CN1794126A - 铣刨机冷却风扇的控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铣刨机冷却风扇的控制方法及其装置，该方法通过温度信号采集装置对发动机冷却液、进气口和液压油的温度进行采样，将采集到的信号传送给控制器，控制器根据三种冷却介质的实时温度与其理想工作温度的差异输出控制信号至电磁比例压力变量泵，通过该电磁比例压力变量泵控制定量马达和冷却风扇的转速。该装置包括温度传感器通过电缆与控制器相连，电磁比例变量泵的控制信号输入端口与控制器相连，电磁比例变量泵的输出口通过过滤器与定量马达相连，定量马达两端并联设有一单向溢流阀，定量马达与冷却装置内的冷却风扇相连。本发明能根据工况中的实际情况，实时控制冷却装置内的冷却风扇，使其对冷却装置内的各种冷却液实施精确控制。

Description

铣刨机冷却风扇的控制方法及其装置

技术领域

本发明主要涉及到大型工程机械冷却风扇的电液驱动和控制领域，特指一种铣刨机冷却风扇的控制方法及其装置。

背景技术

现有技术中，一般铣刨宽度在2米以上的大型铣刨机往往具有发动机功率大(400kW以上)、强化程度高、整机结构紧凑、采用全液压传动或部分液压传动等特点。对铣刨机的发动机而言，如果发动机冷却液温度过高，就会发生活塞、活塞环和缸套咬伤、缸盖发生热疲劳裂纹、机油变质、充气系数下降以及燃烧不正常等现象，引起柴油发动机的动力性、经济性、可靠性和耐久性的全面恶化；而冷却液温度过低则会引起柴油机工作粗暴、散热损失和摩擦损失增加以及零件磨损加剧等现象。对于进气口来说，进气温度过高会增加气缸的热负荷，会降低发动机的输出功率和增加废气排放。对于液压系统而言，液压油温过高会导致滑动表面油膜破坏，出现磨损烧伤或热涨卡死的现象，还可导致滤油器滤芯的早期老化，压损增加；导致密封件的材质脆化、泄漏加剧；导致工作油液快速蒸发气化，引起气蚀现象；导致石油基液压油产生炭化等等；油温过低，则会造成泵吸入阻力增加，系统效率下降，沿程压力损失增加进而壳体泄油压力增加，严重时会造成泵和马达的轴封损坏。综上所述，工作温度对铣刨机的影响是很大的，对铣刨机的整体寿命和工作效率起着决定性的影响，由此可知，铣刨机的风扇冷却装置是保证整机正常工作的重要组成部分。由于整机结构紧凑，发动机一般横向布置，采用水冷却器、空-空中冷器和油散热器“三合一”组合式散热器，风扇由液压马达进行驱动。

目前公知大型铣刨机的风扇驱动和控制系统基本上采用定量泵驱动定量马达，国内机型更多的采用直接驱动：在定量泵和定量马达之间的旁路上接一个安全阀外不加任何控制环节，在发动机启动的瞬间风扇即开始旋转。这种风扇控制方式具有如下几个缺点：

(1)、在发动机启动时会增加启动马达的启动扭矩，甚至造成启动马达的损坏。

(2)、各种冷却介质上升到理想工作温度的时间较长。

(3)、风扇和散热器的配置上一般按极限工况设计，比如，取环境温度为45℃，发动机、液压系统均满负荷工作。在实际工作过程中，上述极限工况出现的几率很小。另一方面由风扇定律可知，风扇的驱动功率与其转速的三次方成正比，噪声与风扇叶尖的平方成正比。因此这种控制方式会造成严重的功率浪费和噪音污染。

(4)、风扇和散热器一般按发动机在某一转速下设计，如发动机最大扭矩点或最大功率点，在其它转速工作时，要么冷却能力过剩，造成功率浪费，冷却介质被“过”冷却，要么冷却能力不足。

(5)、冷却器长时间使用后，导热系数下降、静压损失增加，冷却能力降低，严重时将导致整机不能正常工作。

国外的部分先进机型在定量泵和定量马达之间的旁路上改接电磁溢流阀，控制器可以根据冷却介质的散热要求通过对电磁溢流阀控制风扇转或不转，或者以高、低两种不同的转速旋转。这种风扇控制方式具有以下几个优点：

(1)、冷启动时，风扇不转或以较低的转速旋转，风扇泵的压力油被卸荷，不会给发动机的启动马达带来过大的启动扭矩，避免启动马达的损坏。

(2)、冷启动后，风扇以较低的转速旋转，各种冷却介质迅速上升到工作温度；

(3)、可以部分解决能耗和噪音问题；

此种控制方案也存在以下几点不足：

(1)、冷却风扇只能转或不转，或以高、低两档的转速旋转，难以实现三种冷却介质温度的精确控制；

(2)、在绝大多数工况下，冷却风扇在最高转速下旋转，功率浪费和噪音仍较大；

(3)、无法满足发动机在一定转速范围内下的冷却系统的散热需求，发动机不能实现调速；

(4)、发动机的转速波动给冷却系统带来较大的滞环，造成冷却介质温度的波动；

(5)、在电磁溢流阀的电气接线出现断路或与之相关的电气故障后，风扇不转或以较低的转速旋转，不能满足冷却系统基本的散热要求。

(6)、依旧无法对冷却器冷却功率的降低进行自动补偿。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种能够根据工况中的实际情况，实时控制冷却装置内的冷却风扇，从而使其对冷却装置内的各种冷却液实施精确控制，且能有效解决能耗和降噪的问题，能提高铣刨机整体工作稳定性的铣刨机冷却风扇的控制方法及其装置。

为了解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种铣刨机冷却风扇的控制方法，其特征在于：通过温度信号采集装置对发动机冷却液、进气口和液压油的温度进行采样，将采集到的信号传送给控制器，控制器根据三种冷却介质的实时温度与其理想工作温度的差异输出控制信号至电磁比例压力变量泵，通过该电磁比例压力变量泵控制定量马达和冷却风扇的转速。

所述电磁比例压力变量泵采用电气“负”控制，泵的工作压力与其电流成反比。

一种铣刨机冷却风扇控制装置，其特征在于：它包括温度传感器、冷却装置、定量马达、控制器和电磁比例压力变量泵，其中温度传感器通过电缆与控制器相连，电磁比例压力变量泵的控制信号输入端口与控制器相连，电磁比例压力变量泵的输出口通过过滤器与定量马达相连，定量马达两端并联设有一单向溢流阀，定量马达与冷却装置内的冷却风扇相连。

所述温度传感器为三个，分别设置于发动机水泵出口处、发动机进气口处以及液压油箱泵吸油口处。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

(1)、本发明铣刨机冷却风扇的控制方法及其装置，当发动机冷启动时，通过在电磁比例压力变量泵控制阀上加载最大输入电流，风扇驱动泵将在最小压力和最小排量下工作，因此不会给发动机的启动马达带来过大的启动扭矩，避免启动马达的损坏。冷却风扇在最低的转速下旋转，各种冷却介质得以迅速上升到工作温度；

(2)、本发明铣刨机冷却风扇的控制方法及其装置能有效的解决能耗和降噪的问题，风扇转速总是按照冷却介质实际的冷却需要旋转。而风扇的驱动功率与其转速的三次方成正比，噪声与风扇叶尖的平方成正比，因此这种控制方式能够大幅度的降低冷却系统的驱动功率，降低噪音污染的程度；

(3)、本发明铣刨机冷却风扇的控制方法及其装置实现对各种冷却介质的精确控制，使之能够在其最合适的温度点附近区域工作。

(4)、本发明铣刨机冷却风扇的控制方法及其装置电磁比例压力变量泵的变量机构能够补偿发动机转速变化给冷却系统带来的滞环。

(5)、本发明铣刨机冷却风扇的控制方法及其装置在发动机一定的转速范围内，满足各种冷却介质的散热要求。

(6)、本发明铣刨机冷却风扇的控制方法及其装置控制系统采用闭环控制，系统能够自动补偿冷却器冷却能力的降低。

(7)、本发明铣刨机冷却风扇的控制方法及其装置可靠性高，在泵控制阀的电气接线出现断路或电气故障后，驱动系统压力达到最大，风扇按最快转速旋转，能够满足冷却系统基本的冷却需求。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图；

图2是本发明安装后的结构示意图；

图3是本发明的电气原理示意图；

图4是本发明实施例控制器的接口电路原理示意图。

图例说明

1、温度传感器      2、冷却装置

3、定量马达        4、控制器

5、电磁比例压力变量泵       6、过滤器

7、单向溢流阀               8、冷却风扇

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明：

本发明公开了一种铣刨机冷却风扇的控制方法，通过温度信号采集装置对发动机冷却液、进气口和液压油的温度进行采样，将采集到的信号传送给控制器4，控制器4根据三种冷却介质的实时温度与其理想工作温度的差异输出控制信号至电磁比例压力变量泵5，通过该电磁比例压力变量泵5控制定量马达3和冷却风扇8的转速。该电磁比例压力变量泵5采用电气“负”控制，泵的工作压力与其电流成反比。

如图1和图2所示，本发明的铣刨机冷却风扇控制装置包括温度传感器1、冷却装置2、定量马达3、控制器4和电磁比例压力变量泵5，其中温度传感器1通过电缆与控制器4相连，电磁比例压力变量泵5的控制信号输入端口与控制器4相连，电磁比例压力变量泵5的输出口通过过滤器6与定量马达3相连，定量马达3两端并联设有一单向溢流阀7，定量马达3与冷却装置2内的冷却风扇8相连。整个装置的液压驱动系统由电磁比例压力变量泵5和定量马达3构成主回路，在电磁比例压力变量泵5和定量马达3之间安装的过滤器6对液压油进行过滤，在定量马达3两端并联的单向溢流阀7起过载保护和防气蚀作用。冷却装置2采用组合式冷却器，其可以为水冷却器、空-空中冷器和油冷却器上下叠加构成的并联型式，或者为将水冷却器和空-空中冷器上下叠加而将油冷却器布置在两冷却器进风侧构成的串并联型式，该冷却装置2内的冷却风扇8由定量马达3进行驱动。在较佳的实施例中，本发明铣刨机冷却风扇控制装置选用的控制器4为Rexroth公司的RC6-9，负责对整个系统进行控制和管理；本装置采用三个温度传感器1(如德国Tecsis公司的CP11.224.309)，三个温度传感器1分别设置于发动机水泵出口(节温器前)、发动机进气口和液压油箱各泵吸油口附近，该三个温度传感器1分别对发动机冷却液、进气和液压油的实时温度进行采样，并将采集到的温度信息传送给控制器4，从而通过控制器4对电磁比例压力变量泵5进行控制以达到控制定量马达3和冷却风扇8转速的目的。如图3和图4所示，三个温度传感器1的电气输出口分别与控制器(U1)4的输入端口9、34、45相连，端口9、34、45分别负责采集冷却液温度D3、发动机进气温度D2和液压油温度D1，控制器4的PWM端口16与电磁比例压力变量泵5的控制阀相连。控制器1按30ms的周期对三种冷却介质的温度值进行采集，然后与每种冷却介质理想温度进行对比，综合分析三种冷却介质的散热需要和重要性，减小或增加对电磁比例压力变量泵5的输出电流以增加或降低风扇转速。该电磁比例压力变量泵5则采用电磁比例压力变量方式，并采用电气“负”控制，即泵的工作压力与其输入的电流信号成反比：最大允许电流时，泵的工作压力最小；最小允许电流时，泵的工作压力最大。另一方面，根据风扇定律，冷却风扇8的驱动扭矩与冷却风扇8的转速的平方成正比，由于采用了定量马达3，系统压力正比于驱动扭矩。因此，通过控制电磁比例压力变量泵5的电流即可控制冷却风扇8转速和冷却装置2的冷却功率。

以下结合本实施例对本发明的工作原理做详细说明：

(1)对发动机冷却液：高档发动机冷却液的温度要求一般在71℃到102℃这样一个较宽的范围，而发动机内部节温器的开启温度为82℃左右，节温器全开的温度为91℃左右，即冷却液在82℃以后才进入散热器进行大循环，而冷却装置2的冷却功率是经过冷却装置2的流量和介质温度与环境温差的正函数，冷却液温度的适当提高也有利于减少发动机的散热损失和摩擦损失，因此在其他冷却介质处于其理想温度范围时，冷却液的温度控制点应设置在91℃以后，如取92℃：即当冷却液温度在92℃以上时，控制器4将降低电磁比例压力变量泵5的输入电流，增加冷却风扇8转速；当冷却液温度在92℃以下时，控制器4增加电磁比例压力变量泵5的输入电流，降低冷却风扇8转速。由于冷却液温度在92℃上下略有浮动均不会对冷却系统和元器件造成质的影响，同时考虑驱动和控制系统的稳定性，控制器4改变比例电磁比例压力变量泵5电流值的斜坡时间应较长，如可把电流值从最小加至最大或最大减至最小的时间控制在15～20s之间，斜披时间的长短还应同时考虑机器的工作模式和环境温度。另外，由于各种冷却介质所需的冷却功率随工况的变化而变化的模式不尽相同，再加上各种冷却装置2匹配设计时的误差，在发动机冷却液处于理想温度的时候，其它两种工作介质不一定在其理想的温度范围，具体包括以下两种情况：

情况一：液压油或进气温度达最高允许温度值。此时应升高冷却风扇8转速，增加冷却装置2的冷却功率。由于发动机内部节温器使冷却液在低于82℃时完全进入小循环，水冷却器冷却功率的增加不会造成发动机冷却液被“过”冷却。因此当液压油或进气温度达到最高温度允许值，控制器4应以较短的斜披时间将电磁比例压力变量泵5的控制电流值降低，如控制电流值从最大降至最小的时间可控制在10～15s之间。

情况二：液压油温度低于最低允许温度值，发动机冷却液温度已高于93℃。此时应适当地降低冷却风扇8的转速，尽可能的使液压油温度上升至理想工作温度范围的下限。控制器4增加电磁比例压力变量泵5的控制电流值，电流值改变的斜坡时间应较长，如电流值从最小到最大的调整时间控制在50s以上，以防止冷却风扇8的转速降低过快使发动机冷却液或进气温度超过最高极限值进而造成控制系统出现“超调”。但又绝不允许使发动机冷却液温度超过发动机最高允许值，同时考虑冷却驱动和控制系统本身的滞后性和温度传感器1的误差，控制器4中设定的发动机冷却液允许的温度应较102℃略小，如取100℃。当发动机冷却液的温度已上升至100℃，控制系统不再兼顾液压油温，控制器4迅速降低电磁比例压力变量泵5的电流值以升高冷却风扇8的转速，如控制电流从最大到最小的调整时间控制在10～15s之间，保护发动机不受损伤。如此种现象频繁出现，应考虑重新设计冷却器的冷却功率或更改液压油的牌号。

(2)发动机进气：发动机进气温度是影响发动机的输出功率和废气排放的重要指标，一般不得高于60℃，考虑冷却系统的滞后性和温度传感器的误差，控制温度点应比60℃略低，如设置在55℃左右。进气温度在55℃以上时，控制器4降低电磁比例压力变量泵5的输入电流，增加冷却风扇8的转速；当其它两种冷却介质温度在其最高温度以下(发动机冷却液按92℃)，进气在55℃以下时，控制器4增加电磁比例压力变量泵5的输入电流，降低冷却风扇8转速。控制器4改变比例电磁比例压力变量泵5电流值的斜坡时间应较长，如可把电流值从最小加至最大或最大减至最小的时间控制在15～20s之内。在进气温度高于55℃，而液压油低于理想的工作温度下限时，应考虑重新设计冷却器的冷却功率或更改液压油的牌号。

(3)液压油：液压油的温度的控制温度要综合考虑粘度和排气的需要。从粘度出发，以68号液压油为例，对于铣刨机这样既有开式又有闭式的液压系统中，液压油箱各泵吸油口附近的液压油温度在50℃～70℃是较为合理的温度范围。从油箱排气的角度出发，48℃～65℃是最适宜的。综上，可取48℃和65℃作为上下两极限点。控制器4对电磁比例压力变量泵5的控制方式在发动机冷却液和进气温度的控制中已作论述，这里就不再重复。

整机启动时，控制器4将电磁比例压力变量泵5的控制电流加至最大，以保证在冷机启动时，电磁比例压力变量泵5按最小的工作压力和最小排量工作，减小发动机启动马达的启动扭矩。启动后，冷却风扇按最慢的转速进行旋转，各种冷却介质得以迅速上升至理想工作温度。

根据上述逻辑关系，温度传感器1不断采样，控制器4不断地对冷却风扇8的转速进行调整，在冷却装置2的冷却功率和三种冷却介质的散热要求之间构成闭环控制。

另外，由于本发明采用了电磁比例压力变量泵5和定量马达3构成液压驱动系统的主回路，电磁比例压力变量泵5采用电磁比例压力的变量方式，冷却风扇8的转速直接由电磁比例压力变量泵5控制阀的输入电流决定，在电磁比例压力变量泵5的输入转速改变时，电磁比例压力变量泵5的变量机构能够自动调整，减少系统滞环；通过电磁比例压力变量泵5和定量马达3之间的排量及压力的合理匹配及与冷却装置2的合理设计，能够在发动机一个较大的转速范围内，如最大扭矩点到额定转速点之间满足冷却系统的散热要求，使发动机具有调速的功能，增加系统传动比。

Claims (4)

1、一种铣刨机冷却风扇的控制方法，其特征在于：通过温度信号采集装置对发动机冷却液、进气口和液压油的温度进行采样，将采集到的信号传送给控制器，控制器根据三种冷却介质的实时温度与其理想工作温度的差异输出控制信号至电磁比例压力变量泵，通过该电磁比例压力变量泵控制定量马达和冷却风扇的转速。

2、根据权利要求1所述的铣刨机冷却风扇的控制方法，其特征在于：所述电磁比例压力变量泵采用电气“负”控制，泵的工作压力与其电流成反比。

3、一种铣刨机冷却风扇控制装置，其特征在于：它包括温度传感器(1)、冷却装置(2)、定量马达(3)、控制器(4)和电磁比例压力变量泵(5)，其中温度传感器(1)通过电缆与控制器(4)相连，电磁比例压力变量泵(5)的控制信号输入端口与控制器(4)相连，电磁比例压力变量泵(5)的输出口通过过滤器(6)与定量马达(3)相连，定量马达(3)两端并联设有一单向溢流阀(7)，定量马达(3)与冷却装置(2)内的冷却风扇(8)相连。

4、根据权利要求3所述的铣刨机冷却风扇控制装置，其特征在于：所述温度传感器(1)为三个，分别设置于发动机水泵出口处、发动机进气口处以及液压油箱泵吸油口处。

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