張振宇/ZHANG Zhen-yu

（徐州徐工礦業(yè)機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000）

挖掘機(jī)主要用于礦產(chǎn)、巖石和沙土等高密度物料的挖掘與裝載作業(yè)。挖掘機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜多變，必須保證在高溫、高寒、高海拔等惡劣環(huán)境具有很強(qiáng)的可靠性及高性能。液壓油溫過(guò)低導(dǎo)致液壓油黏稠會(huì)加大能量損耗從而降低效率，液壓油溫過(guò)高則液壓油黏度下降從而使得液壓系統(tǒng)內(nèi)泄量增大，導(dǎo)致液壓元件損傷減少使用壽命。發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)低使得發(fā)動(dòng)機(jī)不處于最佳燃燒狀態(tài)，造成油耗高，操作性能差等缺點(diǎn)；發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)異常，發(fā)生故障。因此，散熱系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)水溫及液壓油溫穩(wěn)定在最佳工作區(qū)間，對(duì)提高挖掘機(jī)工作的穩(wěn)定性及發(fā)揮最佳工作性能起到至關(guān)重要的作用。

1 散熱系統(tǒng)的組成

散熱系統(tǒng)硬件組成如圖1 所示，主要包括控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱泵和風(fēng)扇。發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源驅(qū)動(dòng)散熱泵，散熱泵帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)起到降溫的作用。控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)散熱泵電流進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，散熱泵電流與流量成反比，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和液壓油溫的目的。

圖1 散熱系統(tǒng)原理

2 分段式控制策略

分段式控制策略如圖2（a）所示，將溫度分為80～85 ℃、85～90 ℃、90 ℃以上3 段進(jìn)行控制，以上三段溫度對(duì)應(yīng)的散熱泵控制電流分別為600mA、450mA、300mA。由于散熱泵的電流與流量成反比例關(guān)系，因此隨著溫度的升高散熱泵的控制電流分段突變變小，導(dǎo)致散熱泵流量變大，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速提高，從而達(dá)到控制溫度的目的。

如圖2（b）所示給出了分段式控制策略的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫溫度變化曲線示意圖。發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在挖掘機(jī)啟動(dòng)后0～2t 的時(shí)間內(nèi)溫度迅速上升到82℃，雖然分段式控制策略在80℃開(kāi)始控制，此時(shí)風(fēng)扇工作在低速，因?yàn)闇囟壬仙厔?shì)大于風(fēng)扇降溫趨勢(shì)，因此在前期溫度控制存在一定的超調(diào)量。隨著溫度的升高達(dá)到85℃后分段控制的第二階段開(kāi)始起作用，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在中速，在溫度增加到90℃之前溫度增加斜率為（90℃-82℃）／（6t-2t）=4℃／t。

圖2 分段式控制策略及水溫變化

在溫度達(dá)到90℃后進(jìn)入分段控制的第三階段，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到高速，此時(shí)的溫度增加斜率為（93℃-90℃）／（9t-6t）=1℃／t，最后溫度在93℃趨于穩(wěn)定。

由此可知，分段式控制策略前期存在超調(diào)，溫度控制跟隨性差。前期和中期的溫度控制斜率在4℃／t，中期控制響應(yīng)性不好，后期溫度控制斜率在1℃／t 效果較好。由于分段式控制方法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，所以目前運(yùn)用比較廣泛，但是由于分段比較粗獷，因此控制跟隨性差，中期響應(yīng)不好，存在超調(diào)等缺點(diǎn)。

3 線性控制策略

線性控制策略如圖3（a）所示，溫度在80～90 ℃之間，散泵的控制電流從600mA 到300mA 線性減少，用公式表示為

其中I 表示電流（mA），T表示溫度（℃）。由公式可以得出隨著溫度的不同，散熱泵的控制電流線性變化，不存在階躍點(diǎn)。

如圖3（b）所示的線性控制策略的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫溫度變化曲線示意圖。在0～80℃之間控制策略并未干預(yù)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫迅速升高。80～85℃之間散熱泵電流從600～450mA 之間線性變化，由圖可以得出這一階段溫度的變化斜率約為1.67℃／t。在溫度85～90℃之間散熱泵的電流從450～300mA 之間線性變化，該階段的溫度變化斜率為2.5℃／t，最后溫度穩(wěn)定在90℃，電流為300mA。

圖3 線性控制策略及水溫變化

由上可知，線性控制策略解決了分段式控制策略存在超調(diào)，中期控制響應(yīng)不好的問(wèn)題，對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度變化斜率可以看出，不管是在前期還是中期，線性控制策略使得單位時(shí)間溫度變化更加平滑。分段式控制策略最后溫度的穩(wěn)定時(shí)間為9t，線性控制策略溫度最后穩(wěn)定的時(shí)間為7t，因此線性控制策略的敏捷性更高。

4 線性與分段相結(jié)合控制策略

分段式控制策略在溫度突變的情況下能快速響應(yīng)，進(jìn)入恒電流加大風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，能夠應(yīng)對(duì)散熱器阻塞等外部情況造成的突發(fā)狀況。線性控制策略能夠縮短調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量，并且能夠解決分段式控制策略的控制滯后的缺點(diǎn)。因此本文采用溫度變化在正常情況下線性控制策略，溫度變化加速度超過(guò)一定范圍內(nèi)采用分段式控制策略的階躍性特點(diǎn)的控制策略，提高散熱系統(tǒng)在溫度突變情況下的控制魯棒性。

如圖4（a）所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度在86℃的情況下突變到100℃，超出了溫度的正常變化范圍。散熱泵電流的控制策略在86℃之前采用線性控制策略，在86℃之后采用分段式階躍控制策略，電流恒定給300mA直到發(fā)動(dòng)機(jī)水溫穩(wěn)定在90℃附近。

如圖4（b）所示，雖然在86℃發(fā)動(dòng)機(jī)水溫發(fā)生突變，經(jīng)過(guò)分段式控制策略的階躍輸出300mA電流，使得發(fā)動(dòng)機(jī)水溫很快在5t 的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在90℃。

圖4 線性與分段式相結(jié)合控制策略及水溫變化

5 結(jié)論

分段式控制策略主要優(yōu)點(diǎn)是控制方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度突變情況響應(yīng)靈敏；缺點(diǎn)是控制存在超調(diào)、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、溫度控制中期響應(yīng)速度慢。線性控制策略的主要優(yōu)點(diǎn)是控制跟隨性好、響應(yīng)敏捷、超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時(shí)間短；缺點(diǎn)是對(duì)溫度突變情況響應(yīng)速度慢，不具備溫度突變應(yīng)急能力。

線性與分段相結(jié)合控制策略，結(jié)合了線性控制策略和分段式控制策略的優(yōu)點(diǎn)。在溫度變化平穩(wěn)情況下采用線性策略，溫度控制靈敏，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。遇在溫度突變情況下，采用分段式控制策略，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速迅速響應(yīng)，解決溫度上升過(guò)快的問(wèn)題。

采用線性與分段相結(jié)合的控制策略能夠應(yīng)對(duì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)長(zhǎng)增加溫度平穩(wěn)上升的工作情況，也能應(yīng)對(duì)由于散熱器阻塞等情況造成的溫度突然增高的工況，使得挖掘機(jī)散熱系統(tǒng)能夠在高溫、高寒、高海拔等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與液壓油溫控制在最佳溫度區(qū)間，提高整機(jī)性能與效率。