王海飛，姚樹新 2，，孔 燕 2，，李興偉, 周忠華，馬陽(yáng)盼

（1. 長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.江蘇華通動(dòng)力重工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.徐州重型機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

由于裝載機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣，載荷變化大，發(fā)動(dòng)機(jī)功率得不到充分發(fā)揮，液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)結(jié)合了機(jī)械傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好的解決裝載機(jī)在工作過程中所面臨的的以上問題，是一個(gè)很有潛力的發(fā)展方向．美國(guó)GE公司、日本小松公司和德國(guó)大眾集團(tuán)曾經(jīng)設(shè)計(jì)了類似的液壓機(jī)械無極變速器]3-1[．2000年美國(guó) University of Wiscosin-Madison的Wenbo Wang 博士論文，討論了動(dòng)力傳動(dòng)系的建模，以及運(yùn)用動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系仿真、故障診斷、設(shè)計(jì)和控制的理論與方法]4[；2010年美國(guó) Purdue University的 Rajneesh Kumar博士論文中討論了液壓機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，對(duì)于整車的節(jié)能與動(dòng)力控制策略進(jìn)行了較為深入的研究]5[．國(guó)內(nèi)許多高校及科研單位也開始了這方面的研究工作，如北京理工大學(xué)曾對(duì) DMT-25變速箱進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，劉修驥教授、苑士華教授等較早地對(duì)多段液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)進(jìn)行了較為深入的研究[67]-；河南科技大學(xué)與中國(guó)一拖集團(tuán)合作，為東方紅1302R系列研制液壓機(jī)械無級(jí)變速器]8[．

結(jié)合ZL50裝載機(jī)的實(shí)際工作特點(diǎn)及發(fā)動(dòng)機(jī)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)]9[，設(shè)計(jì)了新型的液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)，它能夠大幅度提高裝載機(jī)的綜合性能，同時(shí)該系統(tǒng)基本應(yīng)用原有變速箱和傳動(dòng)系統(tǒng)，降低了成本，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，對(duì)于裝載機(jī)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品質(zhì)量的提高起了很大地推動(dòng)作用．

1 液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

ZL50裝載機(jī)作為一種大型的鏟土運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備，在牽引工況下傳動(dòng)裝置要求能夠在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速，在運(yùn)輸工況下傳動(dòng)裝置要求有較高的速度與效率，因此利用離合器、制動(dòng)器在適當(dāng)?shù)墓ぷ鞲淖円簤合到y(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)的連接方案，充分發(fā)揮它們?cè)诓煌r下的優(yōu)勢(shì)．具體的工作模式如下：

（1）一檔純液壓驅(qū)動(dòng)

這種模式主要用于裝載機(jī)起步階段．起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性較差，復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)中的泵馬達(dá)首先起動(dòng)，利用其低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，使車速達(dá)到一定值后，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，并迅速進(jìn)入高效區(qū)工作．其中當(dāng)液壓蓄能器壓力高于所需最低工作壓力時(shí)，整車采用液壓蓄能器驅(qū)動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)只為轉(zhuǎn)向和裝載裝置提供必要的動(dòng)力，整車全部牽引驅(qū)動(dòng)能量由液壓蓄能器和液壓泵/馬達(dá)提供，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程工作于高油耗、低效區(qū)．只有當(dāng)液壓蓄能器壓力低于最低工作壓力時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)為整機(jī)提供驅(qū)動(dòng)能量．

（2）二、三檔復(fù)合驅(qū)動(dòng)

此時(shí)裝載機(jī)進(jìn)入正常中高速的運(yùn)輸工況．整車為液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，綜合傳動(dòng)性能好，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，且工作于最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)，液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)不工作．

（3）混合驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足時(shí)，液壓蓄能器通過泵馬達(dá)提供輔助動(dòng)力．當(dāng)整機(jī)處于加速、爬坡或鏟掘等大負(fù)荷情況時(shí)，整機(jī)所需的動(dòng)力超過發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍或高效區(qū)時(shí)，由液壓泵/馬達(dá)提供輔助動(dòng)力，協(xié)同發(fā)動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)車輛．

（4）再生制動(dòng)

系統(tǒng)的再生制動(dòng)適用于每個(gè)檔位，當(dāng)發(fā)生正常制動(dòng)、緊急制動(dòng)和下長(zhǎng)坡緩制動(dòng)時(shí)都會(huì)有再生制動(dòng)參與甚至完全由再生制動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)，駕駛員要根據(jù)實(shí)際情況，如為輕度制動(dòng)，整車進(jìn)入液壓再生制動(dòng)模式，傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)不工作，全部制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由液壓蓄能器和液壓泵/馬達(dá)提供，非輕度制動(dòng)時(shí)，整車進(jìn)入復(fù)合制動(dòng)模式，整車制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由液壓泵/馬達(dá)和傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)提供，液壓泵/馬達(dá)提供最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，不足的由傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)提供．再生制動(dòng)與傳統(tǒng)制動(dòng)方式的分配要通過檢測(cè)具體參數(shù)進(jìn)行控制．如圖1所示．

圖1 ZL50裝載機(jī)液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)裝置Fig. 1 Hydraulic mechanical composite transmission for ZL50 loader

圖中 B1為制動(dòng)器，L1、L2、L3、L4、L5、L6為離合器，K1、K2、K3分別是圖中所示行星排特征常數(shù)，即其各從動(dòng)輪齒數(shù)積與主動(dòng)輪齒數(shù)積的比值，B1、L5為裝置的換段機(jī)構(gòu)，L2為裝置的換向機(jī)構(gòu)，且L1、L2為機(jī)械傳動(dòng)通斷機(jī)構(gòu)，L3、L4為差速器正負(fù)相位切換機(jī)構(gòu)，L6為純液壓傳動(dòng)的通斷機(jī)構(gòu)，ε1為變量泵的排量相對(duì)變化率，即相對(duì)于變量泵最大排量的變化率．不同工作段的制動(dòng)器與離合器的結(jié)合狀態(tài)如表 1 所示．

表1 制動(dòng)器和離合器的工作狀態(tài)Tab.1 The work status of brake and clutch

2 液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)數(shù)學(xué)建模與特性分析

2.1 速度特性分析

ZL50裝載機(jī)采用濰柴斯太爾 WD10G220E11發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率為 162 kW，額定轉(zhuǎn)速為 2 200 r/min，功率匯流行星排組即差速器是由正向匯流排和反向匯流排組成，因此擋位的不同對(duì)于匯流方式和變量泵變化的方向的要求也不同．所用參數(shù)定義為：n0發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，n1太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速，n2行星架轉(zhuǎn)速，n3齒圈轉(zhuǎn)速，K行星排特性參數(shù)，ε1變量泵的排量相對(duì)變化率，i4液壓傳動(dòng)輸入端傳動(dòng)比，i5液壓傳動(dòng)輸出端（復(fù)合）傳動(dòng)比，i6純液壓傳動(dòng)輸出端傳動(dòng)比．

對(duì)于內(nèi)嚙合行星排三構(gòu)件的速度關(guān)系有：

（1）前進(jìn)檔純液壓Fh 段

離合器L6結(jié)合，此時(shí)機(jī)械傳動(dòng)無功率流，發(fā)動(dòng)機(jī)的全部功率由液壓傳動(dòng)輸出，當(dāng)ε1有－1→1變化時(shí)，輸出轉(zhuǎn)速將逐漸增加，整個(gè)裝置的輸出轉(zhuǎn)速為

（2）前進(jìn)檔液壓機(jī)械FhmΙ段

制動(dòng)器B1制動(dòng)，離合器L2、L4結(jié)合，機(jī)械傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)同時(shí)工作，此時(shí)差速器為負(fù)相位工況，機(jī)械功率流由差速器行星架輸入，液壓功率流由差速器太陽(yáng)輪輸入，復(fù)合功率由差速器齒圈輸出．此時(shí)

所以輸出轉(zhuǎn)速為

（3）前進(jìn)檔液壓機(jī)械FhmⅡ段

離合器 L1、L3、L5結(jié)合，機(jī)械傳動(dòng)與液壓同時(shí)工作，此時(shí)差速器為正相位工況，機(jī)械功率流由差速器齒圈輸入，液壓功率流有差速器太陽(yáng)輪輸入，復(fù)合功率有差速器行星架輸出．此時(shí):

所以輸出轉(zhuǎn)速為

對(duì)于后退的三個(gè)檔位的速度特性與前進(jìn)三檔位相對(duì)應(yīng)，不再?gòu)?fù)述．

令輸出速度比 ib= nb/n0，則可得到前進(jìn)檔三段ib與ε1之間的關(guān)系曲線，隨著變量泵排量反復(fù)的變化，裝置的轉(zhuǎn)速是連續(xù)上升的，如圖2所示．

圖2 液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)裝置速度特性曲線Fig. 2 The speed characteristic curve of hydraulic mechanical composite transmission

2.2 平穩(wěn)換段的條件

根據(jù)圖2以及對(duì)速度特性的分析，選擇適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)參數(shù)，可以使每一段的段尾速度與下一段的段首速度相等，因此液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)裝置平穩(wěn)換段的條件是：前后兩段在換段點(diǎn)處有相同的輸出轉(zhuǎn)速，有相同的變量泵排量相對(duì)變化率ε1．

根據(jù)關(guān)系式（2）和（4），可以得到純液壓Fh 段和液壓機(jī)械FhmΙ段換段的條件為

其中 K1、im2為確定值，因此只要合理選擇 i4、i5、i6的值，使得ε1≤1即可．

同理，根據(jù)關(guān)系式（4）和（6），可以得到液壓機(jī)械FhmΙ段和液壓機(jī)械FhmⅡ段的換段條件為

其中，除i4、i5外，其余均為確定值，因此只要選擇合理的i4、i5值，使得ε1≥－1即可以保證兩者的平穩(wěn)換擋．

2.3 轉(zhuǎn)矩特性分析

液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)中各段輸出的轉(zhuǎn)矩極限值Mbm取決于液壓馬達(dá)的最大輸出轉(zhuǎn)矩Mmm．對(duì)于液壓機(jī)械FhmΙ段，其輸出轉(zhuǎn)矩

對(duì)于液壓機(jī)械FhmⅡ段，其輸出轉(zhuǎn)矩

對(duì)于純液壓傳動(dòng)Fh 段，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求

綜合以上關(guān)系式，可以得到轉(zhuǎn)矩特性圖，實(shí)質(zhì)上，等比式液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)矩特性屬于恒功率的雙曲線型]6[，使得經(jīng)濟(jì)性提高，如圖3

圖3 液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩特性Fig. 3 The torque characteristics of hydraulic mechanical composite transmission transmission

2.4 液壓功率分流比

液壓功率分流比 εh是相對(duì)于液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)總功率來講的，為了使整個(gè)復(fù)合傳動(dòng)裝置具有較高的傳動(dòng)效率，應(yīng)該盡可能的降低液壓系統(tǒng)支路所所傳遞的能量．對(duì)于液壓機(jī)械FhmΙ段，根據(jù)關(guān)系式(3)和(9)可得

對(duì)于液壓機(jī)械 FhmⅡ段，根據(jù)關(guān)系式（5）和（10）可得

通過以上關(guān)系式，可以得到液壓功率分流比εh相對(duì)于裝載機(jī)速度的變化曲線，如圖4所示．

圖4 液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)裝置的液壓功率分流比曲線Fig. 4 The hydraulic power flow ratios of hydraulic mechanical composite transmission

2.5 傳動(dòng)效率

液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)裝置的功率流分為機(jī)械功率流和液壓功率流，低效率的液壓功率ηh在總功率中所占份額越少，總效率η就越接近純機(jī)械的高效率．根據(jù)關(guān)系式(1)、(9)～(11)及能量守恒定律可推導(dǎo)出：當(dāng)εh≥0時(shí)，

當(dāng)hε≤0時(shí)，

將關(guān)系式（12）和（13）按條件分段分別代入關(guān)系式（14）和（15）中，可得到液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)效率曲線，如圖5所示．

3 系統(tǒng)建模與仿真分析

3.1 建立模型

在AMEsim環(huán)境下，調(diào)用系統(tǒng)提供的液壓庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、傳動(dòng)庫(kù)和信號(hào)庫(kù)，并與MATLAB/Simulink中所設(shè)計(jì)的部分相聯(lián)合[10]，根據(jù)液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)原理圖1，建立ZL50裝載機(jī)液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)仿真模型，如下圖6所示．仿真環(huán)境為：介質(zhì)密度850 kg/m3，體積模量1 700 MPa，動(dòng)力粘度5.1×10－2Pa·s，參考溫度為 40。C，仿真參數(shù)如表2所示．

圖5 液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)效率曲線Fig. 5 The transmission efficiency curve of hydraulic mechanical composite transmission

表2 ZL50裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.2 The simulation parameters of drive system on ZL50 loader

圖6 ZL50裝載機(jī)液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)仿真模型Fig. 6 Simulative model on hydraulic mechanical composite transmission energy- saving system for ZL50 loader

3.2 仿真分析

以上為復(fù)合傳動(dòng)的仿真曲線，復(fù)合傳動(dòng)主要針對(duì)于運(yùn)輸工況及牽引工況的輕載作業(yè)，此時(shí)的電機(jī)排量等于泵的排量即180 ml/r，加載中度載荷基數(shù)為18 360 Nm．由于變量泵的轉(zhuǎn)速基本恒定，所以變量泵的流量正比于其變量系數(shù)，最大流量為396 L/min，如圖7所示；對(duì)于設(shè)計(jì)有控制器的復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)，會(huì)根據(jù)負(fù)荷的變化較迅速、準(zhǔn)確的做出反應(yīng)，蓄能器吸收系統(tǒng)的波動(dòng)，使系統(tǒng)獲得良好的性能，如圖8所示；電機(jī)的流量變化與泵的基本一致，最大流量大約為396 L/min，如圖9所示；電機(jī)扭矩的變化較為平緩，根據(jù)泵的變向而變向，其值大約為570 Nm，如圖10所示．

圖7 變量泵流量Fig. 7 Flow of variable pump

圖8 蓄能器的流量Fig. 8 Flow of Accumulator

圖9 電機(jī)流量Fig. 9 Flow of motor

圖10 電機(jī)扭矩Fig.10 Torque of motor

圖11 蓄能器壓力Fig. 11 Accumulator pressure

圖12 蓄能器氣體體積Fig. 12 Accumulator volume

蓄能器作為制動(dòng)能量回收再利用裝置，由于串聯(lián)了液壓變壓器，使得蓄能器在系統(tǒng)壓力較高且基本不變的情況下也可以在很低的狀態(tài)壓力下開始回收能量．如圖11所示，蓄能器初始?jí)毫?.7 MPa，再生制動(dòng)過程結(jié)束后，蓄能器的基本到達(dá)其額定工作壓力31.5 MPa左右，而系統(tǒng)的工作壓力為20 MPa左右，基本不變；如圖12所示，蓄能器的氣體體積初始值為24 L，再生制動(dòng)過程結(jié)束后，氣體體積縮小到約11 L左右，即蓄能器的容積變化值約為

13 L．蓄能器仿真結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了復(fù)合傳動(dòng)節(jié)能液壓系統(tǒng)具有很強(qiáng)的應(yīng)用性．

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)的工作原理及結(jié)構(gòu)組成和ZL50裝載機(jī)的工作特點(diǎn)， 得到輸入外分流（內(nèi)嚙合）式液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)裝置的綜合性能最優(yōu)．設(shè)計(jì)了首段為純液壓傳動(dòng)，二、三段為液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)，且為等比式的液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)裝置．通過對(duì)該裝置的變速機(jī)構(gòu)、速度特性、等比特性、平穩(wěn)換擋條件、轉(zhuǎn)矩特性、液壓功率流比及傳動(dòng)效率的分析研究，得出滿足ZL50裝載機(jī)工作要求的各數(shù)學(xué)模型．

（2）通過仿真軟件 AMESim與 MATLAB/Simulink對(duì)ZL50裝載機(jī)液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合動(dòng)態(tài)仿真，結(jié)果表明，仿真數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果基本一致．驗(yàn)證了液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)性能達(dá)到了理論要求，大大提高了裝載機(jī)在高效、舒適和節(jié)能方面的性能，實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)于類似工程機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)和技術(shù)改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值．

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