挖掘机液压独立散热系统的负载特性研究

王绪通 牛东东 王青 李闯闯

摘要：大型挖掘机的散热系统通常采用独立散热的方式，独立散热方式可根据散热需求动态调整功率消耗，能明显降低给整车带来的负载。掌握液压独立散热系统稳态负载特性，能为整机功率匹配、节能控制提供基本依据。通过理论建模、实车理论数据代入计算、实验测试，对比了理论计算和实测结果，验证了液压独立散热系统稳态模型的有效性、准确性。

关键词：液压独立散热；稳态模型；负载扭矩

0   引言

功率匹配是液压挖掘机设计过程中极为关键的环节，这关系到整车的使用经济性，对产品的核心竞争力起到决定性作用。实现系统精确匹配，需要研究各个系统的负载特性。散热系统是整机除液压系统外，功率消耗最多的系统，一般功率消耗可达20%～30%。过去对散热系统功耗的计算，常常是基于风扇特性进行估算，误差相对较大。为了避免该弊端，采用液压式驱动时，需要综合考虑液压特性和风扇特性进行系统性的计算。

1   液压独立散热系统组成及功用

液压独立散热系统由散热泵、散热阀组、散热马达、散热风扇、散热器组成，主要目的是实现对液压油、发动机冷却液、涡轮增压气体的散热，同时也兼顾空调冷媒和柴油的散热。

散热泵与发动机直接连接，与发动机的输出轴保持相同转速，形成的液压油流量通过散热阀组后，流向散热马达。散热马达在液压油流量的驱动下产生旋转，并带动散热风扇形成空气流动，流动的空气再吹过散热器实现降温。散热风扇在旋转产生空气流动的同时，也会受到空气的反作用力，这一反作用力最终会传导致发动机的输出轴上，形成液压独立散热系统的负载扭矩。液压独立散热的系统原理图如图1所示。

为了能以较低的功耗实现充分的散热，需要对液压独立散热系统进行动态调整，如控制系统会对其进行闭环控制、半闭环控制等，所以控制系统会实时采集液压油温、发动机冷却液温度、涡轮增压气体温度，通过运算实时控制散热泵的功率输出。液压油、发动机冷却液、涡轮增压气体的温度的变化都较为平顺，所在控制系统在调节时无需快速大幅调整，也不用考虑液压独立散热系统本身的响应性。

1.1   散热泵

目前市场上常用的液压独立散热的散热泵，以压力控制、流量控制两种方式为主。采用流量控制的液压独立散热系统较简单，只需要控制系统发出散热泵的排量控制指令即可，液压零部件和回路没有压力和流量之间的交互调节。较之不同的是，采用压力控制的散热泵排量会受回路压力的影响，这有助于发动机转速大幅变化时排量的自动调节，其使用也更加广泛[1]。压力控制式散热泵原理如图2所示。

采用压力控制的散热泵集成了柱塞泵、斜盘调节器、控制阀、电磁比例溢流阀，在回路控制上溢流阀的溢流部分流量会推动控制阀，最终减小柱塞泵的流量，使溢流流量动态调节至最低。当改变电磁比例溢流阀的控制电流时，溢流压力、柱塞泵流量、散热泵输出功率形成联动调节，实现对散热泵的输出功率控制。

1.2   散热阀组

散热阀组用于控制散热马达的旋转方向。在液压独立散热系统中，选用的散热马达可以改变进油液的方向，相应的散热马达的旋转方向也跟随进油方向做出调整。这一设计的作用是，当散热器上灰尘较多时，可以改变风向，对散热器除尘。

1.3   散热马达

散热马达的作用是将液压油流量转化为轴的旋转。在不考虑马达本身的效率特性时，可以将其视作一个标准的线性元件。在液压侧，以流量作为输入并反馈压力，在旋转侧，以转速作为输出并接收扭矩反馈。

1.4   散热风扇

散热风扇与散热马达直接连接，以保持同样的转速，并输出一定的风速。相应的风扇会受到反作用力，并转化为扭矩体现在马达的旋转轴上。根据风扇特性，在某个固定转速下，风扇因反作用力所形成的扭矩是某个固定值，且这一扭矩与风扇转速的平方成正比。

2   液压独立散热系统的稳态模型

为了清晰掌握了解液压独立散热系统的整体的负载、能耗情况，需要识别能量传递环节的各种状态量以及各状态量之间的相互关系，建立液压独立散热系统的稳态模型。通过模型，可以确定在不同的转速、散热泵溢流压力设定下的液压独立散热系统的负载扭矩特性。散热独立散热系统能量传递如图3所示。

基于前文分析的散热泵、散热马达、散热风扇的特点，可以将系统整体模型分为两部分进行讨论，分别是散热马达-风扇模型、散热泵模型。前文结论也指出在进行动态控制时，无需考虑系统本身的响应性，在模型建立时仅考虑其稳态模型即可。

2.1   散热马达-风扇的稳态模型

在能量传递环节中，马达通过排量来影响各状态之间的传递关系，其中包括流量→速度、扭矩→压力。风扇的固有特性参数为扭矩系数，其影响的传递关系为转速→扭矩。散热马达和风扇的参数、变量定义如表1所示。

归纳上述参数和变量，并确定转速计算公式如下：

（1）

式中：Nm为转速，Q为流量，Dm为排量。

扭矩计算为：

Tm=RfT·N2m                （2）

式中：Tm为扭矩，RfT为扭矩系数。

压力计算公式如下：

（3）

本部分模型的输入是流量，输出是压力，将风扇和马达的参数作为模型参数，實现了系统负载侧的模型创建。

2.2   散热泵稳态模型

首先确定散热泵在能量传递时所起的作用，包括转速→流量、排量→流量、压力→扭矩、压力→排量，这里面影响传递关系的参数为溢流压力、最大排量。总结散热泵的参数、变量定义如表2所示。

当系统管路中的压力没有达到溢流压力时，散热泵不受影响而以最大排量输出，此时排量Dp=Dmax。

输出流量为：

（4）

将散热马达-风扇模型代入，得到系统管路压力为：

（5）

输出扭矩为：

（6）

当系统管路压力达到散热泵的溢流压力时，其排量因受溢流流量影响而向较小值调节，可认为在达到平衡时的理想状态为完全没有溢流流量。此时管路中压力为：P=Pmax。

将散热马达-风扇模型代入，得到输出流量为：

（7）

输出扭矩为：

（8）

本部分在讨论散热泵模型时，也代入了散热马达-风扇模型，实现系统完整模型的创建。系统以散热泵转速作为输入、扭矩作为输出，将散热泵、散热马达、散热风扇的参数作为模型参数，能够获得不同转速时散热系统向发动机施加的负载。

模型表明，系统在压力达到散热泵溢流压力点时出现了趋势变化。通过散热泵原理分析可知，改变电磁比例溢流阀的电流，可以改变溢流压力，进而能够改变系统负载特性，实现散热系统功耗的调节。

3   某液压独立散热系统的研究

某款挖掘机采用了液压独立散热系统，散热泵采用压力控制方式。通过产品资料获取散热泵、散热马达、散热风扇的参数，如表3所示。

3.1   基于模型的计算

将表3的参数代入模型，其中Pmax在参数范围内分别取2MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、24.5MPa，进行理论计算，获取该液压独立散热系统的转速-扭矩关系，如图4所示。

理论计算表明，该系统的趋势变化点均处于1300r/min以下。由于该车型的飞轮和散热泵的连接轴之间存在1.5的速比，因此当发动机转速高于870r/min时，该系统的负载扭矩与转速呈负相关。

这一特征与直联风扇的负载特性有明显的区别，也从侧面说明建模的必要性。同时这一区间也正是该系统负载可控区域，且挖掘机工作转速一般都处于1000r/min以上，这也表明该系统能够在整机工作轉速范围内实现负载调节。

3.2   基于实验的验证

为了验证模型的准确性，对该车型的液压独立散热系统进行了实际的数据测试。

设置散热泵溢流压力为24.5MPa，在750～1800r/min范围内选取9个点作为发动机的转速。分别测定各转速下发动机扭矩百分比、摩擦扭矩，并对发电机等其他负载扭矩标定，再通过速比进行转速和扭矩换算，得出不同散热泵转速下的散热系统负载扭矩。

具体计算方式如下：

扭矩=（扭矩百分比-摩擦扭矩）×参考扭矩/速比

转速=发动机转速×速比

数据对比显示，理论扭矩较实测扭矩最大误差为6.9%，平均误差为4.9%，两者之间的对比曲线如图5所示。

4   结束语

过去对散热系统功耗的计算，常常是基于风扇特性进行估算，误差相对较大。本文通过理论建模、实车理论数据代入计算、实验测试，对比了理论计算和实测结果，验证了液压独立散热系统稳态模型的有效性、准确性。

对液压独立散热系统进行建模计算，相较于之前的粗略估算法，计算结果准确度高，趋势更加明确。在进行建模时，应详细考虑系统各零部件特性，明确系统的参数、状态变量以及各状态变量对系统的影响方式，进行系统性建模。

参考文献

[1] 李县军，石立京，史继江.大型液压挖掘机独立散热系统控

制方式对比[J].工程机械与维修，2020（1）：40-41.