煤矿用防爆柴油机冷却风扇液压驱动系统研究.pdf

自动化与仪器仪表 2 0 1 4 年7 期 总第 1 7 7 期 煤矿 用防爆 柴油机冷却风扇液压驱动 系统研 究 刘继全 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原，0 3 0 0 0 6 摘要 防爆柴油机是煤炭开 采设备使用 的主要动力源。当前防爆柴油机冷却系统风扇主要采用 传统曲轴定转动 比驱动 ，无法完全适应煤矿井下复杂的工作条件 ，造成风扇功耗大 ，冷却效果差 ，空 间布置受限等 问题。本文研究了防爆柴油机冷却系统结构 ，提出了采用液压驱动方式 ，分别对冷却系 统中的不同组成进行独立控制的解决方案 ，从而改善了系统过热、过冷情况。将风扇与防爆柴油机分 开布置 ，使得系统设计更加灵活 ，可以适应更多的应用场合。 关键词 防爆柴油机 ；冷却风扇 ；液压驱动 D OI 编码 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 9 2 2 7 ． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 0 3 3 Ab s I r a c t T h e e x p l o s i o n p r o o f d i e s e l e n g i n e i s t h e k e y p o we r f o r c o a l mi n i n g e q u i p me n t ．Th e fi x e d t r a n s - m i s s i o n r a t i o d r i v i n g m o d e f o r t r a d i t i o n a l be n t a x l e i s c u r r e n t for t he c o ol i ng s ys t e m f a n of e xp l o s i o n-- p r o of d i e - - s e l e n g i n e ． I t c a n n o t a d a p t t h e c o mp l i c a t e d wo r k i n g c o n d i t i o n s u n d e r g r o u n d c o a l mi n e a n d s o me p r o b l e ms s u c h a s l a r g e fan p o we r d i s s i p a t i o n ， p o o r c o o i n g e ff e c t ， l i mi t e d s p a t i a l a r r a n g e me n t ， we r e ma d e ． I n t h i s p a p e r , t h e c o o l i n g s y s t e m s t r u c t u r e o f e x p l o s i o n - p r o o f d i e s e l e n g i n e wa s s t u d i e d ． An d a s o l u t i o n o f u s i n g h y d r a u l i c a l l y p o we r e d c o n t r o l mo d e fo r di ffe r e n t pa r t s o f c o ol i n s y s t e m wa s p r e s e n t e d． An d i t c a n r e s o l v e t he p r o bl e ms o f s y s t e m o v e r h e a t i n g o r u nd e r c o o l i n g．The a i r fan a n d e x pl o s i o n p r o o f d i e s e l e ng i n e we r e a rra n ge d s e pa r a t e l y a n d i t ma d e s y s t e ma t i c d e s i g n mo r e f l e x i b l e a n d a d a p t e d mo r e a p p l i c a t i o n ． I wo r a s ． E x p l o s i o n p r o o f d i e s e l e n g i n e ； C o o l i n g f a n ； Hy dra u l i c d r i v e 中图分类号 T D 7 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 9 2 2 7 2 0 1 4 0 7 0 0 3 3 0 3 0 引 言 大量现代化煤矿机械普及使用，使采用防爆柴 油机作 为动 力源 的防爆无轨 胶车 也得到 了长足发 展。防爆柴油机动力强劲，燃料加装灵活等一系列 优势 已经得到广 大用户的认可 。防爆柴油机必须配 备冷却装置才能保证其正常稳定 的工作 ，温度过高 或者 过低 都不利于 其工作 ，经常 出现拉缸 、排放 差、油耗高等一系列问题 。 1 柴油机冷却风扇驱动方式 1 ． 1 曲轴 驱 动 曲轴驱动是传统的冷却风扇驱动方式，冷却风扇 与水泵均 由曲轴端皮带轮或者正时室内齿轮驱动，该 类型为定传动比驱动。曲轴驱动方式使风扇的冷却能 力仅随柴油机的转速而变，不能随柴油机的热负荷与 环境温度变化而 自动变化 ，因此这种方式必然会造成 收稿日期2 0 1 4 0 5 2 2 作 者 简介 刘 继 全 1 9 8 0一 ，男 ，汉 族 ，重 庆 永 J 人，助理研究员，工学硕士，主要从事煤矿机械设计制造。 低速 、大负荷工况时，冷却能力不足，出现过热现 象，而高速、小 负荷工况时冷却过度，出现过冷现 象，无法满足实际散热需要。随着技术的发展，在传 统曲轴驱动的方式上，改进 出了一种离合器式风扇 ， 它可 以实现柴油机温度控制。目前最常用的离合器式 风扇是硅油离合器式风扇，这种驱动方式利用了硅油 粘性液体在传动过程中，其所能传递力的大小与温度 成正 比的特性 ，理论上实现曲轴与风扇驱动 的无级调 速。离合器体积小，便于安装，这种方式驱动风扇能 够将柴油机工作温度控制在一定的范围内，而且与直 接驱动方式相比具有一定的节能效果。曲轴驱动方式 布置 图，如图1 所示。 图1 曲轴驱动布置图 蚀 33 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤矿用防爆柴油机冷却风扇液压驱动系统研究刘继全 离合器式风扇并没有从根本上改变 曲轴风扇定 传动 比的特 点，风扇安装位置也受到限制 。离合器 高速频繁离合，增加柴油机 的负荷与热冲击 ，使柴 油机工作不稳定。 1 ． 2电机 驱动 电机驱动是采用 电机直接驱动冷却风扇旋转 的 一 种驱动方式 ，它独立于柴油机 ，与柴油机 曲轴转 速没有关系，电机转速独立可调 。上世纪 8 0 年代 ， 电机驱动方式 出现 ，经过几十年的发展，尤其是 自 动控制技术 的辅助，已成功设计并大量使用 的跟随 柴油机 热负荷变化而 自控 电机 驱动风扇 的冷却 系 统，如图2 所示。 敞 热 器 组 图 2 电机驱动不意 图 电机驱动可以实现风扇在柴油机不同热负荷工 况下进行相 应转速 的调速 ，做到 “ 按需而供” ，散 热器组 、风扇等冷却系统部件可 以独立布置 ，因此 这种方式的冷却系统布置安装灵活。由于 电机驱动 的风扇 ，其转 速是按热 负荷严重程度 变化而 变化 的，在 热 负荷低 的时候 ，风扇转速低 或者停 止转 动，因此具有 明显的节能效果 ，并且柴油机热机 很 快。电机驱动的缺点在于车用 电池容量太小 ，不适 合驱动大功率 的风扇冷却系统 ，目前在轿车及微型 客车上使用普遍。对于煤矿车辆，由于使用环境的 特殊性 ，必须对所设计的电路系统及所选 电器部件 进行 防爆 处理 ，获得 国家 安标局 的安全认证标 志 电机为防爆 电机 ，蓄电池为防爆蓄 电池 ，电气 系统为 防爆 电气系统等 ，元部件体积都 比较大 ，布 置使用都存在 困难 ，因此 目前在煤矿 防爆柴油机上 并没有得到推广使用。 1 ． 3液压 驱动 液压驱动是采用液压马达直接驱动冷却风扇旋 转的一种驱动方式，它与电机驱动一样，独立于柴 油机 ，与柴油机 曲轴转速没有 关系 ，转速独立 可 调。液压驱动组成主要 由液压泵、传感器、液压控 制阀、液压马达，如图3 所示。 3 4 图3 液压驱动示意图 液压驱动利用流体作为工作介质，采用压力传 递能量 。液压驱动中的各部件采用管路连接 ，可 以 实现散热系统的灵活布置；泵 马达系统可 以实 现液压驱动 的无级调速；液压件体积小巧 ，结构紧 凑，控制方便等优点。 2 防爆柴油机冷却风扇液压驱动系统方案设计 液压驱动系统应该使冷却系统满足防爆柴油机 散热 的要求；工作可靠维修方便；低能耗与合理的 生产成本 。 2 ． 1 防爆柴油机热源热量分析 防爆柴油机是 由普通柴油机经过防爆改制后 ， 制成的一种安全动力源系统。按进气方式可 以分为 自然吸气 、增压、增压中冷三种形式 。其冷却方式 都是采用强制水冷，将系统中多余的热量散入外界 环境 中。自然吸气、增压型防爆柴油机热源热量是 柴油机 内气缸 、缸盖等高温部件热传导入冷 却水 中 的热量及排气岐管与排气管中废气热传导入冷却水 中的热量 ，增压 中冷型还需计算进气中冷后需散掉 的热量，即 Q Q Q ， Q 1 式 中 Q 为系统总的散热量 ； Q 为柴 油机 内 高温部件热传导入冷却水中的热量； 为岐管及排 气管废气热传导入冷却水中的热量； Q 为冷却增压 空气带走的热量 ，对于 自然吸气、增压 Q 0 。 对于给定 的防爆柴油机与散热器组 ，散热器组 的散热性能正比与风扇风量与水泵流量 ，即正比与 风扇转速与水泵转速。防爆柴油机达到热平衡 时必 须满足，防爆 柴油机散入冷却水的热量与冷却水散 入外界气体的热量相等，即 Q c m A t ---- C 。 m A t ≥Q 2 式中 Q 为散热器组换热量，体现散热器组的 散 热 能力 ； c 、 C 为 冷 却 水 、 空气 的 比热 容 ； 、 为冷却水 、空气的温升 ； m 、 m。 为冷却 水、空气的流量 ，正 比与风扇、水泵转速 。 2 ． 2 液压驱动控制方式分析 防爆柴油机风扇 的调速是通过调节液压驱动系 统 中液压马达转速实现 的。液压马达直接驱动风扇 旋转，液压马达转速等于风扇转速，对于给定的液 压马达，其转速正 比与液压驱动系统流量 、反比与 液压马达排量。因此，要对液压马达调速 ，可以通 过两 条途径 ，即 改变进 入液 压马达 的液 压油流 量 ；改变液压马达 的排量 ，涉及到具体的调速方式 可 以分为三类变量泵变量马达组合 的容积调 速 ；定量泵节流 阀定量马达组合 的节流调 速；以及二者皆有的容积节流调速的混合形式。 控制调速的伺服信号 目前有机液式、 电液式 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表} 2 0 1 4 年7 期 e2 , 第 1 7 7 期 气液式 。由于防爆柴油机工作的环境 的特殊性 ，机 液式 、气液式 目前使用比较广泛，电液式 由于 防爆 要求 的限制 目前还处于起步阶段。防爆柴油机 目前 多采用气起动 ，因此，本文研究所采用气液式 ，液 压泵一节流阀一液压马达 的控制驱动形式 。这种形 式简单可靠，满足风扇 的转速特性 的要求，系统便 于布置 ，所用元 部件价 格相对 简单 ，适合总体 设 计 ，液压驱动原理如图4 所示 。 图4 液压驱动原理图 3 主 要 液压 元 部件 液 压泵 与 液压 马 达 的选 型 确 定 3 ． 1 液 压 马达选 型确 定 液压马达的作用是把液体的压力能转换为机械 能 ，液压 马达按 转速可 以分为 高速 马达与低速 马 达 ；按排量可 以分为定量马达与变量马达；按结构 可 以分为齿轮马达、叶片马达、柱塞马达 。本系统 中风 扇最高转速 大于 2 5 0 0 转／ mi n ，需用 高速马达 ， 且系统负载不大、速度平稳性要求不高，因此 ，选 用高速齿轮马达 ，即满足系统的需要，又节约成本。 液压马达实际输出转距应大于等于风扇阻力距 ， 则液压马达理论输 出转距可 以由式 3 计算得 达 达 达≥ 扇 ／ r l 达 3 式中r， 0 达、 达为马达的理论输出转距与实际 输出转距；叼 达 为马达的效率； 扇 为风扇阻力距。 风扇 阻力距一般可 以从实验直接测得，或则通 过下式估算而定，即 T a 自 9 5 5 0 AV I n 4 式 中 为 比例系数 ，可 以取 3 0 5 0 ； 为风 扇流量； n为风扇转速。 液 压 驱 动 风 扇 系 统 中 ， 系 统 工 作 压 力 一 般 1 0 0 1 5 0 b a r ，则液压马达的排量可 以按下式得到 } 2 - r r r o 马 达 ／ p马 达 5 式 中 为 马 达 的排量 ； P 达为 马达 工 作 压力； 确定了马达的输出转距 、马达排量 、工作压力 就可以从产品样本 中，选择合适马达型号 。 目前市 场上主流 的齿轮 马达其 耐压等级都在 2 0 0 b a r 以上 ， 完全可 以满足系统设计需要。 3 ． 2液压 泵 选型确 定 液压泵 由柴油机直接驱动 ，在系统中作为动力 源 ，为 液压 马达提供 液压 油，推动液压 马达旋转 。 齿轮泵是液压系统中广泛采用 的一种液压泵，它利 用 齿轮组 与金属 泵壳形成封 闭空间 ，当齿轮 旋转 时，在齿轮组两侧形成高、低压 区，让液压油从低 压 区到高压 区流动，实现液压系统的液压油流动 。 液压泵的输 出流量，按平衡原则 ，它应等于液 压马达 的输入量加上系统的溢流泄漏量 ，即 Q Q 泄 Q 6 式中 Q 泵为液压泵的输出量； Q 为液压马 达的输入量 ； Q 漏为液压系统的泄漏量 。 液压系统中泄漏量不高于总输出量 的2 0 ％，则 液压泵与液压马达之 间的流量关系可 以估算为 Q 泵 一1 ． 2 Q B 达 1 ． 2 } n 7 则液压泵的排量为 一1 ． 2 Q 马 达 ／ n 柴 油 机1 ． 2 } 排 ／ n 柴 油 机 8 液 压泵 的最大 工作压 力受 到系统 溢流 阀的限 制 ，工作压力等于液压马达 工作压力与系统管路和 液压阀压力 的损失之和，即 p 泵 p 马 达 ∑p 式中 P 泵为液压泵工作压力； ∑p 为系统管路 与各种液压 阀的压力损失之和 。 确定 了液压 马达 的输 出排量、工作压力就可 以 从产品样本 中，选择合适液压泵型号。 目前市场上 主流 的齿轮液压泵其耐压等级都在 2 0 0 b a r 以上 ，完 全可以满足系统设计需要。 4 结 束语 本文运用液压传动技术 ，把防爆柴油机冷却系 统的冷却风扇独立驱动 ，对立布置，并进行温控调 速 。该系统主要解决煤矿用防爆柴油机在高瓦斯矿 井 中，在低速 、大负荷工况下的柴油机过热 以及在 高转速 、低 负荷工况下柴油机过冷的突出问题 。液 压驱动冷却风扇可 以让散热器组 中的不 同所属进行 分别冷却，使冷却系统布置灵活多变，可 以根据不 同需要 ，进行多样的组合；由于液压传动是一种柔 性传动 ，因此 ，采用液压驱动冷却风扇可 以在 负载 变化时 ，风扇速度变化稳定，避免冲击 ，降低防爆 柴油机 的工作 噪声 ；现代液压件 的标准化 以及使用 成熟的控制技术可 以保证成本控 制在较低 范围 内， 性价 比高，具有广泛的经济效益 。 参考文献 [ 1 】姚怀新． 行走机械液压传动与控制[ M】 ． 人民交通出版社， 2 0 0 2 ． 【 2 ] 蒋向佩． 汽车柴油机构造与使用[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 2 ， 0 5 ． 35 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m