铰接式矿用汽车泵控有源定比分流冷却系统研究

孟庆勇，孙炳玉，谢和平

(1.北京科技大学，北京100083；2.徐州徐工矿山机械有限公司，江苏 徐州221100)



铰接式矿用汽车泵控有源定比分流冷却系统研究

孟庆勇1,2，孙炳玉2，谢和平2

(1.北京科技大学，北京100083；2.徐州徐工矿山机械有限公司，江苏 徐州221100)

为了提高铰卡湿盘制动器的散热效率，提出了定比分流冷却的理念。基于这一理念，分析了冷却对象的流量需求及工作特性，设计了冷却器组件、有源定比分流组件，建立了泵控有源定比分流冷却系统。在元件布局上，进行了布置的紧凑化和集成化设计；在流量分配上，考虑了冷却流量的安全、精确分配且连续可调；在控制模式上，建立了根据冷却对象温度反馈的压力控制型泵控模型，实现了湿盘制动系统的温度控制。最后,进行了实验样机的验证，结果表明：湿盘制动系统油温在连续制动工况下油温始终低于100℃,能够满足连续制动需求。

铰卡；湿盘制动；泵控；有源定比

铰接式矿用汽车(以下简称“铰卡”)是相对于刚性自卸车而言，采用前、后车架铰接型式的自卸车。前、后车架可相对转动达45°，使转向半径大为减小，并可绕公共纵轴作相对摆动，使前后车架间的扭转载荷降为零。铰接车架和平衡梁悬挂的应用使铰卡的机动性和通过性需求得以保证。铰卡通常为2轴式或3轴式，多为全轮驱动，且每根轴上都配有差速器锁。通常采用大型宽截面型轮胎以降低接地比压，保证车辆在松软或泥泞路面上的通过性。铰卡主要用来在恶劣的“越野”路况进行物料运输，往往是长距离的满载下坡，这对车辆的制动稳定性提出了很高的要求。

为了满足苛刻的制动能力要求，通常在铰卡每个轮边均配置一个行车制动器，以最大化增强其制动能力[5]。在进行长时间大负荷行车制动过程中，车辆制动势能在制动器处转变为热能。为了快速耗散制动器处产生的大量热量，通常采用冷却油液将制动器处产生的热量带走，并通过冷却风扇将油液冷却，使油液温度保持在合理的范围内[8]。

1 冷却对象的流量需求

铰卡行车制动系统的冷却对象是装配在前、中、后3个驱动桥轮边内侧的6个湿盘制动器，布置形式见图1。

图1 铰卡湿盘制动器布置形式

铰卡行车制动力应与相应车桥的满载载荷成正比。本例中，铰卡前、中、后桥载荷之比见式(1)。

Ifa∶Lma∶Lra=C1∶C2∶C3

(1)

式中：Lfa、Lma、Lra分别为前、中、后桥满载载荷；C1、C2、C3表示3个常数。

各桥制动力与相应载荷成正比[3]，且各桥轮边转速近似相等，可知各桥发热功率与满载载荷成正比[2]，见式(2)。

(2)

式中：Hfa、Hma、Hra分别表示前、中、后桥行车制动器发热功率。

对各桥制动器进行冷却时，输入冷却油液的温度相同，为实现制动器等温差降温，各桥冷却流量与制动器发热功率应成正比[1]，见式(3)。

(3)

式中，qfa、qma、qra分别表示前、中、后桥行车制动器冷却流量。

综合式(1)～(3)，可得式(4)。

qfa∶qma∶qra=C1∶C2∶C3

(4)

式(4)表明，为了实现各桥湿盘制动器的等温差降温，输入各桥的冷却油液流量须与其满载负载成正比。

2 冷却元件的工作特性

铰卡湿盘制动冷却系统采用由液压马达驱动的风冷冷却器作为冷却元件，其外形及原理见图2。

图2 马达驱动风冷冷却器外形及原理图

此类冷却器的冷却功率与温差、散热器散热材料、散热流体流量及冷却风流量相关。其选型根据最大散热功率工况进行确定，一旦冷却器选型确定之后，在具体某一运行工况下，实时散热功率仅与冷却风及散热流体流量相关。根据离心式流体机械工作特性可知，风扇冷却风流量与转速成正比，而其驱动扭矩则与风扇转速的平方成正比，见式(5)。

T∝n2

(5)

式中：T为风扇驱动扭矩，即马达输出扭矩；n为风扇转速，即马达转速。

驱动扭矩T可表示为式(6)。

(6)

式中：Δp为马达驱动压差；Vg为马达排量。

结合式(5)和式(6)可以得到式(7)。

Δp∝n2

(7)

在散热流量一定的情况下，通过控制马达驱动压差可以实现对风扇的转速控制，进而实现对冷却器冷却功率的控制。由于马达出口压力基本恒定，则通过控制马达入口压力即可实现对冷却器冷却功率的控制，进而控制冷却系统的温度。

3 有源定比分流组件的设计

针对冷却对象的流量需求，为了实现前、中、后三桥的定比冷却流量分配，设计了有源定比分流组件，结构及原理见图3、图4。

图3 有源定比分流组件结构

图4 有源定比分流组件原理图

小流量高压液压油通过P口进入有源定比分流组件，驱动液压马达转动，马达通过公共轴驱动与之串联的3个液压泵以相同的转速转动。开关电磁阀用于控制液压马达的旁通功能，当系统不需提供冷却油液时，开关电磁阀得电，来自P口的驱动液压油经开关电磁阀通往T口，冷却泵停止工作。安全单向阀用于设定冷却泵的最大输出压力，保护湿盘制动器免遭高压击溃。

有源定比分流组件中的关键元件是一台特别设计的马达泵，其中的马达、泵均为齿轮式结构，内部通过通轴驱动形式保证马达和串联的3个液压泵具有相同的转速，结构形式见图5。

图5 马达泵结构

根据液压泵的流量工作特性，见式(8)。

(8)

式中：qp1、qp2、qp3分别表示1#、2#、3#泵流量；Vg1、Vg2、Vg3分别表示1#、2#、3#泵排量；ηV1、ηV2、ηV3分别表示1#、2#、3#泵容积效率，三者近似相等，大约为0.9[6]。

故可得式(9)。

qp1∶qp2∶qp3=Vg1∶Vg2∶Vg3

(9)

式(9)表明通过确定三个齿轮泵的排量比值可以控制三个泵的输出流量比值[7]，1#、2#、3#齿轮泵输出流量分别供给前、中、后桥湿盘制动器进行冷却，结合式(4)可得式(10)。

Vg1∶Vg2∶Vg3=qfa∶qma∶qra=C1∶C2∶C3

(10)

根据式(10)可确定马达泵中三个泵的排量比值。

4 泵控有源定比分流冷却系统的设计

基于以上分析，综合电控变量泵及油源定比分流组件，设计了泵控有源定比分流冷却系统，系统原理见图6。

电控变量泵为压力控制型电控泵，控制特性见图7。当无电气信号输入时，输出保持最大压力，之后输出压力随输入信号的增大而降低，但即使输入电信号达到100%的峰值，液压泵输出仍将保持一定压力(接近但并非零压)。采用该型电控泵的目的是保证在无信号输入的故障发生时，系统仍能全负荷运转，使湿盘制动器得到充分冷却。同样，有源定比分流组件中开关电磁阀的选型为断电关闭的形式，也是出于故障工况的安全保障目的。

液压泵输出的油液先后经过冷却风扇马达及有源定比分流组件中的齿轮马达，提高了液压泵的压力利用水平，降低了系统的流量需求，是一种以压力换流量的配置策略。

通过配置在车桥湿盘制动器冷却回油路上的6个温度传感器实时监控各制动器的温度情况，以便参与控制并作故障诊断。系统通过该温度传感器感知流经湿盘制动器油液的实时温度，进而控制电控变量泵及电磁开关阀的动作。

系统运行时的具体控制逻辑是：当起始冷却油液温度处于合理的范围内，系统无需冷却时，电控变量泵输入最大控制信号，液压泵输出最低压力，同时开关电磁阀得电，低压油液经过电磁阀返回液压油箱，马达泵仅在残余压力的作用下缓慢运行；当冷却油液温度高于目标温度时，开关电磁阀断电，电控变量泵输入电信号降低，通过湿盘制动器的冷却油流量增大，冷却风扇转速升高，从而使冷却油液温度降至合理的范围内；反之，当油液温度低

图6 泵控有源定比分流冷却系统原理图

图7 电控变量泵控制特性

于目标温度时，开关电磁阀同样断电，电控变量泵输入信号升高，通过湿盘制动器的冷却油流量减小，冷却风扇转速降低，从而冷却油液温度升至合理的范围内。

除此之外，采用了具有压力保护功能的弹簧预压式单向阀，用以保护车桥湿盘冷却器，避免产生高压冲击造成漏油、损坏等故障。

5 样车试验结果

为了验证泵控方案及定比分流的可行性，采用开环控制方式人为强制使图5中的电磁阀1处于失电状态，为图7中的电控变量泵1提供0%、20%、40%、60%、80%及100%的输入信号输入，对马达泵的工作压力、转速及各泵的输出转速进行监测，试验测试结果见表1。

表1 泵控定比分流数据检测表

为了验证闭环控制情况下的温控效果，对样车进行连续4h满载制动试验，其制动油温与散热器风扇转速的试验结果见图8。

图8 满载制动试验下风扇转速、制动油温与时间关系

根据试验结果可以看出，在正常的温度区间内，散热器风扇转速跟制动油温存在比较合理的关联特性，且在制动油温进入85℃以上的高温区间时，风扇转速达到最大值，且保持在最大值，直到油温低于高温区间。在整个试验期间，油温没有进入100℃以上的报警区间。

6 结论

基于泵控有源定比分流冷却方案及其试验结果，本文得出如下结论。

1)通过恒压电控变量泵对冷却风扇和冷却马达的串联驱动，建立有源泵控和冷却系统的复合模型，实现对冷却风量和冷却流量的同步控制。

2)采用冷却马达通轴驱动三联冷却泵的方式，且每个冷却泵配置集成式安全阀，建立了完全独立且流量定比的散热系统，使整车冷却系统具有更高的安全性和可靠性。

3)以各个车桥冷却油温为基础，借助恒压电控变量泵建立具有反馈机制的油温控制模型，使冷却系统在最节能的条件下满足各个车桥的散热要求。

通过泵控有源定比分流冷却的理念，设计和优化的XDA45铰卡湿盘制动冷却系统，在各种工况均实现了温度控制，实现了预期目标。本文提出的理念同样对有定比分流及压力连续可控要求的系统具有的借鉴作用。

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Research on pump-controlling active constant proportional flow-divided cooling system of articulated dump truck

MENG Qing-yong1,2, SUN Bing-yu2, XIE He-ping2

(1. University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. XCMG Mining Machinery Company Limited, Xuzhou 221100, China)

In order to improve the radiating efficiency of the articulated dump truck’s wet multiple brakes, the paper puts forward the idea of pump-controlling active constant proportional flow-divided cooling hydraulic system. Basing on the idea, the paper analyzes the flow requirement of cooling object and properties of cooling actuator，designs cooler and active constant proportional flow-divided assembly, establishes pump-controlling active constant proportional flow-divided cooling hydraulic system. In the layout, achieving compact and integrated arrangement of component. In the flow distribution, considering continuous adjustable safe accurate flow division. In the model of control, establishing the pump-controlling model of pressure control type based on the temperature feedback of the cooling object, achieving temperature control of wet multiple braking system. Finally, through the prototype experiment was made, the results show that the coolant tempertures of the wet multiple braking system are less than 100 degree during continuous braking condition and meet the needs of continuous braking.

articulated dump truck; wet multiple brake; pump control; active constant proportion

2016-02-10

孟庆勇(1972-)，男，汉族，博士研究生，研究员级高级工程师，研究方向为非公路矿车自卸车关键技术。E-mail:18005210000@qq.com。

TH137.9

A

1004-4051(2016)11-165-04