l 提 高工程机械工作效率等方面具有重要的现实意义，对在工程机械上全面推广应用新 型发动机和液压油智能冷却系统具有技术进步意义。 1 8 研究的内容和技术要求 1 8 1 研究内容 1 ) 系统总体方案的制定： 2 ) 液压驱动系统的选型设计：包括液压马达与液压油泵之间的匹配、 电磁比例溢流阀、温度传感器、单片机等主要元器件的选用： 3 ) 设计单片机控制系统：主要完成单片机控制系统的硬件设计、单 y z l 8 型压路机冷却系统智能控制研究 片机控制系统的软件设计等； 4 ) 在实验室进行模拟试验，使系统能够实现对液压马达转速的调节 和液压油冷却系统中电动风扇的控制。 1 8 2 技术要求 1 ) 系统具有低能耗、低噪声的优点： 2 ) 工作稳定可靠，使用寿命长； 3 ) 单片机具有抗干扰、抗振动、耐高温等能力； 4 ) 保证压路机长时间连续工作时，发动机冷却液和液压系统液压油 在正常的工作范围内； 5 ) 系统安装布局合理。 2 智能控制冷却系统的构成及原理 2 1 系统组成特点 系统设计原理如图2 1 所示。由原理图可以看出，整个冷却系统分为 发动机冷却系统和液压油冷却系统两个部分。发动机冷却装置采用液压驱 动，液压基本回路采用无级调压回路，回路中由于溢流阀有溢流，所以液 压泵的出口压力就是溢流阀的调整压力并基本保持恒定，选用先导型电磁 比例溢流阀可进行液压控制，改变溢流阀的调整压力即可改变系统压力。 这种控制方式具有稳压精度高、过流量大、控制过程连续可靠等优点。 2 2 发动机冷却系统的组成及工作原理 发动机冷却系统由液压泵、液压马达、电磁比例溢流阀、冷却液温度 传感器、电控单元( e c u ) 、油箱、冷油器及粗、精过滤器等组成。发动 机6 带动液压油泵5 泵油，驱动液压马达1 0 ，液压马达带动风扇1 1 和水 泵9 转动，对发动机冷却液散热器1 4 进行冷却。系统的冷却液温度传感 器1 检测发动机冷却液温度，并将冷却液温度信号传给电控单元e c u ，e c u 处理该信号后，发出控制信号，既而调节先导型电磁比例溢流阀3 的输入 电流，由于电磁比例溢流阀的调整压力与输入电流成正比。1 ，所以随输入 电流的改变，可改变节流回路的溢流量，从而改变溢流阀的调整压力，调 节发动机冷却风扇液压驱动系统及液压马达的进出口压力差，油压的改变 山东农业大学硕士学位论文 就会对冷却风扇和水泵起到调速的作用。 图2 1 系统设计原理图 f i 9 2 1s y s t e md e s i g n i n gs c h e m a t i cd i a g r a m 1 温度传感器2 微控单元e c u3 电磁比例溢流阀4 精滤器 5 液压油泵6 发动机7 且滤器8 油箱9 水泵1 0 液压马达 1 1 风扇1 2 风扇电机1 3 掖压油散热器1 4 发动机散热器 压路机发动机冷却系统中冷却液的正常工作温度范围一般为8 0 - - 9 0 ，最高不超过9 5 ”“。因此，该液压驱动风扇冷却系统中8 0 为控 制系统维持风扇最低转速工作的下限温度，如果在系统的控制过程中，温 度传感器测量结果超过9 0 c 时系统便控制风扇和水泵高速运转，随着发 动机冷却液温度逐渐降低，电控单元e c i j 根据冷却液温度信号发出控制指 令，调节先导型电磁比例溢流阀的输入电流，随输入电流的降低，电磁比 例溢流阀增大节流回路的溢流量，从而减小溢流阀的调整压力，降低液压 马达的进出口压力差，使冷却风扇和水泵的转速随发动机温度的降低而减 小，直至冷却液的温度降至8 0 ：当冷却液温度低子8 0 。c 时，系统中的 电磁比例溢流阀全开，以最大溢流量溢流，使冷却风扇和水泵停转，直至 冷却液的温度超过9 0 。因此该系统不仅能控制冷却风扇的最高转速与 最低转速，而且还能根据冷却液的温度测量结果及变化情况在最高与最低 转速之间进行变速控制。 y z l 8 j 型压路机冷却系统智能控制研究 2 3 液压油冷却系统的组成及工作原理 如图2 1 所示，液压油的冷却风扇采用电机驱动。液压系统中的液压 油温度，一般应控制在3 0 5 0 。c 范围内，最高不应高于7 0 ，最低不应 低于1 5 。c “”“。在液压传动系统中，液压油温度过高，将使油液迅速老 化变质，同时使油液的粘度降低，造成液压元件内泄露量增加，系统效率 降低；液压油温度过低，会使油液的粘度过大，造成液压油泵吸油困难。 所以液压油温度过高或过低都会引发系统工作不正常，在本系统中考虑到 驱动冷却风扇电机的电源由车载电源( 发电机和蓄电池) 提供，为避免电 机频繁运转消耗电能过多，根据对液压的技术要求和调研论证我们把液压 油工作温度设定在5 0 6 0 范围内。即液压冷却系统中冷却风扇开始工 作的上限温度为6 0 c ，停止工作的下限温度为5 0 。 液压油冷却系统通过液压油温度传感器检测液压油温度，并将液压油 温度信号传给电控单元e c u ，当液压油温度达到上限温度6 0 。c 时，则电 控单元e c u 输出脉冲信号，启动电动机驱动冷却风扇开始工作，同时电 控单元对每次采样值进行判断，一旦测量到温度低于下限温度5 0 。c ，则 风扇停止工作，且当油温从6 0 开始下降时，如果油温仍高于5 0 ，则 风扇继续工作，直到油温下降到5 0 。 3 液压马达和液压油泵的设计选型 3 1 液压马达的选型 3 1 1 液压马达类型的确定 液压马达的作用是把液体的压力能转换为机械能，属于液压执行元 件。它输入液压能，并以旋转运动向外输出机械能，得到的是输出轴上的 转速和扭矩。 液压马达按额定转速不同可分为转速高于5 0 0 r m i n 的高速液压马达 和转速低于5 0 0 r m i n 的低速大转矩液压马达。由于低速液压马达体积大、 转速低，而该设计系统所匹配的发动机安装空间较小，所需散热量较大， 要求风扇转速较高等，因此不能选用低速液压马达。而高速液压马达具有 转速较高、转动惯量小，又便于启动和制动，调速灵敏度高等优点，且输 1 6 山东农业大学硕士学位论文 出转矩通常为几十n m 到几百n m ，正好满足该设计系统所需转矩范围，所 以选择高速液压马达。高速液压马达按排量是否可调又分为定量式和变量 式马达两种，由于变量式液压马达结构复杂，成本较高，所以本设计系统 选用定量式液压马达。 常用的定量式高速液压马达有齿轮式、叶片式和轴向柱塞式等。其中， 叶片式液压马达通常是双作用定量马达，是利用径向插入槽内的叶片间容 积的变化来完成马达的作用的，其体积小，转动惯量小，动作灵敏，可以 频繁换向，所以通常适用于换向频率较高的场合，但泄露量较大，低速工 作时不稳，不宜在低速下工作。而本系统所驱动的风扇工作中只需单向旋 转，不需换向，故叶片马达不符合系统设计要求。一般来说，轴向柱塞式 液压马达都是高速马达，输出扭矩小，工作中必须通过减速器来带动工作 机构，造成系统结构复杂，适用于负载较大的场合，而本设计系统中液压 马达只驱动风扇和水泵，负载较小，所以轴向柱塞式液压马达也不适合本 设