論筑路機(jī)械冷卻裝置液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱一德

(江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212006)

新時(shí)期工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的改革發(fā)展，使得筑路機(jī)械設(shè)備的性能、結(jié)構(gòu)、操作等方面得到了顯著的改善，促進(jìn)了筑路作業(yè)效率的提升。但同時(shí)道路工程數(shù)量的增加對(duì)筑路機(jī)械的結(jié)構(gòu)性能也造成了明顯的損壞，設(shè)備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或零件出現(xiàn)不同程度的磨損。冷卻系統(tǒng)是筑路機(jī)械的輔助結(jié)構(gòu)，當(dāng)設(shè)備處于高速運(yùn)行狀態(tài)下可起到控溫作用，綜合設(shè)計(jì)冷卻裝置液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是技術(shù)研發(fā)工作的重點(diǎn)。

一、筑路機(jī)械設(shè)備冷卻系統(tǒng)的作用

工業(yè)是我國三大產(chǎn)業(yè)的中心支柱，工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展對(duì)其它產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)有著巨大的推動(dòng)作用。自工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)代到來，各種機(jī)械設(shè)備在建筑業(yè)、制造業(yè)、采礦業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域里廣泛運(yùn)用。冷卻系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)之一，系統(tǒng)的主要作用是控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的熱量，以達(dá)到均衡設(shè)備溫度的作用。通常冷卻系統(tǒng)的作用是減少發(fā)動(dòng)機(jī)因燃燒所產(chǎn)生的熱量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)處于標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度范圍內(nèi)。機(jī)械行業(yè)采用的發(fā)動(dòng)機(jī)方式多種多樣，如：氣冷式發(fā)動(dòng)機(jī)及水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)，氣冷式發(fā)動(dòng)機(jī)是靠發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇及車輛行駛時(shí)的氣流來冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)；水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)則是靠冷卻水在發(fā)動(dòng)機(jī)中循環(huán)來冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)?？紤]到機(jī)械設(shè)備發(fā)動(dòng)裝置的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)筑路機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮機(jī)件的冷卻降溫問題，尤其是控制發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。若發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻不足，會(huì)使氣缸充氣量不足和出現(xiàn)早然和爆燃等燃燒不正常的現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)功率將下降，且發(fā)動(dòng)機(jī)零件也會(huì)因潤滑不良而加速磨損。由此可見，根據(jù)機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，能夠維持發(fā)動(dòng)機(jī)及其它機(jī)件的溫度處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，防止溫度過高造成的不利影響。

二、機(jī)械冷卻系統(tǒng)存在的不足

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了機(jī)械設(shè)備的普及運(yùn)用，不僅僅是工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工，機(jī)械設(shè)備在建筑行業(yè)的運(yùn)用也發(fā)揮了重要的施工性能。筑路機(jī)械使道路施工擺脫了傳統(tǒng)人工操作的方式，利用機(jī)械自動(dòng)化完成道路的修建改造，不僅加快了工程建設(shè)的進(jìn)度，也降低了人工操作的難度。由于城市長期規(guī)劃發(fā)展，道路工程數(shù)量增多使得筑路機(jī)械的性能面臨多方破壞，其冷卻系統(tǒng)存在的問題如下：

1、負(fù)荷問題。無論是哪一種類型的機(jī)械設(shè)備，其均有特定的負(fù)荷范圍及運(yùn)行條件。從目前的施工情況看，筑路機(jī)械設(shè)備的作業(yè)條件復(fù)雜，如：高溫、多粉塵等，惡劣的操作環(huán)境導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量大幅度上升，而原先安裝的冷卻系統(tǒng)已難以適應(yīng)散熱、排熱的要求。尤其是許多市政單位追求進(jìn)度，筑路機(jī)械24h持續(xù)作業(yè)，超負(fù)荷運(yùn)行影響了冷卻系統(tǒng)功能的發(fā)揮。

圖1 基于單片機(jī)的智能控制系統(tǒng)

2、阻力問題。為了更好地完成筑路工程作業(yè)，技術(shù)人員往往會(huì)對(duì)筑路機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，以實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)性能的改善。因冷卻風(fēng)扇的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)單一，系統(tǒng)安裝時(shí)未能配備相對(duì)應(yīng)的輔助機(jī)件，從而增大了冷卻空氣的流動(dòng)阻力。阻力變化不定會(huì)造成冷卻空氣及冷卻液的溫度差異過大，不利于冷卻系統(tǒng)散熱、排熱作用的發(fā)揮，并且增加了筑路機(jī)械的維護(hù)難度。

3、驅(qū)動(dòng)問題。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是冷卻系統(tǒng)的子系統(tǒng)，對(duì)冷卻裝置的溫控作用有較大的影響。早期受到技術(shù)條件的限制，機(jī)械驅(qū)動(dòng)模式多出采用冷卻風(fēng)扇、水泵等基本構(gòu)件，讓空氣經(jīng)過散熱器把產(chǎn)生的熱量逐漸消除。盡管這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)起到了相應(yīng)的降溫作用，但是在筑路機(jī)械作業(yè)環(huán)境變化之后，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的散熱性能明顯減弱，無法適應(yīng)設(shè)備在不同條件下的散熱需要。

4、結(jié)構(gòu)問題。冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝不合理，筑路機(jī)械操作時(shí)故障發(fā)生率上升，這些都限制了冷卻系統(tǒng)的功能。對(duì)于大型筑路機(jī)械而言，冷卻系統(tǒng)不僅運(yùn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻，對(duì)于機(jī)械設(shè)備其它機(jī)件也能起到散熱的效果。如：壓路機(jī)、平地機(jī)、攤鋪機(jī)等，冷卻系統(tǒng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)、液力舉升等也有良好的散熱性能。但由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)缺陷，造成散熱器所安裝的位置與標(biāo)準(zhǔn)不符而限制散熱作用。

三、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)是筑路機(jī)械的動(dòng)力裝置，負(fù)責(zé)傳輸動(dòng)能給其它機(jī)械構(gòu)件以維持正常的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。冷卻系統(tǒng)能夠及時(shí)把運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量散開，使發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境處于恒溫狀態(tài)，防止溫度過高或過熱對(duì)發(fā)動(dòng)裝置造成的不利影響。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)過多方改進(jìn)，技術(shù)人員對(duì)各種冷卻裝置的布局掌握了科學(xué)的方法。

1、系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)常規(guī)的筑路機(jī)械結(jié)構(gòu)組成分析，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的組成構(gòu)件包括：電磁比例溢流閥、液壓泵、電控單元、油箱、冷油器及粗、液壓馬達(dá)、冷卻液溫度傳感器、精過濾器等，每一個(gè)部分在冷卻系統(tǒng)運(yùn)行中都發(fā)揮了重要的作用。如：溫度傳感器的作用是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測，且把溫度信號(hào)傳遞給電控單元；電控單元?jiǎng)t是把溫度信息反饋給電磁比例溢流閥，通過溢流閥控制溢流量大小等，每一個(gè)結(jié)構(gòu)之間都互相搭配運(yùn)行。隨著機(jī)電一體化、機(jī)械自動(dòng)化等技術(shù)的運(yùn)用，冷卻系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的配合程度更深，不同裝置或元件的協(xié)調(diào)性更加明顯。設(shè)計(jì)人員可采用單片機(jī)設(shè)計(jì)智能化的冷卻系統(tǒng)，如圖2。

2、冷卻裝置

液壓驅(qū)動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)主要的冷卻裝置，控制冷卻系統(tǒng)液壓回路則多數(shù)選擇無級(jí)調(diào)壓回路，液壓泵的出口壓力則是溢流閥所調(diào)整的壓力。冷卻裝置中液壓調(diào)控的方法依賴于電磁比例溢流閥，可間接性地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度適當(dāng)調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)人員考慮冷卻裝置布局時(shí)應(yīng)防止冷卻風(fēng)扇頻繁動(dòng)作帶來的不便，尤其是對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)引起的沖擊，以維持系統(tǒng)處于安全、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。如：設(shè)計(jì)方案里將冷卻風(fēng)扇控制在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，以此控制風(fēng)扇運(yùn)行消耗的功率大小。

四、液壓油冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓油是筑路機(jī)械的液壓介質(zhì)，對(duì)機(jī)械設(shè)備能夠發(fā)揮能量傳遞、系統(tǒng)潤滑、防腐、防銹、冷卻等多方面作用。液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如圖3，液壓油冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)參考筑路機(jī)械的實(shí)際作業(yè)量，合理設(shè)計(jì)與機(jī)械負(fù)荷相匹配的驅(qū)動(dòng)裝置，把系統(tǒng)的組成構(gòu)件有效整合起來，在保證液壓油作用的前提下增強(qiáng)系統(tǒng)的冷卻效果。此次液壓油冷卻系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)為電動(dòng)機(jī)，以符合機(jī)電一體化操作的控制要求。驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)要重點(diǎn)考慮液壓油的溫度，使其處于規(guī)定的溫度值。溫度過高，液壓油的使用時(shí)間越短，降低了冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行效率；溫度過低，液壓油的粘度偏大，不利于油泵的吸入。按照筑路機(jī)械實(shí)際作業(yè)情況，把液壓油的標(biāo)準(zhǔn)溫度限定在30-70℃。按照這一標(biāo)準(zhǔn)可確定冷卻風(fēng)扇的溫度范圍，通常最佳溫度在60℃。

為了適應(yīng)液壓油冷卻系統(tǒng)的使用要求，設(shè)計(jì)人員可設(shè)置一套信號(hào)傳輸流程，讓溫度信號(hào)能夠及時(shí)傳遞給系統(tǒng)控制中心，這有助于筑路機(jī)械各機(jī)件的協(xié)調(diào)運(yùn)行。本次設(shè)計(jì)的方案：整體控制方法采用開關(guān)控制，由液壓油溫度傳感器將液壓油溫度信號(hào)傳給電控單元ECU，ECU判斷液壓油溫度是否達(dá)到風(fēng)扇開始工作的上限溫度60℃，當(dāng)液壓油溫度達(dá)到最高溫度，則電控單元ECU輸出脈沖信號(hào)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇開始工作，同時(shí)電控單元ECU對(duì)每次采樣值進(jìn)行判斷，若溫度小于風(fēng)扇停止工作的下限溫度50℃，風(fēng)扇自動(dòng)停止運(yùn)行。

五、筑路機(jī)械電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖3 液壓系統(tǒng)原理

機(jī)械自動(dòng)化是設(shè)備操控的新趨勢，在機(jī)械設(shè)備內(nèi)部建立自動(dòng)控制系統(tǒng)輔助人員操作，可降低筑路工程作業(yè)的難度。電氣控制系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)備中的運(yùn)用越來越多見，利用電氣部分指導(dǎo)、控制設(shè)備操作可提高筑路機(jī)械的作業(yè)效率。因此，機(jī)械冷卻裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要充分考慮電氣控制系統(tǒng)，借助于電氣控制系統(tǒng)的相關(guān)功能輔助冷卻系統(tǒng)的散熱過程。電氣控制系統(tǒng)具備的功能包括：

1、保護(hù)功能。線路保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)需結(jié)合系統(tǒng)的"自檢測"完成，如：當(dāng)電氣設(shè)備線路的電壓、電流超出標(biāo)準(zhǔn)荷載，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行造成不利影響。此時(shí)，利用電氣控制系統(tǒng)的自檢測，可對(duì)線路的異常信號(hào)自行調(diào)控。

2、監(jiān)測功能。筑路機(jī)械設(shè)備利用電氣控制系統(tǒng)能及時(shí)捕捉視聽信號(hào)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)作狀態(tài)作出準(zhǔn)確地判斷，及時(shí)監(jiān)測各種異常問題的發(fā)生。利用監(jiān)測功能可以降低液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障發(fā)生率，提醒操作人員采取措施緊急處理。

3、控制功能。機(jī)械電氣控制采用的高壓開關(guān)、大電流開關(guān)等設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若依賴于人工操作則會(huì)影響到電氣設(shè)備作用的發(fā)揮。電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化調(diào)度，可自動(dòng)控制分、合閘等操作，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生故障后也可及時(shí)切斷電路。

六、冷卻裝置故障處理方案的設(shè)計(jì)

冷卻裝置液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)受到外界環(huán)境、運(yùn)行負(fù)荷、作業(yè)時(shí)間等方面的影響，導(dǎo)致冷卻裝置的散熱性能減弱。設(shè)計(jì)階段是冷卻系統(tǒng)規(guī)劃布置的主要環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)必須要考慮后期液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障的處理問題，設(shè)計(jì)有效的應(yīng)急處理策略。結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，筆者設(shè)計(jì)了一套冷卻裝置故障處理方案，具體情況：①"看"。詳細(xì)觀察冷卻系統(tǒng)故障的狀態(tài)，如：散熱器、風(fēng)扇、液壓泵等。②"找"。根據(jù)掌握的故障表現(xiàn)，操作人員應(yīng)盡快確定故障范圍，以準(zhǔn)確定位系統(tǒng)故障的位置。③"做"。查明故障原因、故障位置之后，現(xiàn)場人員要采取簡單的處理措施，對(duì)控制系統(tǒng)自行調(diào)控處理。經(jīng)過簡單的故障處理流程，操作人員可以減小故障造成的不利影響，技術(shù)人員的檢修爭取更多的時(shí)間。

結(jié)論

總之，冷卻系統(tǒng)是筑路機(jī)械的重要構(gòu)成之一，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起到了散熱、降溫的作用。隨著筑路工程作業(yè)量的上升，機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷也會(huì)不斷增大，對(duì)原有的冷卻裝置液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，可以有效完善系統(tǒng)的冷卻功能。另外，設(shè)計(jì)方案還要對(duì)系統(tǒng)故障配備相應(yīng)的處理方案，避免給冷卻系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行造成不利影響。

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