露天矿用钻机风扇转速控制

姜 鹏，刘士博，刘昊天，时雨欣，王添顺，吕秀梅，6

（1.辽宁瀚石机械制造有限公司，辽宁 阜新 123000；2.大连理工大学 海洋科学与技术学院，辽宁 盘锦 124221；3.沈阳工学院 机械工程与自动化学院，辽宁 抚顺 113122；4.沈阳师范大学 软件学院，辽宁 沈阳 110034；5.辽宁科技大学，辽宁 鞍山 114051；6.阜新市产业技术研究院，辽宁 阜新 123000）

露天矿用钻机在大型露天煤矿、铁矿、金矿等露天矿开采中发挥着重要的作用。露天矿用钻机大多采用大排量柴油机或者电机驱动液压泵组，从而带动整机液压系统的工作，由于液压系统存在一定的能量损耗，所以液压系统发热量较大，所以对液压系统的散热要求较高[1]，如果冷却效果不佳，会影响液压系统的功能，从而影响设备的正常使用。

目前常用的冷却风扇散热方式常采用水冷和风冷，与风冷散热效果相比，水冷散热效果更明显，但是受冷却水源与使用环境温度等条件限制，现在工程机械冷却风扇冷却方式全采用风冷式散热系统。

1 风扇驱动方式

风冷式散热系统，风扇的驱动方式主要有以下几种类型：①发动机直接驱动冷却风扇：此种方式，散热效率受发动机转速影响较大，风扇转速不能根据液压系统的油温单独进行速度调整；②直流电机驱动冷却风扇：由于有些工程机械大多采用柴油机作为驱动动力，缺少电力能源，电机使用较繁琐，而且电机体积较大转速较低，小功率的电机难以满足工程机械的散热要求；③液压马达驱动风扇：液压马达驱动的风扇，风扇转速可以独立于发动机转速，可实现无级变速，容易实现正反转，而且与电机相比，液压马达能够提供更大的扭矩，而且液压马达体积小，便于安装。

与传统的电机驱动相比，液压马达驱动转速较高，可以达到4 000 r/min 以上，最高转速可以达到6 000 r/min，从而提供更大风力，使冷却效果更好[2]。所以，露天矿用钻机大多采用液压驱动风扇系统。液压驱动风扇系统可分为3 种：定排量定转速系统、定排量变转速系统和变排量变转速系统。

2 定排量定转速系统

2.1 工作原理

定排量定转速系统原理图如图1。

图1 定排量定转速系统原理图

该定排量定转速的工作原理：油箱中设有温度传感器，当油温没有达到设定的启动冷却温度时，电磁换向阀的电磁铁不带电，液压油通过电磁换向阀直接回油箱，此时可以减少能量的损耗和热量的产生；当油温达到设定的启动冷却温度时，电磁换向阀的电磁铁带电，此时电磁换向阀闭合，液压油经过冷却马达流回油箱[3]，从而带动冷却马达的旋转。此时，可以通过调节手动溢流阀，调整此系统的最大工作压力。当液压泵停止工作时，在惯性力的作用下，马达仍然会高速旋转，马达的进油腔已经没有液压油的补充，便会产生负压，从而影响液压马达的使用寿命，因此，在马达的进油路与回油路之间安装单向阀，当进油路由于惯性力产生负压时，回油路的液压油会补充到进油路，从而保证液压系统的稳定运行，直至液压马达停止转动[4]。

定排量定转速液压系统的成本低，操作简单，缺点是风扇转速不能调整。而且定排量定转速系统，工作压力可以随着负载变动，但是流量不能调节，一直存在此压力下的溢流现象，造成能源的浪费，同时造成二次产热[5]。

2.2 能耗图

由于定排量定转速系统采用的是直动式溢流阀，溢流阀调定后在工作过程中压力不会随时改变，当系统流量大于马达实际使用流量时，溢流阀便会在此压力下进行溢流，从而产生能量的损耗。异常煤温处理监控如图2。图中：p 为系统压力，MPa；Q 为系统流量，L/min；p1为马达实际工作压力，MPa；p2为系统设定压力，MPa；Q1为马达实际流量，L/min；Q2为泵输出流量，L/min；■为浪费的能量，kW。

图2 异常煤温处理监控

3 定排量变转速系统

3.1 工作原理

定排量变转速系统原理图如图3。

图3 定排量变转速系统原理图

该定排量变转速的工作原理：电磁比例溢流阀控制器可以通过控制电流的大小从而控制比例溢流阀的压力，当温度传感器检测到液压油温过高时，控制系统自动提高比例溢流阀的工作压力，增大风扇转速从而满足散热要求。当油温较低时，减少转速，从而实现根据油温对风扇的自动控制[6]。

定排量变转速液压系统的成本相对较低，风扇转速可实现自动控制，缺点是仍然存在部分压力溢流损失[7]。

3.2 理论依据

风扇的转动需要克服一定的阻力，在一定的范围内，风扇的转速越快，需要消耗的扭矩就越大[8]。

式中：T 为风扇输入扭矩，N·m；p 为液压马达工作压力，MPa；V 为液压马达排量，mL。

当液压泵的排量充足时，调节系统的压力，即可控制马达的扭矩，从而控制风扇的转速。

3.3 控制方式选择

比例溢流阀的控制方式可以分为正比例控制和反比例控制2 种[9]，正比例控制就是电流越大，比例溢流阀的压力越大，从而提供的扭矩越大，风扇转速越快，反比例控制是，当电流越大时，电磁比例溢流阀压力越小，扭矩越小，风扇转速越慢。工程机械风扇转速控制常采用反比例控制，若采用正比例控制，当比例溢流阀控制系统出现故障时，将导致风扇停止转动，工程机械散热系统失去功能，从而对设备造成影响，而反比例控制方式，当比例溢流阀控制系统出现故障时，风扇以最大转速运行，能够保证设备的正常使用[10]。

3.4 能耗图

由于定排量变转速系统采用的是比例电磁溢流阀，溢流阀的压力在工作过程中可以根据液压油温度随时改变，此时的压力就是马达的工作压力，但是当系统流量大于马达实际使用流量时，溢流阀便会在此压力下进行溢流，从而产生能量的损耗[11]。定排量变转速系统能耗图如图4。图中：p 为系统压力，MPa；Q 为系统流量，L/min；p1为马达实际工作压力，MPa；Q1为马达实际流量，L/min；Q2为泵输出流量，L/min；■为浪费的能量，kW。

图4 定排量变转速系统能耗图

4 变排量变转速系统

4.1 工作原理

变排量变转速系统原理图如图5。

图5 变排量变转速系统原理图

根据比例溢流阀的调整压力，当系统达到设定压力后，变量泵自动减小斜盘角度，减小泵的排量，此时按需输出流量[12]，没有多余的流量溢流，不会二次发热。

变排量变转速液压系统的成本高，故障率较高，风扇转速可以调整。可根据液压油温控制比例溢流阀的压力。

4.2 能耗图

由于变排量变转速系统采用的是比例电磁溢流阀控制变量柱塞泵，溢流阀的压力工作过程中可以根据温度随时改变，溢流阀压力的改变可以控制液压泵排量的摆角，从而控制液压泵的输出流量，此时就会按照马达的转速需求进行油量的供给，不会有多余流量的溢流，便不会有能量的损耗[13]。变排量变转速系统能耗图如图6。图中：p 为系统压力，MPa；Q为系统流量，L/min；p1为马达实际工作压力，MPa；Q1为马达实际流量，L/min。

图6 变排量变转速系统能耗图

5 结语

1）3 种冷却系统均能满足露天矿用钻机的冷却要求，冷却效果良好。

2）定转速变量系统本质上是液压泵流量饱和工况下的压力控制转速系统，可以根据电比例溢流阀的压力改变，随时控制转速，实现转速的自动控制。

3）变排量变转速系统可以根据液压油温，自动控制变量泵的排量，无能量损耗，在节能方面明显优于其他2 个冷却系统，保证了液压油温在最佳范围内工作，可以有效地延长设备的使用寿命，但是，变量泵和比例溢流阀价格较贵，又对液压油清洁度要求较高，后期维护复杂，维护成本较高，因此此系统适用于高端工程机械。