丁建，商高高，韓江義

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

拖拉機(jī)液驅(qū)冷卻風(fēng)扇的設(shè)計研究

丁建，商高高，韓江義

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻風(fēng)扇無法自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以滿足發(fā)動機(jī)散熱需求的缺點，設(shè)計了一套液壓驅(qū)動系統(tǒng)。對液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，根據(jù)原冷卻系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)選擇液壓元件。使用電磁比例閥控制液壓馬達(dá)實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速，可以使發(fā)動機(jī)始終工作在要求的溫度范圍內(nèi)。

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)； 風(fēng)扇無級調(diào)速； 電磁比例閥；設(shè)計；元件選擇

0 引言

柴油機(jī)在運轉(zhuǎn)時由于燃燒和摩擦產(chǎn)生的熱量會使活塞、缸套、缸蓋等發(fā)動機(jī)零件的溫度急劇升高，溫度過高會使發(fā)動機(jī)的機(jī)械性能下降，產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力、變形、裂紋和磨損，高溫也會引起進(jìn)氣變差，燃燒不正常，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性及耐久性降低。發(fā)動機(jī)工作溫度過低會使散熱損失及摩擦損失增加，零件磨損加劇，排放惡化，發(fā)動機(jī)功率下降及燃油消耗增加[1]。

傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)使發(fā)動機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件及額定工況工作時能可靠地工作，但在復(fù)雜的氣候條件下或最大扭矩工況下工作時，經(jīng)常出現(xiàn)過熱或過冷現(xiàn)象。對于大馬力機(jī)械，散熱量較多而散熱功率又大的情況，傳統(tǒng)的風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)很難滿足散熱要求。

現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率不斷提高，熱負(fù)荷也越來越高，對冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和研究工作也越來越引起很大的注意。一個良好的冷卻系統(tǒng)，應(yīng)滿足下列各項要求[2]：

1) 散熱能力能滿足內(nèi)燃機(jī)在各種工況下運轉(zhuǎn)時的需要。當(dāng)工況和環(huán)境條件變化時，仍能保證內(nèi)燃機(jī)可靠地工作和維持最佳的冷卻水溫度；

2) 冷卻系統(tǒng)消耗功率小。啟動后，能在短時間內(nèi)達(dá)到正常工作溫度；

3) 體積小，質(zhì)量輕，又便于拆裝維修；

4) 使用可靠，壽命長，制造成本低。

液壓傳動系統(tǒng)在運行中容易做到對執(zhí)行元件運動速度的無級調(diào)節(jié)，調(diào)速方便且調(diào)速范圍大，特別是隨著機(jī)電一體化的發(fā)展，與微電子、計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，使液壓傳動無級調(diào)速的應(yīng)用更廣泛。特別是在工程機(jī)械設(shè)備中液壓傳動得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

1 液壓馬達(dá)控制冷卻風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計與計算

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)控制的任務(wù)是使發(fā)動機(jī)工作在最佳溫度范圍，而風(fēng)扇是汽車發(fā)動機(jī)溫度控制的主要執(zhí)行元件，將冷卻風(fēng)扇的傳統(tǒng)驅(qū)動方式改為液壓驅(qū)動，可以使發(fā)動機(jī)工作于高效、可靠的溫度范圍內(nèi)。

1.1 系統(tǒng)總體方案的確定

a) 確定馬達(dá)的形式

根據(jù)發(fā)動機(jī)的工作條件與散熱要求來選擇液壓馬達(dá)。拖拉機(jī)在工作時發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱量大，而在不同的工況下所需散熱量差別也大，要求冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速高且可以在較大范圍內(nèi)變化。可選擇外嚙合式高速齒輪液壓馬達(dá)，該馬達(dá)對油液污染要求不高，結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，而且轉(zhuǎn)速常高于500r/min。

b) 確定油液回路方式

液壓傳動系統(tǒng)的回路有開式和閉式兩種方式。其中，開式回路中液壓泵從油箱中吸入液壓油，壓送到液壓馬達(dá)油路中，經(jīng)過馬達(dá)的回油排至油箱?；芈方Y(jié)構(gòu)簡單，散熱性好，同時便于沉淀過濾雜質(zhì)和析出氣體，比較適合拖拉機(jī)農(nóng)田工作，因此選用開式循環(huán)回路。

c) 馬達(dá)驅(qū)動控制方案

國外發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)90年代就推出了應(yīng)用電液比例技術(shù)驅(qū)動馬達(dá)控制冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的方法，根據(jù)冷卻水溫度、環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，保持發(fā)動機(jī)始終工作在最佳溫度范圍內(nèi)[4]。本設(shè)計采用電液比例控制技術(shù)控制馬達(dá)風(fēng)扇既能滿足發(fā)動機(jī)冷卻的需要，又具有節(jié)能的優(yōu)點。

d) 液壓馬達(dá)驅(qū)動冷卻系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)以上分析，設(shè)計液壓驅(qū)動系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

1—油箱；2—液壓油過濾器；3—液壓泵； 4—先導(dǎo)式電磁比例溢流閥；5—液壓馬達(dá)；6—冷卻風(fēng)扇； 7—發(fā)動機(jī)冷卻水散熱器；8—冷卻液溫度傳感器 圖1 液壓傳動系統(tǒng)總體方案

發(fā)動機(jī)工作時，冷卻液溫度傳感器8將檢測到的發(fā)動機(jī)冷卻液溫度信號傳給控制器，經(jīng)控制器處理后，發(fā)出控制電信號，調(diào)節(jié)電磁比例溢流閥4的輸入電流，從而改變溢流閥的調(diào)整壓力，繼而調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)5的進(jìn)出口壓力差，對液壓馬達(dá)5和冷卻風(fēng)扇6的轉(zhuǎn)速起到調(diào)節(jié)作用，使冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速隨發(fā)動機(jī)溫度的高低而自動調(diào)節(jié)，從而滿足發(fā)動機(jī)的散熱要求。

1.2 原冷卻系統(tǒng)中參數(shù)和風(fēng)扇功率轉(zhuǎn)矩的計算

在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中，是以冷卻系統(tǒng)需要散出的熱量為原始數(shù)據(jù)，計算冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)水量、冷卻空氣量，來設(shè)計或選用冷卻風(fēng)扇、水泵等。在進(jìn)行選型設(shè)計時通常以發(fā)動機(jī)最大功率工況(額定功率工況)下發(fā)動機(jī)的散熱量為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以保證發(fā)動機(jī)在最大負(fù)荷時的散熱量。

1) 冷卻系統(tǒng)的散熱量

冷卻系統(tǒng)散發(fā)出去的熱量與發(fā)動機(jī)的形式及功率大小有關(guān)，也受許多復(fù)雜因素的影響，很難精確計算?？梢岳媒?jīng)驗公式估算發(fā)動機(jī)的散熱量。通常用公式(1)進(jìn)行估算：

Q=AgePehu/3 600

(1)

式中：A—散熱量占總發(fā)熱量的百分比。一般拖拉機(jī)中柴油機(jī)為25%～35%?？紤]到冷卻系設(shè)計的安全性，一般取大些。

ge—發(fā)動機(jī)燃油消耗率；

Pe—發(fā)動機(jī)功率；

hu—為燃料低熱值，柴油取10.2kcal/g。

2)冷卻系統(tǒng)的水循環(huán)量

根據(jù)散入冷卻系統(tǒng)的熱量可由式(2)計算出冷卻系統(tǒng)中冷卻水的循環(huán)量qw：

qw=Q/ρw·cpw·Δtw

(2)

式中：ρw—冷卻水的密度；

cpw—冷卻水的定壓比熱容；

Δtw—冷卻水溫差，在熱平衡溫度下，冷卻水流經(jīng)發(fā)動機(jī)的溫升應(yīng)等于冷卻水流經(jīng)水箱的溫降。該值一般為6℃～12℃。

3)冷卻系統(tǒng)需要的冷卻風(fēng)量

根據(jù)散入冷卻系統(tǒng)的熱量可由式(3)計算出冷卻風(fēng)扇的扇風(fēng)量qa：

qa=Q/ρa·cpa·Δta

(3)

式中：ρa—冷卻空氣的密度；

cpa—冷卻空氣的定壓比熱容；

Δta—為冷卻空氣進(jìn)出散熱器溫差，通常Δta=10℃～30℃。

4)排風(fēng)壓

Δpa=Δpr+Δpf

(4)

式中：Δpr—散熱器的風(fēng)阻；

Δpf—除散熱器以外的風(fēng)道系統(tǒng)阻力，Δpf=(0.4～1.1)Δpr；

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇的排風(fēng)壓應(yīng)根據(jù)風(fēng)洞試驗確定，但由于條件限制在拖拉機(jī)用柴油機(jī)排風(fēng)壓的常用范圍190Pa～500Pa內(nèi)取值。

5)風(fēng)扇功率

風(fēng)扇消耗的功率主要是根據(jù)冷卻風(fēng)量和排風(fēng)壓來確定：

(5)

式中：η—風(fēng)扇總效率，一般η=0.3～0.5。

冷卻風(fēng)扇的排量、風(fēng)壓和功率消耗分別與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速一次、二次和三次方成正比，所以提高轉(zhuǎn)速是增加風(fēng)量和風(fēng)壓的有效方法，但功率的消耗也增加。

6)冷卻風(fēng)扇驅(qū)動轉(zhuǎn)矩

在發(fā)動機(jī)最大負(fù)載工況下，滿足冷卻系統(tǒng)散熱要求的冷卻風(fēng)扇最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Tf由下式可得：

Tf=9 550·Pf/nf

(6)

以型號為1204的大型拖拉機(jī)為例進(jìn)行計算，它的標(biāo)定功率為88.2kW。具體發(fā)動機(jī)參數(shù)如表1。

表1 1204大馬力拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)參數(shù)

經(jīng)計算，發(fā)動機(jī)在標(biāo)定功率工況下的冷卻系統(tǒng)計算參數(shù)如表2。

表2 額定工況下冷卻系散熱計算值

2 液壓系統(tǒng)元件計算與的選擇

2.1 液壓馬達(dá)的計算與選擇

已知液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩、負(fù)荷壓力和排量，就可以選擇液壓馬達(dá)的型號。其中輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)有1.3～1.5倍的儲備，工作壓力可根據(jù)冷卻系統(tǒng)對應(yīng)的主機(jī)類型選擇，農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車工業(yè)、小型工程機(jī)械及輔助機(jī)構(gòu)的工作壓力為10～16MPa[5-6]。

液壓馬達(dá)的排量由下式?jīng)Q定：

V=2πT/Pmηm

(7)

式中：T—液壓馬達(dá)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即為風(fēng)扇驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，13.66N·m；

Pm—液壓馬達(dá)的最高工作壓力，選取為12MPa；

ηm—液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，齒輪馬達(dá)取0.85～0.95，這里取0.95。

將數(shù)據(jù)代入式(8)得到液壓馬達(dá)的計算排量V=7.525 ml/r。

液壓馬達(dá)工作的最大理論流量：

qm0=Vnmax

(8)

式中：nmax—馬達(dá)的最大工作轉(zhuǎn)速，即風(fēng)扇的最大轉(zhuǎn)速。

根據(jù)以上參數(shù)選擇Sauer-Danfoss-Turolla的一款型號為SGM2NC/8.0BA02AAC5的雙向驅(qū)動齒輪馬達(dá)。該馬達(dá)排量為8.4 mL/r，額定壓力為25 MPa，最高工作壓力為27 MPa，最高轉(zhuǎn)速3 500 r/min，最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速700 r/min，理論輸出扭矩可達(dá)33.44 N·m，滿足系統(tǒng)的動力需求。

2.2 液壓泵的計算與選擇

根據(jù)液壓泵的最大供油量、最高供油壓力和轉(zhuǎn)速，可以選擇合適的外嚙合齒輪泵規(guī)格型號。所選的液壓泵的額定壓力應(yīng)比油路的最高供油壓力高出約25%～60%，最高供油壓力主要由液壓馬達(dá)最大工作壓力和進(jìn)油路的壓力損失來確定。

液壓泵的最大供油量可由下式計算：

qpmax≥KQmax

(9)

式中：K—考慮系統(tǒng)泄漏和溢流閥保持最小溢流量的系數(shù)，通常取1.1～1.3。

根據(jù)所選液壓泵，實際工作中輸出流量qp=12.5×2 400=3 000 mL/min=30L/min。

2.3 電磁比例溢流閥的選型

根據(jù)計算的最大供油量和最高供油壓力，即可選擇確定電磁比例溢流閥的規(guī)格型號。所選閥的額定壓力和額定流量必須大于最高工作壓力及實際通過控制閥的最大流量，且盡可能接近計算值。

根據(jù)系統(tǒng)供油量和最高供油壓力，選擇薩奧品牌Control的插裝閥PRV10-POC135-BEV，該閥額定流量為76 L/min，額定工作壓力為25 MPa，壓力工作區(qū)間為6.5～15.5 MPa，12 V電壓供電，輸入最大控制電流為1.4 A。輸入控制電流大小與比例閥溢流壓力設(shè)定為負(fù)控制關(guān)系。

2.4 輔助裝置

在設(shè)計系統(tǒng)中，輔助元件主要有油箱、濾油器和管件等。其中油箱需根據(jù)系統(tǒng)要求自行設(shè)計或使用原系統(tǒng)油箱。濾油器根據(jù)油路的通流能力、承壓能力和過濾精度選擇。其他輔助裝置可從標(biāo)準(zhǔn)件中直接選用。

3 液壓驅(qū)動系統(tǒng)控制器的設(shè)計(圖2)

圖2 系統(tǒng)控制原理

通過對控制器規(guī)則的設(shè)定，可以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)剛啟動時冷卻風(fēng)扇以最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，隨著發(fā)動機(jī)工作溫度的升高，當(dāng)溫度達(dá)到85℃～95℃時控制冷卻風(fēng)扇在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速之間運轉(zhuǎn)，使發(fā)動機(jī)在85℃～95℃區(qū)間工作，滿足冷卻系統(tǒng)的散熱需求，提高發(fā)動機(jī)的工作性能，減少冷卻系統(tǒng)的功率消耗。

4 結(jié)語

將電液比例技術(shù)應(yīng)用于車輛冷卻風(fēng)扇液壓系統(tǒng)，用液壓馬達(dá)驅(qū)動冷卻風(fēng)扇代替發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動風(fēng)扇，利用液壓傳動無級調(diào)速的特點，在任何車速下都可保證發(fā)動機(jī)冷卻水處于最佳溫度范圍，滿足發(fā)動機(jī)的散熱要求。系統(tǒng)具有節(jié)油降噪效果，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點。所以，應(yīng)開展車輛冷卻風(fēng)扇電液比例液壓系統(tǒng)的分析及試驗研究，該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 蔡耀輝，于蘊英，沈紅，等. 拖拉機(jī)設(shè)計手冊(上冊)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[2] 楊連生. 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.

[3] 路甬祥. 液壓氣動技術(shù)手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[4] 權(quán)龍，李鳳蘭. 電液比例技術(shù)控制發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇的原理及特征[J]. 汽車技術(shù)，1995,(7)：10-13.

[5] 吳海榮. 筑路機(jī)械冷卻裝置液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計[D]. 山東：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[6] 王積偉，章宏甲，黃誼. 液壓與氣壓傳動[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Research on The Tractor Hydraulic Cooling Fan ang Its Design

DING Jian,SHANG Gaogao,HAN Jiangyi

(Department of Vehicle and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

In view of the traditional engine cooling fan which can not be automatically adjusted to meet the demand of the engine cooling, this paper designs a set of hydraulic drive system; studies the hydraulic control system, according to its design parameter selects the hydraulic components and uses the motor with the electromagnetic proportional valve of hydraulic control to realize the stepless speed regulation of the fan speed, this can always make the engine work with in the range of required temperature.

engine cooling system; fan stepless speed regulation; electromagnetic proportional valve; design; components selection

丁建(1987-)，男，河南南陽人，碩士研究生，研究方向：機(jī)電一體化。

S219.031

B

1671-5276(2015)05-0216-03

2014-03-06