温控电比例变量液压风扇驱动系统的研究与应用

王 涛，谭艳辉，张碧荣，谭 艳

（1. 广西柳工机械股份有限公司装载机研究院；广西 柳州 545007；2. 广西科技大学，广西 柳州 545006）

传统的直驱风扇系统通常是过冷系统，会浪费大量的能量，并且会产生很大的噪声。随着技术的发展，对高效节能和低噪声运转提出了更高的要求。而温控电比例变量液压风扇驱动系统可以提供更合理的控制，在低冷却需求时可以降低风扇转速，因此这种风扇驱动系统会消耗更少的能量，辐射更小的噪声。此外，该系统还可以提高整机效率，使整机在工作过程中更加节能，噪声影响更小。

1 传统的直驱风扇系统

传统的发动机直驱风扇系统是一种最简单的风扇散热系统，风扇直接安装在发动机的输出端或通过其它形式的机械连接。其特点是：风扇与发动机之间没有任何控制装置，风扇转速与发动机转速呈线性关系变化。此系统是一个过冷系统，浪费了大量的发动机能量。同时也使得风扇的噪声变得无法控制，产生很大的噪声。另外也限制了风扇布置的灵活性。

2 温控电比例变量液压风扇驱动系统

随着机电液一体化和电控技术的发展，实现工程机械冷却系统多参数智能化温控成为可能，可以使各散热器尽可能的在其最佳工作温度工作，实现了散热系统的节能和整机的降噪，同时也实现了风扇和散热系统的灵活布置。

液压风扇驱动系统根据液压泵的形式，可分为定量液压风扇驱动系统和变量液压风扇驱动系统。定量液压风扇驱动系统一般是通过与风扇马达并联的溢流阀阀杆开度来实现调节风扇的转速。在整机工作的过程中，该系统通过溢流阀始终存在一定的溢流损失，节能效果大打折扣。变量液压风扇驱动系统是通过改变变量泵的排量来实现调节风扇的转速，该系统几乎没有溢流损失，节能效果好。

温控电比例变量液压风扇驱动系统的原理如图1所示，由风扇马达带动风扇转动进行散热。系统的工作原理是：采集各散热器的温度信号经过散热控制器的处理，输出电流信号到电比例溢流阀控制阀芯开度，改变LS口的压力，从而控制泵的输出流量，最终控制风扇马达的转速，达到根据各散热器设定的温度参数自动调整风扇的目的。

对变量泵总成内部的负荷传感阀进行分析，得到负荷传感阀的平衡方程为

图1 温控电比例变量液压风扇驱动系统的原理图

式中 P——泵的出口压力；

PLS——电比例溢流阀控制的LS压力；

PK——电比例溢流阀预设弹簧力。

当控制的电比例溢流阀的电流一定，PLS的压力也就一定。当变量泵的转速瞬间升高，泵的出口压力P和流量也会瞬间升高。根据公式（1）势必引起负荷传感阀右移，伺服缸大小腔都进油，由于大腔的作用面积大于小腔的作用面积，所以柱塞杆左移，使变量泵排量减小，相应的变量泵输出流量减少，使进入风扇马达的流量基本不变；反之亦然。

根据以上的工作原理，在系统流量饱和的情况下，风扇转速可不受发动机转速限制，从而实现通过散热控制器输出到电比例溢流阀的不同电流值，控制不同风扇的转速，满足不同环境温度对散热的要求。在高温的夏天使风扇高速旋转，以满足散热要求；在低温的冬天使风扇低速旋转甚至不转，以达到快速暖车的目的，同时也降低了能耗和噪声。

变量泵总成内部压力切断阀的作用是控制系统的压力不超过设定值，保护变量泵。

散热器在高粉尘环境工作，容易被空气中的杂质堵塞，降低散热器的散热效率。该系统还具有对散热器“自清洁”的功能，即通过电磁换向阀控制风扇马达的正反转，从而实现系统在“散热”和“清洁”两种模式下的自由切换，将散热器中的粉尘杂质吹出，保持散热器的清洁和良好的散热效率，从而降低使用和维护成本。

该系统电磁换向阀总成中单向阀的作用是当变量泵停止供油后，风扇在惯性作用下会继续转动，此时风扇马达转变成了液压泵，并通过单向阀从回油路吸油，从而防止振动和压力冲击的产生。溢流阀的作用是限定风扇马达的最高压力，即限定风扇马达的最大输出扭矩，在散热系统一定的情况下，既可限定风扇的最高转速，在由于其它原因卡住风扇时，又起到保护风扇马达的作用。

3 温控电比例变量液压风扇驱动系统的优点

（1）系统布置灵活。

由于风扇由液压马达驱动，所以散热系统部件可以根据整机的情况方便布置，已不受发动机的位置限制。

（2）噪声控制方便。

由于风扇的布置不受发动机的限制，可以降低发动机的噪声发射问题，使发动机向外发射的噪声在传播过程中通过噪声隔离的方式控制噪声，封闭的发动机仓是解决发动机噪声的最好手段。

通过散热器的布置和选用大直径低转速的风扇，降低风扇的噪声，特别是在环境温度很低时，可以使发动机停转或在很低的转速下工作，使整机噪声更低。

（3）节能。

通过温控电比例液压驱动系统，可以控制风扇的转速，从而控制风扇消耗的功率。如图2所示为某机型选用的液压驱动风扇，发动机转速超过1500rpm后，风扇的最大转速控制在1600rpm以下，风扇消耗的功率在25kW以内。而如果是发动机直驱风扇，风扇的转速最高能达到2400rpm，风扇消耗的功率高达85kW，能量浪费很大。

图2 直驱风扇与液压驱动风扇对比

（4）可实现散热系统多参数控制。

由于散热控制器可以采集各散热器冷却介质的温度，所以可以实现各散热器冷却介质温度的同时控制。如图3所示为各冷却介质的温度控制范围。目标风扇转速由各散热器介质中的最高温度决定。

图3 各冷却介质的温度控制范围

如图4所示是温控电比例变量液压驱动风扇转速控制的理论转速曲线。曲线1对应的风扇转速是由电比例溢流阀及系统管路通流量的物理性能决定的风扇能达到的最低转速。曲线2是各散热器最低的起调风扇转速，曲线3是风扇设定的最高转速。在曲线2和3之间的风扇转速是由散热控制器实时采集到的各散热器介质温度，通过运算比较后确定。当各散热器的温度都低于设定的最低温度，风扇以最低的转速（曲线1）运转。

图4 温控电比例变量液压驱动风扇转速控制

（5）增强发动机的启动能力。

通过散热控制器的电比例控制，在发动机启动过程中，使风扇以最低的转速运转，降低了发动机的负载，使发动机更加容易启动。

4 结束语

通过对温控电比例变量液压风扇驱动系统工作原理的分析与研究，该系统综合运用了液压传动技术、电比例控制技术、多参数传感控制技术，实现了风扇随各散热器冷却介质温度的变化而自动调节，在满足各散热器散热的前提下，使风扇以最低转速运转，实现了整机节能降噪的要求，特别是在环境温度低的工况下工作，节能降噪效果更加突出。随着客户对整机舒适性和节能等方面要求的提高，温控电比例变量液压风扇驱动系统在工程机械上，特别是大型工程机械上的应用将越来越广泛。