摘 要：在筑路機械中冷卻系統是非常重要的一大耗能系統，其性能的好壞，在很大程度上影響著工程質量、工程進度乃至作業成本，針對當前筑路機械冷卻系統存在的問題，提出了筑路機械冷卻裝置液壓驅動系統總體設計方案，可以在大大減少冷卻系統耗能、降低作業成本的同時，還可以大幅度提高筑路機械的工作效率、延長發動機的使用壽命、降低噪聲，提高筑路機械的工作性能。

關鍵詞：筑路機械；冷卻系統；液壓驅動

1 當前筑路機械冷卻系統存在的問題

筑養路機械經常低速大負荷工作在高溫、多粉塵的惡劣環境中，使用這些設備時，發動機產生的熱量多，又沒有良好的迎風散熱條件，所以常常出現發動機過熱和液壓油溫度過高等現象，致使設備不能正常工作，既增加了作業成本，又影響了工程進度。同時，在高速、中小負荷工作時，冷卻能力嚴重過剩，使發動機預熱緩慢，傳熱損失太多，導致發動機過度冷卻，從而造成燃油浪費，發動機零件的磨損增加等。

導致以上問題的原因之一是目前國內該類機械中冷卻風扇一般采用傳統的驅動方式。傳統驅動方式中冷卻風扇一般是和水泵一起由發動機曲軸通過v型皮帶以定傳動比驅動，使冷卻空氣通過散熱器帶走冷卻水的熱量。這種機械驅動方式，使風扇的冷卻能力僅隨發動機的轉速而變，卻不能隨發動機的熱狀態和環境溫度的改變而自動變化，所以必然會造成低速、大負荷在工地上工作時，冷卻能力嚴重不足，而高速、中小負荷工作時冷卻過度等現象，從而不能完全滿足實際散熱需要等問題。另外，該冷卻系統的冷卻能力是按最大熱負荷工況設計的，所以還存在著啟動轉矩較大，預熱時間長，風扇耗能大等不足。該冷卻系統在冷卻發動機的同時，還擔負著工程機械傳動系統和液力舉升以及轉向系統液壓油的散熱任務，散熱強度非常大，但由于驅動方式的限制，使風扇的安裝位置受限，同時也限制了散熱器的安裝位置。冷卻風扇的傳統驅動方式及散熱器的安裝普遍如圖所1所示。

由圖1可以看出，冷卻風扇的傳統驅動方式結構簡單，成本較低，但因一個風扇同時完成發動機和其它系統液壓油的冷卻工作，所以必須把多個散熱器都安裝在風扇前面。冷卻空氣進入液壓油等散熱器5時的溫度為周圍環境空氣溫度tq，假設經過液壓油等散熱器5后即進入發動機散熱器6時的空氣溫度為此，由于冷卻空氣經過散熱器5時吸收熱量，所以冷卻空氣的溫度兒>to；同時由于散熱器5的阻擋作用，使冷卻空氣的流動速度降低。

因此，這種并置式的安裝方式增大了冷卻空氣的流動阻力，減小了冷卻空氣與冷卻液之間的溫差，從而降低了冷卻空氣與散熱器中冷卻液的熱交換速度，影響了散熱效果，這樣，該機械不僅增加了發動機的功率消耗，而且低速大負荷工作一段時間后，易造成發動機過熱或液壓系統過熱而暫停工作的現象。

筑路機械長時間在過熱溫度下工作會帶來以下不良后果：（1）過高的溫度會造成發動機充氣系數下降，致使燃油不正常燃燒（不完全燃燒、爆燃、早燃等），從而增加了耗油率，降低了輸出功率；（2）發動機經常在過高溫度下工作，會使高溫零件（如活塞、氣缸蓋等）的剛度和強度下降很大，造成磨損加大，影響該部分零件及周圍結構的可靠性及使用壽命，嚴重時發生變形甚至折斷，造成發動機發生故障甚至報廢。（3）過高的溫度會造成潤滑油變質和燒損，最終會導致潤滑系統工作不良，使零件的摩擦和磨損加劇，從而增加了內部消耗，降低了發動機的使用壽命；（4）液壓傳動系統液壓油溫度過高，將使油液迅速老化變質，同時使油液的粘度降低，造成元件內泄露量增加，系統效率降低。

筑路機械長時間在過低溫度下工作會帶來以下不良后果：（1）內燃機經常在過度冷卻（冷卻水溫40－50攝氏度）下使用時，其零件磨損加劇，比正常工作溫度（80－90 攝氏度）下運轉大好幾倍。（2）液壓傳動系統油溫過低，將使油液的粘度過大，造成油泵吸油困難；（3）發動機工作粗暴，散熱損失和摩擦損失增加。

2 筑路機械冷卻裝置液壓驅動系統總體設計方案

在筑路機械中，主要發熱部分是發動機，和擔負著筑路機械傳動系統、液力舉升以及轉向系統的液壓系統，且兩者的正常工作溫度范圍不同，即對冷卻系統的要求不同，因此，結合以上分析，在本課題的設計方案中，將兩個發熱部分分別冷卻，相應散熱器和風扇等分開放置，形成兩個獨立的冷卻系統，分別對發動機和液壓傳動系統進行冷卻。設計原理如圖2所示：

由工作原理圖可以看出，整個冷卻系統分為發動機冷卻系統和液壓油冷卻系統兩個部分，它們共用一個電控單元（ECU）通過不同溫度傳感器分別對發動機冷卻系統的風扇和水泵轉速及液壓油冷卻系統的風扇轉速進行同時控制。其中發動機冷卻系統中的冷卻風扇和水泵采用液壓驅動系統，油路中的壓力可以根據冷卻液溫度的變化由先導式電磁比例溢流閥控制，從而使系統實現對冷卻風扇和水泵轉速的無級調節。液壓油冷卻系統中的冷卻風扇由電機驅動，它的啟動、停止可以在液壓油溫度達到上下極限值時由電控單元ECU控制。

該系統設計方案是在進行了大量的文獻資料調研和實地考察論證之后加以制定的，工作中能夠實現液壓驅動冷卻系統的調速性能控制，使液壓驅動冷卻系統能夠基本滿足筑路機械的散熱要求。

3 系統具體技術路線及實現的功能

3.1 發動機冷卻系統

（1）組成特點。由圖2看出，發動機冷卻裝置采用液壓驅動，系統液壓基本回路采用無級調壓回路，回路中由于溢流閥有溢流，所以液壓泵的出口壓力就是溢流閥的調整壓力并基本保持恒定（定壓）。改變溢流閥的調整壓力即可改變系統壓力?；芈分锌蛇x用先導型電磁比例溢流閥進行液壓控制，這種控制方式具有穩壓精度高、過流量大、控制過程連續可靠等優點。

發動機的冷卻系統由冷卻液溫度傳感器、電控單元（ECU）、電磁比例溢流閥、液壓泵、液壓馬達、油箱、冷油器及粗、精過濾器等組成。系統由冷卻液溫度傳感器檢測發動機的冷卻液溫度，并將冷卻液溫度信號傳給電控單元ECU。ECU處理該信號后，發出控制信號，既而調節先導型電磁比例溢流閥的輸入電流，由于電磁比例溢流閥的調整壓力與輸入電流成比例，所以隨輸入電流的改變，可改變節流回路的溢流量，從而改變溢流閥的調整壓力，調節發動機冷卻風扇液壓驅動系統及液壓馬達的進出口壓力差，油壓的改變就會對冷卻風扇和水泵起到調速的作用。

為避免冷卻風扇頻繁啟動給液壓驅動系統、冷卻系統造成沖擊，克服液壓馬達啟動效率低的缺點，同時確保系統安全可靠，當發動機溫度較低時，冷卻風扇應在一個最低穩定轉速下連續運轉，風扇的最低穩定轉速由電磁比例溢流閥全開時確定，此時風扇消耗的功率忽略不計。

為了不使冷卻功率過高而產生噪聲，風扇的最高轉速，即電磁比例溢流閥最高壓力，可按最大熱負荷工況確定，改變控制電流，就可在最大與最小之間改變風扇的轉速。

（2）控制原理。由以上分析可知，發動機溫度測控系統是一種動態隨機測控系統，系統可根據當前冷卻液溫度和目標冷卻液溫度調節比例閥的控制電流。在發動機冷卻系統中，冷卻水的正常工作溫度范圍一般為80－90攝氏度，最高不超過95攝氏度。因此，該液壓驅動風扇冷卻系統中80℃為控制系統維持風扇最低轉速工作的下限溫度，如果在系統的控制過程中，溫度傳感器測量結果超過90℃時，系統便控制風扇和水泵以最高轉速運轉，隨著冷卻風扇和水泵的高速旋轉，發動機的溫度逐漸降低，此時電控單元ECU根據冷卻液溫度傳感器檢測的溫度信號，發出控制信號，調節先導型電磁比例溢流閥的輸入電流，隨輸入電流的降低，電磁比例溢流閥增大節流回路的溢流量，從而減小溢流閥的調整壓力，降低液壓馬達的進出口壓力差，使冷卻風扇和水泵的轉速隨發動機溫度的降低而減小，直至把冷卻液的溫度降至80℃：當冷卻液溫度傳感器檢測到冷卻液的溫度低于80℃時，系統中電磁比例溢流閥全開，以最大溢流量溢流，使冷卻風扇和水泵在一個最低穩定轉速下連續運轉，直至冷卻液的溫度超過90 ℃。這樣，該設計系統就能根據發動機冷卻液的溫度，自動調整冷卻風扇和水泵的轉速，以滿足筑路機械發動機低速大負荷工作時的最嚴重熱負荷工況的散熱要求。因此，該冷卻裝置液壓驅動系統不僅能控制冷卻風扇的最高轉速與最低轉速，而且還能根據冷卻液的溫度測量結果及測量的變化情況在最高轉速與最低轉速之間進行變速控制。

3.2 液壓油冷卻系統

如圖2所示，液壓油的冷卻風扇采用電動機驅動。液壓系統中的液壓油溫度，一般應控制在30－50℃范圍內，最高不應高于70℃，最低不應低于15℃。在液壓傳動系統中，液壓油溫度過高，將使油液迅速老化變質，同時使油液的粘度降低，造成液壓元件內泄露量增加，系統效率降低：液壓油溫度過低，會使油液的粘度過大，造成液壓油泵吸油困難。所以液壓油溫度過高或過低都會引發系統工作不正常，故為保證液壓傳動系統能正常工作，我們將系統中液壓油溫度控制在50－60℃范圍內。因此，在液壓油冷卻系統中冷卻風扇開始工作的上限溫度為60℃，停止工作的下限溫度為50℃。

液壓油冷卻系統由液壓油溫度傳感器將液壓油溫度信號傳給電控單元ECU，ECU判斷液壓油溫度是否達到風扇開始工作的上限溫度60℃， 如油溫達到最高溫度，則電控單元ECU輸出脈沖信號，啟動電動機驅動冷卻風扇開始工作，同時電控單元ECU對每次采樣值進行判斷，一旦測量到溫度低于了風扇停止工作的下限溫度50℃，則風扇停止工作。因而該控制對液壓油冷卻系統進行的是開關控制。

［1］劉嚴俊.液壓與氣壓傳動［M］.北京：機械工業出版社，2003，（1）.

［2］左健民.液壓與氣壓傳動［M］.北京：機械工業出版社，2004，（2）.

［3］李冰，李自光.我國工程機械行業的發展機遇與趨勢［J］.工程機械與維修，2003，（9）：64-66.