可调速液压驱动冷却系统在铣刨机上的运用

陈泽先宋波

摘要：对铣刨机采用可调速液压驱动冷却系统的必要性和可调速液压驱动冷却系统的原理进行了阐述，通过计算分析了可调速液压驱动冷却系统所消耗的功率。

关键词：液压驱动冷却系统、可调速、铣刨机、油泵排量

变量液压泵、液压马达、补油泵和分流集流阀是组成铣刨机的四个重要组成部分，通常铣刨机的液压系统中无极调速的原理都是铣刨机开始行走时，马达排量为最大值，利用油泵的比例来控制油泵的排量，从而对铣刨机的行走速度进行控制，当泵排量达到顶峰值时，铣刨机在利用对行走马达排量的控制来改变自己的行走速度。

1.铣刨机的分类

我们可以依据铣刨机的结构等特点对铣刨机进行分类。依据铣刨形式的不同可将铣刨机分为热铣刨和冷铣刨两种。热式铣刨机因为需要在机器中安装加热装置，因此铣刨机的结构相对来说更加复杂，这种铣刨机在对路面进行铣刨时会先利用丙烷气、液化气或红外线燃烧器等方式对路面进行加热处理后再进行铣刨。热铣刨方式受到的切削阻力相对较小，但所消耗的能量相对较大，通常这种方式都用于对路面的再生作业【1】。冷式铣刨就是在需要养护或旧路面上直接进行铣刨。同热式铣刨相比，冷式切削的料粒更加均匀，因此其适应范围更广，但其刀削也会受到较大的磨损。按照铣刨转子工作时的旋转方向我们也可以将铣刨机分为逆势旋转和顺势旋转两种，铣刨机工作过程中如果转子的旋转方向同行走方向相同那么其为逆铣，反之则为顺铣。

2.采用可调速液压驱动冷却系统的必要性

对于风扇冷却系统的控制，国内外铣刨机大多采用液压驱动，其系统原理图如图1所示。该系统由齿轮泵供油，单向阀起防气蚀的作用，由马达驱动风扇转动。

图1-定传动比静液压驱动冷却系统原理

从原理图可以看出，此系统不具备调速功能，风扇的转速随着发动机的转速而改变。这样做的结果是：

（1）由于风扇与发动机的传动比为定值，而发动机的温度变化较大，因此定速比传动常常使发动机过分冷却，导致无法在其最佳温度下工作而影响燃油效率。

（2）由于风扇吸收的功率与其转速的立方成正比，当发动机温度已低于限定温度时，定速比传动的风扇仍将以较高的速度运转，这必然导致大量的能量损失，同时产生较大噪音和不必要的磨损而降低元件寿命。表1简要说明了风扇转速对其吸收功率的影响。

表1-风扇转速与吸收功率测试数据

发动机冷起动时，定速比的冷却系统不利于使发动机预热到最佳温度，从而增加发动机的效率损失。

3.简析额外负载对铣刨机速度的影响

冷铣刨机处于低速工作时，为了确保其工作具有最好的经济性、动力性以及工作的生产率，应当使铣刨机各个系统的工作功率同发动机的额定工作功率大小相同。在工作条件不变的情况下驱动铣刨是消耗发动机功率的最大消耗者另外一部分功率则被牵引功率和辅助系统消耗掉了，我们也可以将其视为固定值。因此通过分析我们可以了解到当铣刨机在低速工作时，其行走速度同变量泵的输出电流将会为一种简单的直线关系，这时候铣刨机的行走系统和铣刨转子两者消耗的功率将会同电子阀的输出电流构成一种二次关系，因此当铣刨机低速工作时，铣刨机自身的行走系统将会通过工作过程中负载的变化来调节电磁阀中的电流，从而对铣刨机的行走速度进行控制，通过合理的调节使铣刨机所受的外界阻力恰好可同发动机所输出的扭矩（额定值）相互匹配，这样就可以达到自动匹配功率的效果。

冷铣刨机的行走速度主要使通过控制变量马达和变量泵的排量进行控制。下面我们依据冷铣刨机的行走特性建立铣刨机行走速度的特性方程，文中的特性方程指的是反应铣刨机的变量泵与自身的行走速度同变量马达和电子阀的电流之间关系的方程【2】。由于冷铣刨机的行走系统的控制方式是交互的形式，行走速度不仅受装置负荷控制而且需要在设置在稳定输出的基础之上。因此在设立行走特性方程之前我们需要进行以下假设：（1）发动机的旋转速度是一定值不会发生变化。（2）工作装置的负载是一定值。

4.可调速液压驱动冷却系统

为了使发动机在最佳温度下工作并达到节能的效果，现在大型铣刨机大多采用可调速静液压驱动冷却系统。可调速静液压驱动冷却系统主要有2种形式的调速，一种是采用变量泵的电液控制液压驱动冷却系统；另一种是采用旁路分流调速。

4.1变量柱塞泵组成的电液控制液压驱动冷却系统

变量柱塞泵组成的电液控制液压驱动冷却系统采用容积调速原理。该系统由发动机带动变量柱塞泵驱动定量马达，再由马达驱动冷却风扇，风扇的转速是通过调节泵的斜盘倾角改变其排量实现。泵的斜盘倾角由电液比例压力阀控制，电液比例压力阀由控制器的输出电流控制。控制器根据安装在发动机上的温度传感器以及安装在液压系统上的温度传感器采集到的信号做出处理之后输出一定的电流控制电液比例压力阀的输出压力，从而控制变量柱塞泵的输出流量。整个系统输出流量可以通过电液比例压力阀电流的调节进行无级控制。值得注意的是该系统为反比例控制，即输出的电流越大，泵的排量越小。这样在控制器失效其输出电流为零时，泵的排量最大，风扇全速运转，对发动机和液压系统起到保护作用。此种系统的主要优点在于节能；能够检测多个气液温度和开关信号；失效安全功能；风扇的转速可以无级控制；没有节流损失；自动防止故障和报警功能。但是由于采用了变量泵，成本比较高。

4.2齿轮泵和旁通阀组组成的液压驱动风扇冷却系统

齿轮泵和旁通阀组组成的液压驱动风扇冷却系统采用旁路分流原理，原理如图2所示。该系统由发动机带动的齿轮泵驱动液压马达，泵与马达之间连接了一个受控制器控制的旁通分流阀。该系统工作原理：当发动机冷却水温度、空气温度以及液压油温度低于设定值时，旁通电磁阀组合件中的电磁阀通电，液压泵输出的流量经先导阀卸荷，风扇怠速运转，系统消耗的功率小；当发动机水温、空气温度或者液压油温度高于设定值时，电磁阀断电，风扇全速运转，转速由泵的流量和马达的流量决定；当系统出现故障时，电磁阀断电，风扇全速运转，可以起到保护发动机和液压系统的作用。此种系统的主要优点是节能；控制简单；失效安全功能；成本低；对油液的要求不高，但该系统无法实现风扇的无级调速。目前，国内外大型的铣刨机大多采用此系统。

图2-齿轮泵和旁通阀组组成的液压驱动风扇冷却系统

5.系统消耗功率分析

现以某2000型铣刨机为例说明采用可调速静液压驱动冷却系统所消耗的功率。该机冷却系统的技术参数如下：发动机转速2000r/min，发动机额定功率320kW，齿轮泵力士乐1PF2G3-3X/032，马达力士乐A2FM56，系统压力15MPa，当马达全速运转时，系统工作压力系统所消耗的功率为：P1=pq=pvn/600=16kW，可知，此时驱动冷却系统所需功率占发动机额定功率的百分比为5%。

当马达怠速运转时，系统工作压力p近似为系统的背压Δp与旁通阀组损失压力之和，这里系统工作压力近似取为2MPa，则系统消耗的功率为：

P2=pq=pvn/60=2.13kw，可知，此时驱动冷却系统所需功率占发动机额定功率的百分比为0.7%。

结束语

同定传动比静液压驱动冷却系统采用可调速静液压驱动冷却系统能够保证发动机和液压系统在最佳温度下工作，缩短发动机预热时间，而且具有噪声低、节能等优点。由于现代铣刨机都采用了功率自适应控制，因此当冷却风扇怠速运转时冷却系统节省的功率可以用于铣刨，以提高发动机功率利用率及作业效率。

参考文献：

[1]张平，丁晓东.可调速液压驱动冷却系统在铣刨机上的应用[J].筑路机械与施工机械化，2006，23（7）：28-29.

[2]贺志超.浅析铣刨机中行走液压系统的速度特性[J].大科技，2014（25）.