（农业机械化工程专业论文）筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计.pdf

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b u i l d i n gm a c h i n e r y t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，h y d r a u l i cl i f t i n g a n d s t e e r i n gs y s t e m a 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 y t h i s t y p e o f d r i v i n gm e t h o d c a u s e dt h ee n 百n eo fr o a d - b u i l d i n gm a c h i n e r yh a s h i g hs t a r tt o r q u e ，l o n gp r e h e a t i n gt i m e ，u n d e r c o o l i n ga tl o w s p e e dh i g h l o a d a n do v e r c o o l i n ga th i 曲一s p e e dl o w l o a d ，u n r e a s o n a b l ec o o l i n g ，a n dt o om u c h p o w e rc o n s u m p t i o nb y t h ef a n ，w h i c hd e c r e a s e dt h ep o w e r o u t p u t ，a n dt h ef i x l o c a t i o no f t 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 、，i n g w 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 n 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 r c o o l i n go ft h e h y d r a u l i c t r a n s m i s s i o n s y s t e mw h i c ho f t e nh a p p e n u n d e rc o n s t r u c t i o no f r o a d b u i l d i n gm a c h i n e r y , b u t a 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 t h et h e s i sd e s c r i b e si nd e t a i lt h ec o o l i n gs y s t e mo p e r a t i n gp 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 nh y d r a u l i c e l e m e n to ft h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mo nt h er o a d - b u i l d i n gm a c h i n e r ye n g i n e c o o l i n gd e v i c e ，a n dt h es e l e c t i n ga n dm a t c h i n go f p r o p o r t i o n a ls p i l lv a l v ea n d o t h e rd e s i g n s ，e t c t h ef e a t u r ea n df u n c t i o nt ob ep e r f o r m e do ft h es y s t e m ： b e i n g d i f f e r e n tt ot h et r a d i t i o n a ls i n g l ec o o l i n gs y s t e m ，t h i ss y s t e md i v i d e dt h e w h o l es y s t e mi n t ot w o p a r t s ：c o o l i n gs y s t e m f o re n g i n ea n dc o o l i n gs y s t e mf o r 3 篓堕垫塑堡塑矍塞堕墨坚垫墨堕墼堡生 h y d r a u l i co i l ，a n db o t ho f t h e ma r ec o n t r o l l e db ye l e c t r o n i cc o n t r o l l e du n i t t h ec o o l i n gs y s t e mo fe n g i n ea d o p t e dt h ew a yo fh y d r a u l i cd r i v i n gt or e a l i z e t h e s t e p l e s s s p e e dr e g a l a t i o n o ft h ef a n 。t h e s y s t e m c a r l a d j n s t t h e c o n t r o l c u r r e n to ft h ep r o p o r t i o n a lv a l u ea c c o r d i n gt ot h ec o o l a n tt e m p e r a t u r e a n dt h et a r g e tc o o l a n tt e m p e r a t u r es oa st oc o n t r o lt h es p e e do ft h ef a n t h e c o o l i n gs y s t e mf o rt h eh y d r a u l i co i la d o p t sm o t o rd r i v e ，t h e nt h ee l e c t r o n i c c o n t r o l l e du n i tc o n t r o l st h em o t o r ss t a r t i n ga n ds t o p p i n ga c c o r d i n gt ot h e t e m p e r a t u r eo f t h eh y d r a u l i co i l t h ed r i v i n gw a y so ft h e s et w ok i n d so ff a n s w o r k i n d e p e n d e n t l ya c c o r d i n g t od i f f e r e n t c o o h n g d i r e c t i o n s t h ed e s i g ns c h e m em a d ea f t e ral a r g ea m o u n to fs c i e n c ei n v e s t i g a t i o n a n dr e s e a r c ha n do n t h e - s p o ti n v e s t i g a t i o nc a nn o to n l yr e s o l v et h ep r o b l e m s o fo v e rh e a to f e n g i n ea n du n d e r c o o l i n go fh y d r a u l i co i l ，b u ta l s oh a v et h e f o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：e a s yt of i x ，s a v i n gf u e l ，r e d u c i n gn o i s e ，s m a l lv o l u m e ， 1 1 j 曲p o w e r , e t c a n dg o o ds o c i a le c o n o m i ce f f i c i e n c yw i l lb ea c h i e v e dw h e n t h i sd e s i g ni sw i d e l ya p p l i e di nt h er o a d b u i l d i n gm a c h i n e r y k e y w o r d s ：r o a d - b u i l d i n gm a c h i n e r y ；c o o l i n gs y s t e m ；p r o p o r t i o n a ls p i u v a l v e ；f a n 4 山东农业丈学硕士学位论文 1 前言 1 1 发动机冷却系统 1 1 1 冷却系统的功用 内燃机工作时，缸内燃油燃烧所产生的热量只有一部分转化为有效 功，其余大部分则损失掉，其中需要靠冷却介质带走的热量约占燃油总热 量的1 3 左右【”。燃油雾化混合物在气缸内燃烧过程中温度高达1 7 3 0 2 4 0 0 o c 2 1 ，会使直接与高温气体接触的机件( 气门、气缸盖、气缸套、气缸壁 及活塞等) ，由于吸收了大量的热量，温度迅速升高，机械强度下降。这 样大的一部分热量，这样高的温度，单靠内燃机的自然散热和迎面冷风冷 却散热器是远远不能满足散热要求的，所以为了确保内燃机有足够的冷却 强度，必须保证有必要的冷却通风量，因此必须使用冷却风扇组织一个比 较有效的冷却系统，对工作在高温条件下的各个机件主动进行适度冷却， 以保证内燃机工作在最佳温度范围内。 1 1 1 2 冷却系统的有效性及传热分析 冷却系统的功用或效能，可用冷却系统的有效性来表示。冷却系统的 有效性，用传热介质( 冷却水、机油、传动油等) 的温度r ，与周围环境空 气温度f 。的差值出来表征，即 a t = t ，一f q ( 1 - 1 ) f 越小，则系统有效性就越高，即冷却效果好。当环境温度为r 。、从发 动机或传动装置等流出的传热介质的温度达到允许极限时，该环境温度f 。 就被认为是冷却系统效能的极限。对于活塞式发动机，冷却水的正常工作 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 温度范围为8 0 9 0 * 0 【3 】；液压传动系统中，液压油的温度一般应控制在 3 0 5 0 范围内 “。 为确保内燃机工作在最佳温度范围内，冷却系统必需有热源和冷源。 对于各类汽车和拖拉机，发动机气缸内的高温燃气是冷却系统的主要热 源；对于工程机械( 如筑路机械等) ，除高温燃气外，还有传动装置运动 件和液压油因其它形式的能量转化成热能所形成的热源。冷却系统的冷 源，是车辆周围环境。典型的车辆冷却系统的传热，是把热源传导到受热 件上的热，依靠传热介质把它吸走并传输到冷却系统的热交换器( 水散热 器、油冷却器等) 中，再由车外吸入的冷却空气疏散到冷源中去，以保持 发动机和传动装置等正常工作的热状态，如图1 1 所示。 圈l - 1 发动机冷却系统敖热过程 f i g 1 - it h e h e a t d i s s i p a t i o n c o u r s eo f | t h e e n g i n e c o o l i n g s y s t e m 由图可见，冷却系统能否及时地将发动机受热件和传动装置发热件的 热传输到车外环境中散掉，与冷却系统的水散热器、油冷却器等热交换器 有密切的关系，影响冷却系统散热性能的因素主要有：散热器的散热面积、 单位时间内散热器的通风量和系统的水循环性能。因此，如果散热器已确 定，要提高冷却系统的散热性能，可从减小风阻、增大通风量、改善散热 器的水循环性能1 5 和增大散热器内外两侧的温差等方面入手。 6 山东农业大学硕士学位论文 1 2 课题背景 1 2 1 当前筑路机械冷却系统存在的问题 筑养路机械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，所以常 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，既 增加了作业成本，又影响了工程进度。同时，在高速、中小负荷工作时， 冷却能力严重过剩，使发动机预热缓慢，传热损失太多，导致发动机过度 冷却，从而造成燃油浪费，发动机零件的磨损增加等。 导致以上问题的原因之一是目前国内该类机械中冷却风扇一般采用 传统的驱动方式。传统驱动方式中冷却风扇一般是和水泵一起由发动机曲 轴通过v 型皮带以定传动比驱动，使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，所以必然会造成低 速、大负荷在工地上工作时，冷却能力严重不足，而高速、中小负荷工作 时冷却过度等现象，从而不能完全满足实际散热需要等问题。另外，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， 还担负着工程机械传动系统和液力举升以及转向系统液压油的散热任务， 散热强度非常大，但由于驱动方式的限制，使风扇的安装位置受限，同时 也限制了散热器的安装位置。冷却风扇的传统驱动方式及散热器的安装普 遍如图所1 2 所示。 由图1 2 可以看出，冷却风扇的传统驱动方式结构简单，成本较低， 但因一个风扇同时完成发动机和其它系统液压油的冷却工作，所以必须把 多个散热器( 如液压油等散热器5 、发动机散热器6 ) 都安装在风扇前面。 7 筑路机械玲却装置液压驱动系统的设计 图1 - 2 冷却风厨传统驱动方式及散热器的安装 f i g 1 2 t h e t r a d i t i o n a l d r i v e w a y o f t h e c o o l i n gf a na n d i n s t a l l a t i o n o f r a d i a t o r 1 变速器2 发动机3 风扇皮带轮( 主动) 4 风扇皮带5 液压油等散热器 6 发动机散热器7 ，冷却风扇8 风扇皮带轮( 从动) 冷却空气进入液压油等散热器5 时的温度为周围环境空气温度t 。，假 设经过液压油等散热器5 后即进入发动机散热器6 时的空气温度为f ：，由 于冷却空气经过散热器5 时吸收热量，所以冷却空气的温度f ： ，。；同时 由于散热器5 的阻挡作用，使冷却空气的流动速度降低。 因此，这种并置式的安装方式增大了冷却空气的流动阻力，减小了冷 却空气与冷却液之间的温差，从而降低了冷却空气与散热器中冷却液的热 交换速度，影响了散热效果，这样，该机械不仅增加了发动机的功率消耗， 而且低速大负荷工作一段时间后，易造成发动机过热或液压系统过热而暂 停工作的现象。 筑路机械长时间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气系数下降，致使燃油不正常燃烧( 不 完全燃烧、爆燃、早燃等) ，从而增加了耗油率，降低了输出功率； ( 2 ) 发动机经常在过高温度下工作，会使高温零件( 如活塞、气缸盖 等) 的刚度和强度下降很大，造成磨损加大，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，造成发动机发生故障甚 至报废【6 l ； 山东农业大学硕士学位论文 ( 3 ) 过高的温度会造成润滑油变质和烧损，最终会导致润滑系统工作 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； ( 4 ) 液压传动系统液压油温度过高，将使油液迅速老化变质，同时使 油液的粘度降低，造成元件内泄露量增加，系统效率降低； 筑路机械长时间在过低温度下工作会带来以下不良后果： ( 1 ) 内燃机经常在过度冷却( 冷却水温度4 0 5 06 c ) 下使用时，其零 件磨损加剧，比正常工作温度( 8 0 9 0 c ) 下运转大好几倍 3 】； ( 2 ) 液压传动系统油温过低，将使油液的粘度过大，造成油泵吸油困 难； ( 3 ) 发动机工作粗暴，散热损失和摩擦损失增加。 1 2 2 当前发动机冷却风扇驱动方式的发展及现状 随着社会文明的进步，人们对于车用发动机的性能要求也越来越高， 降低耗能、减少噪声已是现代车用发动机设计必须考虑的两大问题，发动 机传统冷却系统中的冷却风扇不仅是一个明显的耗能部件，而且也是一个 较大的噪声源【7 1 。为解决发动机冷却风扇传统驱动方式所带来的问题，当 前对冷却系统风扇驱动方式的改进方案主要集中在以下三个研究方面： 1 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，最常用的离合 器式风扇是硅油离台器式风扇，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。该风扇在工作过程中受剪切作用的油膜 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【8 】。 9 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 离合器式风扇可以将发动机的工作温度控制在一定的范围内( 如：常 用的硅浊离合器风扇可将内燃机温度控制在8 0 - 9 5 。c 范围内【9 】) ，与传统风 扇相比具有明显的节能效果( 可节油3 o ) r i 0 】，而且离合器体积小， 安装方便，目前在车辆上得到广泛的使用。 但是离合器式风扇在离合器结合时，冷却系统仍然是由发动机带动的 定传动比驱动，因此定传动比驱动冷却风扇的缺点没有从根本上得到解 决，而且风扇的安装位置受到限制，从而限制了散热器的安装，由此带来 的冷却空气流动阻力增如，风扇耗能大的问题无法解决。并且离合器式风 扇在高速下的频繁离合，会给发动机造成新的载荷和热应力冲击，长期的 运转必然会降低发动机和散热器的使用寿命；实验表明，离合器高速状态 下的频繁离合，使内燃机各项性能指标值不断跳跃，造成内燃机、传动系 及整车工作的不稳定，并使噪声加大嘲。 2 ) 电动冷却风扇 同样为了解决耗能河题，在2 0 世纪8 0 年代，发达国家开始研究电动 冷却风扇，该风扇利用电机驱动。最早的电动冷却风扇是在1 9 8 1 年美国 的一个专利号为u s 4 2 5 7 5 5 4 的文件中提出的i “】，该专利首次提出了用电 动冷却风扇取代发动机益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，所以电动冷却风扇停止工作。该专利利用汽车行驶中迎面风这一 自然能量对散热器的冷却作用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 具有重要的进步意义。 但是该电动冷却风扇没有护风罩，必然引起风机效率低，因此要想满 l o 山东农业大学硕士学位论文 足散热要求，必须有很高的驱动功率，即电能消耗大，因此受到车载电源 的限制，只能应用在热负荷比较小的轿车散热器上。以后随着技术的发展， 人们逐渐对电动风扇进行改进，形成了自控电动冷却风扇如图1 3 1 2 1 。 图卜3 自控电动冷却风扇 f b l 3t h ea u t o m a t i cc o n t r o le l e c t r i cc o o l i n gf a n l _ 散热器2 温度传感器3 导风罩4 冷却风扇5 直流电动机6 继电器 其后，随着计算机电控技术在车辆上的运用，电动风扇已经实现了智 能控制，节能效果明显。而且利用电机驱动风扇，使得风扇的安装位置自 由，也就解决了由散热器并置安装所带来的空气阻力增加，造成能耗增加 的问题。在韩国现代汽车公司生产的奏鸣曲( s o n a t a ) 牌轿车上，设计 者就用两个相对独立而又相互联系的电子控制的冷却风扇，这两个风扇分 别用于冷却发动机散热器和空调冷凝器散热器，利用e c u 对冷却液温度 和空调冷凝器温度进行多级联合控制，这种系统可以根据冷却水温度和空 调系统的工作状态不同对风扇的转速进行分别地控制1 3 】。 电动风扇可以实现风扇在不同工况下转速不同，风扇、散热器位置安 装灵活，增加了风扇容积效率，提高了冷却效果，因此电动风扇具有明显 的节能效果。但是，由于用于驱动风扇的电机是由蓄电池提供电源，所以 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 风扇的功率受到车用电源的限制，电动风扇只能适用于小型公路车辆上的 使用【1 4 】。 3 1 液压驱动风扇 鉴于以上两种驱动系统存在的问题，八十年代中期，美国、德国、日 本及瑞典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，从而实现内燃机最佳温度控制，这是一种新型 的风扇驱动装置，系统工作原理如图1 - 4 所示【9 】： 咧1 - 4 踱压驱动风厨冷却系统工作原理 f j g 1 - 4t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f t h eh y d r a u l i cd r i v ef a nc o o l i n gs y s t e m 1 冷却液温度传感器2 电控单元3 比例阀4 油泵5 油箱6 冷油器 7 油马达8 粗滤嚣9 精滤器 由工作原理图可以看出，该系统一般由冷却液温度传感器、电控单元 ( e c u ) 、比例阀、液压油泵、油箱、冷油器、液压马达及过滤器等组成。 由冷却液温度传感器将冷却液温度信号传给e c u ，由e c u 处理冷却液温 度信号后，发出控制信号，通过比例阀调节液压系统油压，从而实现液压 马达及风扇转速的无级调节。丰田公司在其产品( 如i v z - f e 内燃机) 上 装用了这种驱动装置，这种控制方式具有可控的无级调整的风扇与水泵转 速，能使内燃机工作处于最佳温度状态，有明显的节油降噪效果；安装灵 山东农业大学硬士学位论文 活( 既可以与动力转向系统共用同一泵源，也可与冷却水泵同轴安装) ， 系统简单，节约能源，易于实现通用化、标准化及系列化，便于推广应用。 1 3 液压传动的优缺点及液压调速方式 1 3 1 液压传动的优缺点 液压传动相对于机械传动来说，是一门新兴技术。液压技术的发展是 与流体力学的理论研究成果和工程材料、液压介质等相关学科的发展紧密 相连的。1 6 5 0 年帕斯卡提出了封闭静止液体中压力传播的帕斯卡原理； 1 6 8 6 年牛顿揭示了粘性流体的内摩擦定律：到1 8 世纪，流体力学的两个 重要方程连续性方程和伯努利能量方程相继建立，这些理论为液压技 术的发展奠定了理论基础。1 7 9 5 年英国人布拉墨发明了第一台水压机， 是他首先利用水不仅进行能量传递，而且传递控制信号，标志现代液压技 术工程应用的开始。 液压传动是利用液体作为工作公质利用液体的压力进行能量传递控 制。与其它传动方式相比，液压传动有其独特的优点： ( 1 ) 由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地 布置传动机构，这是比机械传动优越的地方。因此如将筑路机械发动机冷 却风扇传统驱动方式改为液压驱动，即可将发动机散热器和其它系统液压 油散热器分开安装，这样既减小了风阻、又增大了散热器内外两侧的温差， 从而改善了散热器的水循环性能。 ( 2 ) 可在大范围内实现无级调速。借助控制阀或变量泵、变量马达 可在工作中实现大范围的无级调速，传动比可达1 0 0 ：1 2 0 0 0 ：1 1 1 5 1 ，并 可在液压装置运行的过程中进行调速。这样可从根本上改交传统驱动方式 定传动比的缺点，使风扇的转速在一定范围内随发动机的热状态和环境温 度的改变而自动变化，从而使内燃机工作处于最佳温度状态。 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 ( 3 ) 在相同功率的情况下，液压元件体积小、重量轻、结构紧凑、惯 性小。例如，液压马达的体积只有同等功率电动机的1 2 左右【】6 j 。液压泵 和液压马达单位功率的重量指标，目前是发电机和电动机的十分之一，即 液压元件的功率一质量比大，如在典型情况下，发电机和电动机的功率一 质量比仅为1 6 5 w k g 左右，而液压泵和液压马达可达1 6 5 0 w k g 1 7 1 。 ( 4 ) 液压传动借助子各种控制阀，使液压传动的控制比较简单，操作 比较方便省力，特别是采用液压控制和电气控制结合使用时，容易实现自 动化。 ( 5 ) 液压工作介质其有弹性和吸振能力，使液压传动传递运动均匀平 稳可靠，负载变化时速度较稳定。正因为此特点，可以降低发动机的噪音。 ( 6 ) 液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和 推广使用。 液压传动虽然存在许多优点，但也存在一些缺点： ( 1 ) 液压传动以液体作为工作介质，在液压元件相对运动中无法避免 泄漏，再加上液体压缩性，难以实现严格的传动比。 ( 2 ) 液体粘度和温度有密切关系，当粘度随温度变化时，将直接影响 泄漏、压力损失及通过元件的流量。所以液压系统不易在很高和很低的温 度下工作。 ( 3 ) 液压系统中能量要经过两次转换，故传动效率低，工作可靠性目 前还不如机械和电力传动。 ( 4 ) 液压元件的制造精度要求高，使用、维修要求有一定的专业知识 和较高的技术水平，故障原因较难确定。 总的说来，液压传动有许多优越性，但液压传动的缺点也不能忽视。 为了提高其竞争能力，液压传动技术也正借助现代科技的支持及相关学科 的科技成果不断发展，使其缺点不断被克服，性能不断提高，应用领域不 1 4 山东农业大学硕士学位论文 断扩大。液压传动技术将会得到更加广泛的应用。 1 t 3 。2 液压调速方式 液压调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速三 种。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 调速的目的，这种调速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。容积节流调速是采用变量泵和流量阀相配合的调速方法，虽 然这种调速回路效率较高，速度稳定性较好，但其结构比较复杂。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，这种调速回路结构简单、可靠，成本低，使用维修方 便，但由于这种系统必须有溢流阀，故效率低，发热大，多用于功率不大 的场合，一般内燃机冷却风扇液压驱动系统，调速方式可采用节流调速。 根据流量阎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，而进油节流调速起动冲击较小，非常适 用于冷却风扇的驱动系统。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，由于开式回路结构简单，散热性好，所以该回路采用开式 循环形式，即液压泵从油箱吸油，压力油流经系统释放能量后，再排回油 箱。 液压伺服系统按控制信号可以分为机液、电液和气液伺服系统三种。 在机液伺服系统中，输入信号给定，反馈测量和比较均用机械构件实现， 其优点是结构简单、工作可靠、维修简便；但系统的校正和系统增益的调 整都不如电的方便，所以一般是用在响应和精度要求不是很高的场合；气 液伺服系统由于需要有气源等附属设备，所以不适用在发动机上。在电液 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 伺服系统中，偏差信号的检测、校正和初始放大等均采用电气、电子元件 实现，具有很大的灵活性和广泛的适应性。所以发动机冷却装置液压驱动 系统可采用电渡控制。 1 4 课题的提出 针对筑路机械冷却系统中存在的问题，比较液压传动的优点以及三种 方案的优缺点。本课题与筑路机械匹配设计了一种新型的冷却系统，该系 统将整个冷却系统分为发动机冷却装置的液压驱动系统，和电机驱动冷却 风扇的液压油冷却系统两大部分，且分开放置，共用一个电控单元( e c u ) 通过不同温度传感器对这两部分进行同时控制。这种冷却系统克服了传统 冷却系统定传动比及单一驱动方式的缺点，综合利用两种驱动方式的优 点，减小了空气流动阻力，提高了热交换能力，解决了同时保证发动机和 液压系统工作温度精确控制的问题，另外系统还具有耗能低、安装位置灵 活、噪声低的优点。 1 4 。1 国内外对电液比例技术控制冷却系统的研究 电液比例技术控制冷却系统在一些发达国家起步较早，二十世纪八十 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 控制冷却系统。该系统具有价格低、性能可靠、耗能低实现机电结合的 优点，所以为降低能耗，减少污染，满足现代工程机械对发动机冷却系统 结构尺寸和噪声的要求，一般车用液压驱动冷却系统选用电液比例技术控 制冷却风扇的转速【瑚。 丰田凌志( l e x u s ) e s 3 0 0 轿车和亚洲龙( a v a - l o n ) 轿车所采用的 m z - f e 型发动机，以及丰田佳美( c a m r y ) 轿车采用的3 v z f e 发动机， 都应用了电液比例技术控制发动机冷却风扇系统【1 9 1 。我国最早九十年代中 期出现了相关的翻译资料，目前该项研究还处于初级阶段。 1 6 山东农业大学硕士学位论文 1 5 该课题研究的意义 我国的城市化、现代化建设，使工程机械具有良好的市场前景。根据 “十五”发展规划，“十五”期间我国将进一步加大水利、公路、铁路等 基础设施的投资，南水北调、西气东输、西电东送、青藏铁路及奥运会在 中国主办等一大批战略性重点工程的相继肩动，使工程机械行业面临着难 得的发展机遇和广阔的市场空i 司t 2 0 l 。近几年来，我国不断增加对公路建设 的投入，从2 0 0 0 年开始，国家公路建设投资每年在1 8 0 0 亿元以上，还将 投资2 7 0 0 亿元用于建设铁路网。而用于重点开发西部地区的交通建设， 1 0 年内要投资7 0 0 亿元。另外，城市人口和交通车辆的增加，迫切需要 解决交通拥堵现象。道路建设的发展，已经带动了工程机械特别是筑养路 工程机械在最近几年得到了迅猛的发展，2 0 0 1 年以来，筑路机械的产值 已在国家机械行业中占据第四位，如按7 增幅预测，预计到2 0 0 5 年筑路 机械需求总值为7 6 0 亿元左右。“十五”期间国家规划争取国产筑路机械 在国内市场占有率达到8 0 为6 1 0 亿元，出口额达到4 0 亿元人民币，共 计销售总额为6 5 0 亿元。可见筑路机械的发展前景是非常广阔的【2 l 】。 在筑路机械中冷却系统是非常重要的大耗能系统，其性能的好坏， 在很大程度上影响着工程质量、工程进度乃至作业成本，利用本课题研究 的冷却系统可以在大大减少冷却系统耗能、降低作业成本的同时，还可以 大幅度提高筑路机械的工作效率、延长发动机的使用寿命、降低噪声，提 高筑路机械的工作性能，而且该项技术也可以广泛应用在装载机械、建筑 机械和重型汽车上，因此本课题的研究结合了当前国情发展，具有巨大的 社会经济效益。 1 7 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 1 。6 研究内容及技术要求 1 。6 1 研究内容 1 1 系统总体方案的制定； 2 ) 筑路机械发动机冷却系统的匹配设计，主要根据内燃机设计、 车辆冷却传热等解决筑路机械发动机冷却系统的最大散热量与散热 器、冷却风扇、水泵的匹配问题，并在最优匹配条件下进行零部件的功率 与转速等参数的确定。 3 1 液压驱动系统的选型设计，主要解决液压风扇马达与液压油泵之 间的匹配设计，其中包括( 1 ) 通过选择较高排量的液压油泵来解决发动 机低速大负荷时，液压油泵转速低，致使液压马达及冷却风扇转速降低的 问题；( 2 ) 选用电磁比仍j 溢流阀，确定调速范围，通过比例阀溢流量保持 液压马达有最小稳定流量，从而保证冷却风扇在一个最低稳定转速下连续 运转。 4 ) 液压驱动系统与筑路机械发动机冷却系统的匹配设计，使该系统 既能节能降噪，又能实现液压驱动冷却系统调速性能的精确控制。即该系 统能够根据水温的变化，自动调节比例溢流阀的溢流量，进一步调节冷却 风扇的转速范围，满足发动机冷却要求，使发动机长时间地处在稳定工作 状态下。 1 6 2 筑路机械冷却装置液压驱动系统的要求 对于筑路机械冷却装置液压驱动系统有以下几个要求： 1 ) 能够实现液压驱动冷却系统的调速性能控制，且工作稳定可靠， 使用寿命长： 2 ) 使液压驱动冷却系统能够基本满足筑路机械的散热要求。 山东农业大学硕士学位论文 3 ) 保证发动机和其它系统液压油散热质量的同时，具有低能耗的优 点： 4 ) 工作噪声低。 2 系统的总体设计方案 2 1 系统总体方案 在筑路机械中，主要发热部分是发动机，和担负着筑路机械传动系统、 液力举升以及转向系统的液压系统，且两者的正常工作温度范围不同，即 对冷却系统的要求不同，因此，结合以上分析，在本课题的设计方案中， 将两个发热部分分别冷却，相应散热器和风扇等分开放置，形成两个独立 的冷却系统，分别对发动机和液压传动系统进行冷却。设计原理如图2 一】 所示： 由工作原理图可以看出，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，它们共用一个电控单元( e c u ) 通过不同温度传感器 分别对发动机冷却系统的风扇和水泵转速及液压油冷却系统的风扇转速 进行同时控制。其中发动机冷却系统中的冷却风扇和水泵采用液压驱动系 统，油路中的压力可以根据冷却液温度的变化由先导式电磁比例溢流阀控 制，从而使系统实现对冷却风扇和水泵转速的无级调节。液压油冷却系统 中的冷却风扇由电机驱动，它的启动、停止可以在液压油温度达到上下极 限值时由电控单元e c u 控制。 该系统设计方案是在进行了大量的文献资料调研和实地考察论证之 后加以制定的，工作中能够实现液压驱动冷却系统的调速性能控制，使液 压驱动冷却系统能够基本满足筑路枫械的散热要求。 9 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 匿2 一【系统设计原理圉 f i g2 - 1t h es y s t e md e s i g np r i n c i p l ep i c t u r e 1 冷却液温度传感器2 电控单元e c u3 电磁比例溢流阀4 精滤器5 液压泵 6 发动机7 粗滤器8 油箱9 ，水泵1 0 冷却器1 1 液压马达1 2 冷却风扇 1 3 风扇电机1 4 液压油散热器1 5 冷却渡散热器 2 2 系统具体技术路线及实现的功能 2 2 1 发动机冷却系统 2 2 1 1 组成特点 由图2 1 看出，发动机冷却装置采用液压驱动，系统液压基本回路采 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( 定压) 。改变溢流阀的调整压力即可 改变系统压力。回路中可选用先导型电磁比例溢流阀进行液压控制，这种 山东农业大学硕士学位论文 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。 发动机的冷却系统由冷却液温度传感器、电控单元( e c u ) 、电磁比 例溢流阀、液压泵、液压马达、油箱、冷油器及粗、精过滤器等组成。系 统由冷却液温度传感器检测发动机的冷却液温度，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 成比例 4 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，油压的改变就会对冷却风扇和水泵起到调速的作用。 为避免冷却风扇频繁启动给液压驱动系统、冷却系统造成冲击，克服 液压马达启动效率低