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1、 论文提交日期 论文答辩日期： 学位授予日期： 学科门类： 答 辩 委 员 会 主席： . 6 If 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行 科学研究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮 助和做出重要贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本 声明的法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文 的规定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送 交论文纸质本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权山东农业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印或其他复印手 段保存论文和汇编学位论文。
2、 保密论文在解密后应遵守此规定。 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 符号说明 tf 传热介质的温度 ta 周围环境空气温度 传热介质的温度 Q与周围环境空气温度的差值 Qw冷却系统散走的热量 （ kJ/s) Vw 冷却水的循环量 va 冷却空气需要量 A 传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比 ge 内燃机燃料消耗率 （ kg/(kW-h) Ne 内燃机功率 （ kW) K 燃料低热值 （ kJ/kg) Atw 冷却水在内燃机中循环时的容许温升 （ C) rw 水的比重 水的比热 Ata 空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差 （ C) ra 空气的重度 cpo 空气的定压比热 NP 水泵
3、的消耗功率 （ W) VP 水栗所需的泵水量 (m3/*y) 山东农业大学硕士学位论文 Jv， p 水栗的容积效率 pP 水泵的泵水压力 rKp 水泵的液力效率 Tmtp 水泵的机械效率 Nf 风扇消耗功率 VhJ 风扇的液力效率 71vJ 风扇的容积效率 rjmf 风扇的机械效率 pf 风扇的压力 Tqp 水泵的转矩 Tqf 风扇的转矩 Tq 风扇的修正转矩 TM 液压马达的实际输出转矩 TMO 液压马达的理论输出转矩 rjmM 液压马达的机械效率 PU 液压马达的工作压力 VM 所求液压马达的排量 QM 液压马达实际所需的流量 pp 液压油泵的最高工作压力 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设
4、计 YAP 液压油泵的出油口到液压马达进油口处总的压力损失 QP 液压油泵的最大供油量 !max同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值 VB 液压油泵的排量 0； 液压油栗的实际输出流量 Pp 液压油泵的轴输入功率 Jpv 液压油泵的容积效率 J7p 液压油泵的总效率 inin 冷 -却风扇的最丨氏稳、定转速 Vy 油箱的有效容量 m 油箱的经验系数 qP 液压栗的额定流量 V； 油箱的实际容积 7pm 液压油泵的机械效率 液压油泵所发出的热流量 0r 溢流阀发出的热流量 0 系统其它部分产生的热流量 0).v 系统中所发出的总热流量 油箱自然散发的热流量 山东农业大学硕士学位论文 目录 中
5、文摘要 . 1 英文摘要 . 3 1前 . 5 1.1发动机冷却系统 . 5 1.1.1冷却系统的功用 . 5 1.1. 2冷却系统的有效性及传热分析 . 5 1.2课题背景 . 7 1.2. 1当前筑路机械冷却系统存在的问题 . 7 1.2. 2当前发动机冷却风扇驱动方式的发展及现状 . 9 1. 3液压传动的优缺点及液压调速方式 . 13 1.3. 1液压传动的优缺点 . _13 1.3. 2液压调速方式 . 15 1.4课题的提出 . 16 1. 4. 1国内外对电液比例技术控制冷却系统的研究 . 16 1.5该课题研究的意义 . 17 1.6研究内容及技术要求 . 18 1.6. 1研
6、究内容 . 18 1. 6. 2筑路机械冷却装置液压驱动系统的要求 . 18 2系统的总体设计方案 . 19 2.1系统总体方案 . 19 2. 2系统具体技术路线及实现的功能 . 20 2.2. 1发动机冷却系统 . 20 2. 2. 1.1组成特点 . 20 2.2. 1.2控制原理 . 21 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 2. 2. 2液压油冷却系统 . 22 3. . 原冷却系统中水泵风扇消耗功率及转距的确定 . 23 3. 1原冷却系统中的原始参数 . 23 3. 1.1散热量的计算 . 23 3, 1. 2冷却水的循环量 的计算 . 24 3, 1.3冷却空气需要量 的计算
7、. 25 3, 2原冷却系统水泵及风扇消耗功率的计算 . 25 3. 2. 1水泵消耗功率的计算 . 25 3.2. 1. 1水泵所需的泵水量 . 26 3. 2. 1. 2水泵的泵水压力 ; . 26 3. 2. 1.3水泵消耗功率的计算 . 26 3. 2. 2风扇消耗功率的计算 . 27 3. 3原冷却系统驱动水泵及风扇转矩的计算 . 28 3. 4功率转矩的修正 . 29 4液压马达、液压油泵的选型 . 30 4.1液压马达的选型计算 . 30 4.1.1液压马达类型的确定 . 30 4.1. 2液压马达主要参数的确定 . 32 4.1. 2. 1液压马达输出转矩的确定 . 32 4.
8、 . L 2. 2选定工作压力 ; . 32 4. 1. 2. 3液压马达排量的确定 . 32 4. 1. 3液压马达型号的确定 . 33 山东农业大学硕士学位论文 4.1. 4确定液压马达的实际所需最大流量仏 . 33 4. 2液压油泵的选型 . 34 4. 2. 1确定液压油泵的类型 . 34 4. 2. 2确定液压油泵的最高工作压力； . 36 4. 2. 3确定液压油泵的最大供油量心及排量 . 37 4. 2. 3. 1液压油泵最大供油量的确定 . 37 4. 2_ 3. 2液压油泵排量 6的确定 . 37 4. 2. 4选择液压油泵的规格型号 . 38 4. 2. 4. 1选择液压油
9、泵的注意事项 . 38 4. 2. 4. 2选择液压油泵的规格型号 . 38 4. . 2.4. 3确定液压油泵的实际输出流量和轴输入功率 . 39 5阀类元件及比例控制放大器的选型 . 39 5. 1阀类元件的选型 . 39 5. 1.1确定控制阀的种类 . 40 5. 1.2压力控制阀 . 40 5. 1.3溢流阀 . 42 5. 1. 3. 1液压系统对溢流阀的性能要求 . 42 5. 1.3. 2确定溢流阀的类型 . 43 5. 1. 3. 3确定溢流阀的控制方式 . 49 5. 1.4电液比例控制阀 . 49 5. 1. 5先导式电磁比例溢流阀的工作原理 . 50 5. 1. 6确定
10、电液比例溢流阀的型号 . 51 5. 1. 7确定冷却风扇的最低稳定转速 _ . 52 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 5. 2比例控制放大器的选择 . 53 5. 2. 1确定比例控制放大器的型号 . 53 5. 2. 2比例控制技术基本工作原理 . 53 6液压辅助元件及冷却液温度传感器的选择 . 54 6.1液压辅助元件的选择 . 54 6. 1.1油箱的设计 . 55 6. 1.2过滤器的选择 . 57 6.1.2. 1粗过滤器的选择 . 58 6. 1.2. 2精过滤器的选择 . 59 6. 1. 3冷却器的计算、选型 . 60 6. 1.3.1确定冷却器的类型 . 60 6.
11、1.3. 2确定冷却器的型号 . 61 6. L 4管路的选择 . 63 6. 2冷却液温度传感器的选型 . 64 7测试记录 . 64 7.1温度变送器输出信号随输入温度信号的变化规律 . 65 7. 2比例溢流阀控制特性的测试 . 67 8结论与展望 . . 69 8. 1结论 . 69 8. 2 展望 . 70 8. 2_ 1课题展望 . 70 8. 2. 2筑路机械冷却系统的发展展望 . 71 参考文献 . 72 雜 . 77 攻读硕士学位期间发表的论文 . 78 山东农业大学硕士学位论文 摘要 当前筑路机械的冷却系统风扇主要是采用了传统曲轴定转动比驱动， 且同一冷却系统风扇同时承担着
12、发动机和筑路机械传动系统、液力举升以 及转向系统液压油的散热任务，散热强度极大。这种驱动方式使筑路机械 发动机起动转矩大、预热时间长、低速大负荷时冷却不足、高速小负荷时 冷却能力过剩，从而造成发动机冷却不合理，风扇耗能较大，降低了发动 机的动力输出，而且风扇安装位置受限，工作噪声大。 本课题设计了一种新型的冷却系统，该系统采用两种驱动方式共用一 个电控单元，分别对发动机冷却系统和液压油冷却系统进行合理控制。它 既可以解决筑路机械在施工中常出现的发动机过热和液压传动系统冷却 不足的问题，而且可以将风扇分开放置，冷却合理可靠。 本论文对该冷却系统的工作原理、特别是发动机冷却装置液压驱动系 统的主要
13、液压元件的参数计算、选型及比例溢流阀的选择匹配等设计作了 详细论述。系统的特点及其 实现的功能为：不同于以往单一式的冷却系统， 本系统将整个冷却系统分成了两个主要部分：发动机冷却系统和液压油冷 却系统，这两个系统分别对发动机和液压油冷却，并由电控单元进行统一 控制。其中发动机冷却系统采用了液压驱动方式实现了风扇转速的无级调 节，系统可以根据冷却液温度和目标冷却液温度调节系统中比例阀的控制 电流，进而控制风扇转速。液压油冷却系统采用了电机驱动，然后由电控 单元根据液压油的温度控制电机的起停。两种风扇驱动方式分别根据不同 的冷却要求，独立工作。 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 该设计方案是经过
14、大量的科学调研及现场考察后制定的，不仅可以解 决筑路机械发动机过热和液压油冷却不足的问题，而且还具有安装灵活、 节省燃油、降低噪声、体积小、功率大等优点，将之推广运用到筑路机械 中，将会获得良好的社会经济效益。 关键词：筑路机械；冷却系统；比例溢流阀；风扇 山东农业大学硕士学位论文 Abstract The cooling system fan of the road-building machinery at present mainly adopts the traditional crankshaft fixed transmitting ratio type driving, and
15、the same cooling system fan is bearing the heat dissipation of the engine and hydraulic oil of road-building machinery transmission system, hydraulic lifting and steering system at the same time. The heat dissipation is great in intensity. This type of driving method caused the engine of road-buildi
16、ng machinery has high start torque, long preheating time, undercooling at low-speed high-load and overcooling at high-speed low-load, unreasonable cooling, and too much power consumption by the fan, which decreased the power output, and the fix location of the fan is limited, and the operation noise
17、 is high. In the project we designed a cooling system of new style, which adopts two driving way using one electronic controlled unit together and rationally control the cooling system of the engine and hydraulic oil separately. It can not only settle the problems of over heat of engine and undercoo
18、ling of the hydraulic transmission system which often happen under construction of road-building machinery, but also put the fans separately , and the cooling is reliable and rational. The thesis describes in detail the cooling system operating principle, especially the parameter calculation and sel
19、ection of the main hydraulic element of the hydraulic drive system on the road-building machinery engine cooling device, and the selecting and matching of proportional spill valve and other designs, etc. The feature and function to be performed of the system: Being different to the traditional singl
20、e cooling system, this system divided the whole system into two parts: cooling system for engine and cooling sys3 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 hydraulic oil, and both of them are controlled by electronic controlled unit. The cooling system of engine adopted the way of hydraulic driving to realize the stepless
21、speed regulation of the fan. The system can adjust the control-current of the proportional value according to the coolant temperature and the target coolant temperature so as to control the speed of the far. The cooling system for the hydraulic oil adopts motor drive, then the electronic controlled
22、unit controls the motors starting and stopping according to the temperature of the hydraulic oil. The driving ways of these two kinds of fans work independently according to different cooling directions. The design scheme made after a large amount of science investigation and research and on-the-spo
23、t investigation can not only resolve the problems of over heat of engine and undercooling of hydraulic oil, but also have the following advantages: easy to fix, saving fuel, reducing noise, small volume, high power, etc. And good social economic efficiency will be achieved when this design is widely
24、 applied in the road-building machinery. Keywords: Road-building machinery; Cooling system; Proportional spill valve; Fan 4 山东农业大学硕士学位论文 1 刖目 1.1发动机冷却系统 1丄 1冷却系统的功用 内燃机工作时，缸内燃油燃烧所产生的热量只有一部分转化为有效 功，其余大部分则损失掉，其中需要靠冷却介质带走的热量约占燃油总热 量的 1/3左右 W。 燃油雾化混合物在气缸内燃烧过程中温度高达 1730 2400 C2，会使直接与高温气体接触的机件（气门、气缸盖、气缸套、
25、气缸壁 及活塞等 ），由于吸收了大量的热量，温度迅速升高，机械强度下降。这 样大的一部分热量，这样高的温度，单靠内燃机的自然散热和迎面冷风冷 却散热器是远远不能满足散热要求的，所以为了确保内燃机有足够的冷却 强度，必须保证有必要的冷却通风量，因此必须使用冷却风扇组织一个比 较有效的冷却系统，对工作在高温条件下的各个机件主动进行适度冷却， 以保证内燃机工作在最佳温度范围内。 1.1.2冷却系统的有效性及传热分析 冷却系统的功用或效能，可用冷却系统的有效性来表示。冷却系统的 有效性，用传热介质 （ 冷却水、机油、传动油等）的温度 与周围环境空 气温度 L的差值 A/来表征，即 f t a (1-1
26、) Af越小，则系统有效性就越高，即冷却效果好。当环境温度为从发 动机或传动装置等流出的传热介质的温度达到允许极限时，该环境温度 就被认为是冷却系统效能的极限。对于活塞式发动机，冷却水的正常工作 5 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 温度范围为 80 90 C3;液压传动系统中，液压油的温度一般应控制在 30 50 C范围内 4。 为确保内燃机工作在最佳温度范围内，冷却系统必需有热源和冷源。 对于各类汽车和拖拉机，发动机气缸内的高温燃气是冷却系统的主要热 源；对于工程机械 （ 如筑路机械等 ）， 除高温燃气外，还有传动装置运动 件和液压油因其它形式的能量转化成热能所形成的热源。冷却系统的冷
27、源，是车辆周围环境。典型的车辆冷却系统的传热，是把热源传导到受热 件上的热，依靠传热介质把它吸走并传输到冷却系统的热交换器 （ 水散热 器、油冷却器等 ） 中，再由车外吸入的冷却空气疏散到冷源中去，以保持 发动机和传动装置等正常工作的热状态，如图 1-1所示。 图 -1发动机冷却系统散热过程 Fig. 1-1 The Heat Dissipation Course of the Engine Cooling System 由图可见，冷却系统能否及时地将发动机受热件和传动装置发热件的 热传输到车外环境中散掉，与冷却系统的水散热器、油冷却器等热交换器 有密切的关系，影响冷却系统散热性能的因素主要有
28、：散热器的散热面积、 单位时间内散热器的通风量和系统的水循环性能。因此，如果散热器己确 定，要提高冷却系统的散热性能，可从减小风阻、增大通风量、改善散热 器的水循环性能 5和增大散热器内外两侧的温差等方面入手。 山东农业大学硕士学位论文 1.2课题背景 1.2.1当前筑路机械冷却系统存在的问题 筑养路机械经常低速大负荷工作在高温、多粉尘的恶劣环境中，使用 这些设备时，发动机产生的热量多，又没有良好的迎风散热条件，所以常 常出现发动机过热和液压油温度过高等现象，致使设备不能正常工作，既 增加了作业成本，又影响了工程进度。同时，在高速、中小负荷工作时， 冷却能力严重过剩，使发动机预热缓慢，传热损失
29、太多，导致发动机过度 冷却，从而造成燃油浪费，发动机零件的磨损增加等。 导致以上问题的原因之一是目前国内该类机械中冷却风扇一般采用 传统的驱动方式。传统驱动方式中冷却风扇一般是和水泵一起由发动机曲 轴通过 v型皮带以定传动比驱动，使冷却空气通过散热器带走冷却水的 热量。这种机械驱动方式，使风扇的冷却能力仅随发动机的转速而变，却 不能随发动机的热状态和环境温度的改变而自动变化，所以必然会造成低 速、大负荷在工地上工作时，冷却能力严重不足，而高速、中小负荷工作 时冷却 过度等现象，从而不能完全满足实际散热需要等问题。另外，该冷 却系统的冷却能力是按最大热负荷工况设计的，所以还存在着启动转矩较 大，
30、预热时间长，风扇耗能大等不足。该冷却系统在冷却发动机的同时， 还担负着工程机械传动系统和液力举升以及转向系统液压油的散热任务， 散热强度非常大，但由于驱动方式的限制，使风扇的安装位置受限，同时 也限制了散热器的安装位置。冷却风扇的传统驱动方式及散热器的安装普 遍如图所 1-2所示。 由图 1-2可以看出，冷却风扇的传统驱动方式结构简单，成本较低， 但因一个风扇同时完成发动机和其它系统液压油的冷却工作，所以必须把 多个散热器（如液压油等散热器 5、发动机散热器 6)都安装在风扇前面。 7 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 Fig. 1-2 The Traditional Drive Way o
31、f the Cooling Fan and Installation of Radiator 1.变速器 2.发动机 3.风扇皮带轮（主动 ） 4.风扇皮带 5.液压油等散热器 6.发动机散热器 7.冷却风扇 8.风扇皮带轮（从动 ） 冷却空气进入液压油等散热器 5时的温度为周围环境空气温度，假 设经过液压油等散热器 5后即进入发动机散热器 6时的空气温度为由 于冷却空气经过散热器 5时吸收热量，所以冷却空气的温度 ;同时 由于散热器5的阻挡作用， 使冷却空气的流动速度降低。 因此，这种并置式的安装方式增大了冷却空气的流动阻力，减小了冷 却空气与冷却液之间的温差，从而降低了冷却空气与散热器中冷
32、却液的热 交换速度，影响了散热效果，这样，该机械不仅增加了发动机的功率消耗， 而且低速大负荷工作一段时间后，易造成发动机过热或液压系统过热而暂 停工作的现象。 筑路机械长时间在过热温度下工作会带来以下不良后果： (1) 过高的温度会造成发动机充气系数下降，致使燃油不正常燃烧 (不 完全燃烧、爆燃、早燃等 )，从而增加了耗油率，降低了输出功率： (2) 发动机经常在过高温度下工作，会使高温零件（如活塞、气缸盖 等）的刚度和强度下降很大，造成磨损加大，影响该部分零件及周围结构 的可靠性及使用寿命，严重时发生变形甚至折断，造成发动机发生故障甚 至报废6; 8 山东农业大学硕士学位论文 (3) 过高的
33、温度会造成润滑油变质和烧损，最终会导致润滑系统工作 不良，使零件的摩擦和磨损加剧，从而增加了内部消耗，降低了发动机的 使用寿命； (4) 液压传动系统液压油温度过高，将使油液迅速老化变质，同时使 油液的粘度降低，造成元件内泄露量增加，系统效率降低； 筑路机械长时间在过低温度下工作会带来以下不良后果： (1) 内燃机经常在过度冷却（冷却水温度 40 50 C)下使用时，其零 件磨损加剧，比正常工作温度 （ 80 90 C)下运转大好几倍 3; (2) 液压传动系统油温过低，将使油液的粘度过大，造成油泵吸油困 难； (3) 发动机工作粗暴，散热损失和摩擦损失增加。 1.2.2当前发动机冷却风扇驱动
34、方式的发展及现状 随着社会文明的进步，人们对于车用发动机的性能要求也越来越高， 降低耗能、减少噪声已是现代车用发动机设计必须考虑的两大问题，发动 机传统冷却系统中的冷却风扇不仅是一个明显的耗能部件，而且也是一个 较大的噪声源 7。为解决发动机冷却风扇传统驱动方式所带来的问题，当 前对冷却系统风扇驱动方式的改进方案主要集中在以下三个研究方面： 1) 离合器式风扇 离合器式风扇驱动系统可以实现内燃机温度开关控制，最常用的离合 器式风扇是硅油离合器式风扇，该设计利用了粘性液体在传动中，液体粘 性剪切作用所能传递的力与受剪切油膜的动力粘度和剪切速度成正比，与 油膜厚度成反比的特性，即只要油膜的厚度足够
35、小，受剪切作用的油膜面 积足够大，就可以传递很大的力。该风扇在工作过程中受剪切作用的油膜 厚度不变，通过改变油膜剪切面积实现调节风扇转速的作用 8。 9 筑路机械冷却装置液压驱动系统的设计 离合器式风扇可以将发动机的工作温度控制在一定的范围内 （ 如：常 用的硅油离合器风扇可将内燃机温度控制在 80-95 C范围内 9)，与传统风 扇相比具有明显的节能效果 （ 可节油 3/5%) 1()，而且离合器体积小， 安装方便，目前 在车辆上得到广泛的使用。 但是离合器式风扇在离合器结合时，冷却系统仍然是由发动机带动的 定传动比驱动，因此定传动比驱动冷却风扇的缺点没有从根本上得到解 决，而且风扇的安装位
36、置受到限制，从而限制了散热器的安装，由此带来 的冷却空气流动阻力增加，风扇耗能大的问题无法解决。并且离合器式风 扇在高速下的频繁离合，会给发动机造成新的载荷和热应力冲击，长期的 运转必然会降低发动机和散热器的使用寿命；实验表明，离合器高速状态 下的频繁离合，使内燃机各项性能指标值不断跳跃，造成内燃机、传动系 及整车工作的不稳定，并使噪声加 大 2) 电动冷却风扇 同样为了解决耗能问题，在 20世纪 80年代，发达国家开始研究电动 冷却风扇，该风扇利用电机驱动。最早的电动冷却风扇是在 1981年美国 的一个专利号为 US4257554的文件中提出的 11，该专利首次提出了用电 动冷却风扇取代发动机曲轴通过皮带驱动的冷却风扇，当汽车低速大负荷 行驶时，由于迎面风对散热器的冷却作用不强，所以发动机水温上升，当 发动机超