详细介绍推土机新型智能电驱冷却系统

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推土机需要发动机经常处于低转速、大转矩状态下工作，由于变矩器、变速箱等传动件的功率损失，导致整机散热功率较大。同时由于推土机应用比较广泛，因此要求其冷却系统不仅能适应高纬度的极寒温度，还要能在低纬度的高温环境下正常工作，具备良好的环境适应性。上述因素对推土机的冷却系统提出了较高的要求。 1 .传统冷却系统结构        目前推土机上普遍采用的冷却系统主要有两种结构，一种是由发动机通过皮带直接驱动定传动比式冷却风扇，实现冷却系统的散热，这种结构多采用吹风式；另一种是较先进的温控液驱风扇冷却系统，其原理为控制器根据温度传感器测量的温度数据按预定程序控制比例溢流阀开度，从而控制液压马达的转速，以此实现对风扇转速的调节和冷却系统的散热，这种结构多采用吸风式。
        定传动比式风扇由曲轴以定传动比驱动，按最大热负荷工况设计。其结构简单、性能可靠、成本较低，但存在以下重大缺陷：（1）发动机启动转矩较大，预热时间长，影响了发动机的动力输出和整机生产率；（2）风扇能耗大，在发动机额定工况下功耗占发动机有效输出的5%～15%；（3）在车辆低速重载时冷却气流不足，导致发动机超热负荷；车辆高速行驶时气流过大，加重了车辆的冷态磨损，且降低了发动机的热效率；（4）风扇安装位置严重受限；（5）固定传动比的风扇是严重的噪声源。        温控液驱风扇冷却系统可以根据发动机水温等参数实现自动调节风扇的转速，从而合理控制推土机的散热情况，使整机始终保持在最佳工作温度，具有工况及环境适应性好、易于控制、对发动机影响小等优点。但也存在以下重大缺陷：（1）液驱系统的效率受泵、马达、阀、管路等多个因素影响，其整体效率约在60%左右，效率较低，在增大整机能量消耗的同时还造成液压系统温度的升高；（2）温控液驱风扇冷却系统为马达驱动单一的风扇转动，由于成本、空间布置等因素，实现发动机散热器、空空中冷器、工作油冷器、空调冷凝器等多个散热模块各自独立的风扇散热控制比较困难，无法使各系统都达到最佳的工作温度；（3）为了实现风扇的快速响应，减小骤增的扭矩对液驱系统的影响，即使在各散热模块依靠自然散热能够满足散热需要的情况下，风扇也低速待命转动，造成了一定的能量浪费；（4）存在维护成本高、维修性差、结构复杂等缺点。        智能电驱冷却系统可以很好地解决目前传统冷却系统存在的缺点，可以控制风扇根据各冷却系统散热负荷的大小自动调节风扇转速，实现对各冷却系统的合理热管理。 2 智能电驱冷却系统     2.1 系统结构原理        智能电驱冷却系统主要由发电机、稳压电源、控制器、温度传感器、电动机、风扇、发动机散热器等模块组成，其原理如图1所示。控制器通过分别安装在发动机出水口、发动机进气歧管、工作油箱等位置的温度传感器采集相关的温度信号，并将信号处理后根据预定程序对PWM直流调速器进行控制；PWM直流调速器通过调整电压直接控制发动机散热器风扇、空空中冷器风扇等电机的转速，同时安装在风扇电机上的转速传感器将各风扇转速信号反馈至控制器，以便对风扇运行状态进行监测和故障报警。整个系统的动力依靠安装在推土机分动箱上的发电机，同时发电机与车载蓄电池并联，以起到稳压作用。由于直流电机具有体积小、调速性能优越、控制方便、效率高等优点，系统选用直流电机为风扇提供动力。同时基于稳速精度高、调速范围宽、电机损耗小等方面的考虑，采用PWM直流调速器控制风扇电机的运转。

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      2.2 系统控制策略         为使推土机在热带、极寒等各种不同环境、工况下根据冷却系统需要控制风扇运转，从而实时、合理地控制整机散热，使整机各系统始终保持在理想的温度范围内，同时大大降低风扇功率消耗，提高整机效率，智能电驱冷却系统对风扇采用独立、最优控制。          2.2.1 风扇的独立控制         在推土机传统冷却系统中，各冷却系统共用一个冷却风扇，而各冷却系统对最佳工作温度的要求不尽相同，且它们在不同工况下有着不同的散热特性，某一时刻对风扇的转速要求存在差异，因此背离了各冷却系统的实际需求。智能电驱冷却系统的各散热器都具有独立的风扇，并由控制器进行独立控制，使某一冷却系统风扇的转停以及转速不会对其他冷却系统造成影响。同时还可以独立控制某一风扇的正反向运转以实现某些特殊功能。         2.2.2 风扇的最优控制            为了使各冷却系统始终处于最佳工作温度的同时最大程度降低风扇的能耗，使流经冷却器的空气流量根据相应冷却器散热负荷的实际需求自动调节，智能电驱冷却系统对风扇采用风扇转速的无级控制和风扇运转数量的智能控制。            当某一冷却系统温度低于最佳工作温度时，风扇停止运转以利于系统温度的快速提升；当系统温度处于最佳温度上限以下一定范围内时，风扇启动并以设定的最佳速度运转；当系统温度高于最佳温度值上限时，风扇以设定的温度—转速函数曲线运转以使系统温度快速降至最佳温度范围内。             为了有利于长方形冷却器的散热，以及冷却系统能耗的降低，对于散热功耗较大的冷却系统如发动机散热器、空空中冷器等采用多个冷却风扇（如图2所示），同一冷却系统的各冷却风扇由控制器独立控制，当某一安装有多个风扇的冷却系统需要风扇强制散热时，控制器根据散热负荷的大小以及风扇与散热器的匹配情况启动一个或者几个风扇运转，当散热负荷持续增加，已启动的风扇无法满足散热需要时，控制器增加运转风扇数量。为了避免部分风扇高速运转带来的高能耗问题，控制器根据下式计算风扇风量、功耗：

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          比对在等风量情况下当前状态与增加风扇运转数量同时降低风扇转速方案的风扇功耗，选取最优运转方案，尽可能保持风扇在低速、低噪声、低能耗、高效率状态下运转。同时控制器对风扇调速周期进行控制，以避免频繁调速对系统造成冲击以及对散热稳定性造成不良影响。系统的控制流程见图3。         为了避免智能电驱冷却系统故障造成车辆无法运转，系统设有运行监控系统，车辆启动时首先进行所有风扇的通电运转检测，比对输出电流和风扇转速关系，当二者关系大幅偏离实际测试的经验数据时，系统对可能出现故障的风扇位置和故障类型进行报警。当某一具有多个风扇的冷却系统故障风扇数量超出预设数量时系统启动故障模式，其余风扇全速运转以防止散热系统高温造成的车辆损伤。

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3 .结论      智能电驱冷却系统能很好地解决目前应用的冷却系统存在的弊端，可实现根据推土机各冷却系统的热负荷大小自动调节风扇转速，使各冷却介质、工作介质始终保持在最佳的温度范围内，具有各冷却系统独立控制、布置灵活、响应快、噪声低等优点，同时可以有效降低风扇功率消耗，提升冷却效果和整机效率。从应用情况和技术发展趋势来看，智能电驱冷却系统是推土机冷却系统未来发展的方向，但目前相关技术尚处于试验阶段，应在系统匹配、电机散热、风扇抗振性等方面进行深入研究。