鄭庭， 賀元成， 孟志明

（1.四川理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2.瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，四川 瀘州 646000）

工程機械液壓實驗臺冷卻系統(tǒng)研究

鄭庭1， 賀元成2， 孟志明1

（1.四川理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2.瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，四川 瀘州 646000）

液壓油作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，其溫度一般在35～65℃比較合理。文中以某工程機械液壓試驗臺為基礎(chǔ)，分析了其冷卻系統(tǒng)，并提出兩種冷卻系統(tǒng)方案，一種采用定量泵加比例溢流閥，另一種采用變量泵。通過對兩者進行分析、比較并進行試驗研究，試驗結(jié)果表明：兩者溫度變化趨勢相同了；溫變初始階段中定量泵系統(tǒng)相對變量泵系統(tǒng)油液溫升較快；兩者油溫最終都穩(wěn)定在（60±1）℃，有效實現(xiàn)液壓油溫度控制。綜合考慮，該試驗臺采用定量泵加比例溢流閥。

液壓油；工程機械；試驗臺；冷卻系統(tǒng)；溫升

0 引言

液壓油作為液壓系統(tǒng)中實現(xiàn)潤滑摩擦副和傳動動力的介質(zhì)，不僅需要根據(jù)使用目的和使用環(huán)境慎重選擇，而且要保證其工作溫度在一定范圍內(nèi)。據(jù)統(tǒng)計，液壓系統(tǒng)至少有20%的輸入功率轉(zhuǎn)化為熱量并耗散在液壓系統(tǒng)中，最終表現(xiàn)為液壓油溫的升高，這將導(dǎo)致油液黏度降低、泄漏增加、油膜破裂、氣蝕和密封件加速老化等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)性能與可靠性。因此，對液壓油冷卻方面的研究具有重要意義[1]。

工程機械工況復(fù)雜，一般長期以高負荷低轉(zhuǎn)速工作，此種情況下因液壓油溫過高導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作，影響施工的情況時有發(fā)生。本研究從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，以工程機械液壓試驗臺為出發(fā)點，進行液壓系統(tǒng)液壓油冷卻方面的研究。

1 試驗臺冷卻系統(tǒng)分析

本工程機械液壓試驗臺主要進行液壓系統(tǒng)方面的研究，是一個集數(shù)據(jù)采集與控制一體的液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)采用與負載無關(guān)的流量分配系統(tǒng)和閉式泵-馬達系統(tǒng)；加載系統(tǒng)分別為開式液壓缸加載系統(tǒng)，開、閉式馬達系加載系統(tǒng)；輔以液壓油冷卻系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)組成。試驗臺系統(tǒng)原理如圖1所示。

試驗臺工作過程中，液壓油作為傳遞能量的介質(zhì)，隨著實驗的進行，負載變化較大，會產(chǎn)生較大溫升。其中，通過主動加載或被動加載方式模擬負載的過程，都是通過比例溢流閥的溢流過程實現(xiàn)的，此過程中是系統(tǒng)油液溫升的主要原因之一。為保證液壓執(zhí)行機構(gòu)工作在最理想的溫度狀態(tài)下，需要對液壓油進行合理的冷卻。

如圖1所示，液壓油冷卻系統(tǒng)工作原理為：電機拖動液壓泵從液壓油箱中吸油，經(jīng)單向閥、過濾器輸送至風(fēng)冷式液壓油冷卻器，完成獨立抽油。液壓油冷卻風(fēng)扇由液壓馬達驅(qū)動，油箱中的溫度傳感器把溫度信號傳至單片機，控制比例溢流閥的開度，冷卻馬達由齒輪泵供油，組成自動調(diào)控冷卻回路，從而把溫度控制在30～65℃之間，實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。

圖1 試驗臺系統(tǒng)原理圖

試驗臺采用HM-46（L-AN32）抗磨液壓油，圖2為其黏溫特性曲線，由圖2可知，油液黏度隨溫度上升而下降；而黏度下降可以降低壓力損失，降低發(fā)熱功率，利于系統(tǒng)溫升的減小。對于液壓系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的理想工作溫度為35～65℃，此時油液的黏度、耐磨性和潤滑性均處于最佳狀態(tài)，系統(tǒng)傳遞效率最高。

圖2 液壓油黏溫特性曲線

工程機械液壓冷卻系統(tǒng)一般采用結(jié)構(gòu)緊湊的風(fēng)冷式散熱器進行強制散熱，通過散熱器的散熱功率、風(fēng)量之間的關(guān)系為

式中：P為散熱器的散熱功率，kW；qv為流經(jīng)散熱器的風(fēng)量，m3/s；ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；△t為散熱器進出口空氣的溫度差，℃。

通過式（1）可知，散熱器的散熱功率隨流經(jīng)散熱器的風(fēng)量成正比關(guān)系，而風(fēng)量與散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速亦成正比關(guān)系，所以散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速決定了散熱器釋放的散熱功率。

2 可調(diào)速液壓驅(qū)動冷卻系統(tǒng)

為實現(xiàn)液壓系統(tǒng)在最佳溫度下工作并達到節(jié)能的效果，大多數(shù)工程機械液壓系統(tǒng)采用可調(diào)速靜液壓驅(qū)動冷卻系統(tǒng)。目前可調(diào)速靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要有兩種形式：一種采用變量泵的電液控制液壓驅(qū)動冷卻系統(tǒng)；另一種采用定量泵的旁路節(jié)流調(diào)速液壓驅(qū)動冷卻系統(tǒng)。

2.1 變量泵組成的冷卻系統(tǒng)

采用變量柱塞泵的電液控制液壓驅(qū)動冷卻系統(tǒng)調(diào)速原理為容積調(diào)速。系統(tǒng)原理如圖3所示。該系統(tǒng)由電機帶動變量柱塞泵驅(qū)動液壓馬達，液壓馬達驅(qū)動冷卻風(fēng)扇，通過調(diào)節(jié)變量柱塞泵的斜盤傾角，改變泵的排量，從而實現(xiàn)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化?？刂破鞲鶕?jù)安裝在液壓系統(tǒng)的溫度傳感器采集到的溫度信號進行處理后輸出相應(yīng)的電流控制電液伺服閥的輸出壓力，改變泵的斜盤傾角，從而控制變量泵的輸出流量。故系統(tǒng)輸出流量可通過電液伺服閥進行無級控制。

該系統(tǒng)特點為：反比例控制，即泵的排量隨輸出電流增大而減小；能夠檢測多點溫度信號；失效安全功能；冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速無級控制；容積調(diào)速，無節(jié)流損失，更節(jié)能；因采用了變量泵，成本較高。

2.2 定量泵和比例閥組成的冷卻系統(tǒng)

采用定量泵和旁路電磁比例閥組成的電液控制液壓驅(qū)動冷卻系統(tǒng)調(diào)速原理為旁路調(diào)速原理，其原理如圖4所示。該系統(tǒng)由電機帶動定量泵驅(qū)動液壓馬達，液壓馬達驅(qū)動冷卻風(fēng)扇，通過調(diào)節(jié)比例溢流閥，改變流入液壓馬達的流量，從而實現(xiàn)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化?？刂破鲗Π惭b在液壓系統(tǒng)的冷卻單元溫度信號采樣，并對采樣信號處理，輸出控制信號至比例溢流閥調(diào)節(jié)端，改變其溢流壓力，從而控制進入液壓馬達的流量。因此，可以根據(jù)液壓油溫的高低實現(xiàn)液壓馬達的無級調(diào)速，即油溫自動控制。

圖3 變量泵組成的冷卻系統(tǒng)

該系統(tǒng)的特點為：控制簡單、失效安全功能、冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速無級控制、對油液要求不高、成本低、因采用了比例溢流閥，調(diào)速過程始終存在溢流損失。目前，國內(nèi)外的中小型工程機械大多采用此種系統(tǒng)。

圖4 定量泵和比例閥組成的冷卻系統(tǒng)

2.3 可調(diào)速液壓驅(qū)動冷卻系統(tǒng)控制原理

該控制系統(tǒng)由油溫變送器、微控單元ECU、液壓馬達、冷卻風(fēng)扇、散熱器等組成，系統(tǒng)每隔15 s左右采樣一次，將油溫變速器采集到的油溫信號傳給A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后送入微控單元單片機進行處理，輸出相應(yīng)模擬電信號，通過驅(qū)動電路，控制比例溢流閥的溢流量或者變量泵的斜盤傾角，調(diào)節(jié)流經(jīng)液壓馬達的流量，以此實現(xiàn)冷卻風(fēng)扇的自動調(diào)節(jié)。

3 冷卻系統(tǒng)散熱特性研究

為測試兩種冷卻系統(tǒng)散熱特性，以本實驗臺為基礎(chǔ)，分別采用兩種冷卻系統(tǒng)進行試驗對比，本實驗臺冷卻系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖5 控制系統(tǒng)原理圖

表1 液壓試驗臺主要技術(shù)參數(shù)

本液壓系統(tǒng)冷卻實驗在環(huán)境溫度30℃情況下進行，液壓試驗臺在室內(nèi)放置，散熱器外置在室外。試驗時，液壓系統(tǒng)模擬某一負載運動規(guī)律，分別進行開式系統(tǒng)液壓油缸的主動、被動加載，液壓馬達的主動、被動加載；閉式系統(tǒng)液壓馬達加載，實驗時間為2 h。實驗結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 馬達轉(zhuǎn)速及壓力與比例閥輸入的關(guān)系

圖7 馬達轉(zhuǎn)速及壓力與變量泵斜盤傾角變化的關(guān)系

液壓馬達與比例電磁閥并聯(lián)，實時調(diào)節(jié)比例電磁閥的電流，控制流經(jīng)馬達的液壓油流，控制馬達轉(zhuǎn)速，即可控制散熱器散熱效果。從圖6可知，隨著比例溢流閥輸入的PWM信號的增加，溢流量加大，液壓馬達轉(zhuǎn)速、壓力下降。液壓馬達與變量泵串聯(lián)，實時調(diào)節(jié)變量泵斜盤傾角的變化，控制流經(jīng)馬達的液壓油流，控制馬達轉(zhuǎn)速，即可控制散熱器散熱效果。從圖7可知，隨著變量泵斜盤傾角的增大，液壓馬達轉(zhuǎn)速增加，壓力下降，顯示了冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的過程。

液壓系統(tǒng)工作時，采用兩種液壓冷卻系統(tǒng)的油溫變化如圖8所示，可知：采用定量泵的液壓系統(tǒng)與采用變量泵的液壓系統(tǒng)溫度變化趨勢相同；在溫變初始階段，定量泵系統(tǒng)因為比例溢流閥的溢流導(dǎo)致系統(tǒng)油液溫升較快，變量泵系統(tǒng)因為沒有多余流量的溢流，系統(tǒng)溫升較定量泵系統(tǒng)慢一些，兩種系統(tǒng)溫度最終穩(wěn)定在（60±1）℃左右。兩種冷卻系統(tǒng)效果相差不大，但變量泵比定量泵價格高，而且試驗臺的工況、環(huán)境等條件沒有工程機械惡劣，因此，本實驗臺采用定量泵系統(tǒng)較為合適。

圖8 兩種冷卻系統(tǒng)液壓油溫曲線

4 結(jié)論

本研究以某一工程機械液壓試驗臺為基礎(chǔ)，從系統(tǒng)觀點出發(fā)，分析了其冷卻系統(tǒng)，并提出兩種冷卻系統(tǒng)方案，通過對兩種方案進行分析、比較并進行試驗研究，試驗結(jié)果表明：兩者溫度變化趨勢相同；溫變初始階段，定量泵系統(tǒng)相對變量泵系統(tǒng)油液溫升較快；兩者油溫最終都穩(wěn)定在（60±1）℃。通過本研究，可以有效實現(xiàn)液壓系統(tǒng)油溫的控制，并對企業(yè)今后設(shè)計制造工程機械液壓冷卻系統(tǒng)提供參考價值。

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（編輯 明 濤）

TH 137

A

1002-2333（2015）11-0053-03

四川省科技計劃項目（2013GZX0151，2014GZ0126）；過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室開放基金項目（GK201310）

鄭庭（1988—），男，碩士研究生，主要從事液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究。

2015-06-25