韓慧仙

(湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410151)

液壓混合動力技術(shù)在裝載機中的應(yīng)用

韓慧仙

(湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410151)

介紹了混合動力技術(shù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、當(dāng)前應(yīng)用于工程機械上的混合動力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、連接方式及其技術(shù)特點，通過實例說明了液壓并聯(lián)混合動力在裝載機行走液壓系統(tǒng)的制動能量回收方面的特點和優(yōu)勢，并指出了存在的問題及后續(xù)的研究方向。

裝載機；液壓混合動力；節(jié)能

0 引言

裝載機可以實現(xiàn)多種作業(yè)功能，其操作靈活、使用方便、作業(yè)速度快，所以在土石方施工中得到了廣泛使用。傳統(tǒng)裝載機的發(fā)動機功率較大，裝載機的質(zhì)量也很大，正常作業(yè)時，裝載機的油耗非常大，一般每天消耗燃油200 L～400 L，排放大量有害氣體，對大氣環(huán)境造成污染；裝載機作業(yè)時發(fā)出的噪聲也較高，對周圍環(huán)境造成噪聲污染。裝載機保有量大、耗油高、排放高，其節(jié)能減排問題一直是行業(yè)內(nèi)密切關(guān)注的課題。

1 裝載機節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 動力元件的節(jié)能空間

裝載機的動力由發(fā)動機產(chǎn)生，經(jīng)過液壓系統(tǒng)、液力變矩器、變速箱、驅(qū)動橋等傳動部件到達行走和工作系統(tǒng)。多年來，各元件生產(chǎn)廠家對各自的產(chǎn)品進行了許多優(yōu)化設(shè)計，使得各元件的局部效率得到了很大的提高，但是想通過技術(shù)手段繼續(xù)提高元件的效率和匹配特性變得十分困難，節(jié)能空間也越來越小。

1.2 混合動力技術(shù)

裝載機在作業(yè)過程中存在大量的往復(fù)運動，伴隨著作業(yè)過程產(chǎn)生的動能和勢能，如不加以回收利用，將會產(chǎn)生很大的能量損失。因此，裝載機的混合動力和能量回收技術(shù)可有效利用能量，提高效率，降低油耗、排放和噪聲。具有混合動力系統(tǒng)的裝載機具有不止一個動力源，一個是發(fā)動機，另一個是液壓蓄能器。蓄能器的工作過程分為能量回收和能量釋放兩個階段，在能量回收階段，混合動力系統(tǒng)通過液壓電氣控制方式將裝載機的制動能量轉(zhuǎn)化為液壓能存儲在蓄能器中；在能量釋放階段，混合動力系統(tǒng)通過液壓電氣方式將蓄能器中的能量輸出到行走驅(qū)動系統(tǒng)，單獨或者輔助發(fā)動機對裝載機進行行走驅(qū)動。能量吸收和輔助驅(qū)動構(gòu)成了能量循環(huán)，有效降低了裝載機的油耗、排放和噪聲，是一種新型的節(jié)能技術(shù)。

國外如美國、日本和德國等對混合動力展開了多年的研究，其技術(shù)較領(lǐng)先，日本企業(yè)在2003年就開發(fā)出了油電混合動力的裝載機。隨后，歐洲的工程機械企業(yè)也開始研發(fā)混合動力的輪式裝載機。美國從2004年開始陸續(xù)推出了具有液壓混合動力技術(shù)的多功能作業(yè)車、公交車、環(huán)衛(wèi)車和伸縮臂叉車等。目前，德國的力士樂公司已經(jīng)在環(huán)衛(wèi)車、物料搬運車、單斗挖掘機等工程機械上應(yīng)用了液壓混合動力技術(shù)，并且形成了產(chǎn)業(yè)化。

最近幾年，國內(nèi)的眾多科研機構(gòu)也開始研究混合動力技術(shù)，包括柳工推出的CLG862-HYBRID電動混合動力裝載機、徐工集團推出的ZL50G液壓混合動力裝載機、山河智能推出的搭載油液混合動力技術(shù)的單斗挖掘機等。

2 液壓混合動力的技術(shù)路線

液壓混合動力系統(tǒng)的主要組成部件有：液壓泵馬達、蓄能器、傳感器、主控制器和動力耦合器等。根據(jù)動力在系統(tǒng)中的傳動路線來劃分，液壓混合動力系統(tǒng)基本可以劃分為3種不同的類型：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

2.1 串聯(lián)式

如果混合動力系統(tǒng)中的主要零部件包括柴油機、變量液壓泵、控制閥組、傳感器、控制器、蓄能器和泵馬達等，并且這些元件按照功率流動的方向是串聯(lián)連接的，該方式稱為液壓串聯(lián)混合動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)和控制方便，系統(tǒng)響應(yīng)快速，但是功率傳遞過程中的損耗過大，導(dǎo)致節(jié)能效果不明顯，因此，該動力系統(tǒng)特別適合中小型的液壓車輛和工程機械。液壓串聯(lián)混合動力系統(tǒng)傳動原理如圖1所示。

2.2 并聯(lián)式

如果液壓并聯(lián)混合動力系統(tǒng)中的主要零部件有柴油機、蓄能器、控制閥組、控制器和泵馬達等，而且車輛的驅(qū)動能源可單獨由柴油機提供，也可以單獨由液壓蓄能器提供，兩套能源既可以單獨工作，也可以聯(lián)合工作，則稱之為液壓并聯(lián)混合動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)傳動效率高，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對控制器的軟件性能的要求較高，因而主要用于大型的液壓車輛、工程機械和特種作業(yè)機械上。液壓并聯(lián)混合動力系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖1 液壓串聯(lián)混合動力系統(tǒng)傳動原理

圖2 液壓并聯(lián)混合動力系統(tǒng)圖

2.3 混聯(lián)式

將并聯(lián)式和串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)組合起來形成混合式的混合動力系統(tǒng)，揚長避短，確保系統(tǒng)在最優(yōu)狀態(tài)下工作，則可以進一步節(jié)能。但實際上，混合式系統(tǒng)對零部件的要求很高，系統(tǒng)復(fù)雜龐大，控制難度極大，其技術(shù)經(jīng)濟性并不好。

3 混合動力應(yīng)用實例

裝載機在作業(yè)過程中，液壓混合動力的能量轉(zhuǎn)換單元可以回收部分能量，儲存在液壓蓄能器中，這些能量可以在同一個工作循環(huán)中釋放再利用，在車輛啟動或加速過程中作為輔助能源，與發(fā)動機共同驅(qū)動行走系統(tǒng)，降低了發(fā)動機的負荷，從而降低了發(fā)動機的油耗和排放。這些可以回收的能量主要來自于車輛制動的動能、坡道行駛時的勢能和工作裝置帶載下降過程中的重力勢能。圖3為帶有行走制動能量回收裝置的裝載機并聯(lián)混合動力原理圖。

圖3中的系統(tǒng)包含兩部分：①傳統(tǒng)的裝載機液壓系統(tǒng)，其主要零部件包括柴油機、液力變矩器、動力換檔變速箱、離合器和主控制閥等；②在原有液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加的能量回收系統(tǒng)，這個新增的能量回收系統(tǒng)的主要零部件包括泵馬達、控制閥組、主控制器、液壓蓄能器和傳感器等。裝載機正常工作時，發(fā)動機的動力一部分用于驅(qū)動行走機構(gòu)，另一部分用于驅(qū)動工作裝置，實現(xiàn)裝載機的轉(zhuǎn)向與裝載工作。當(dāng)裝載機制動時，離合器斷開柴油機與行走機構(gòu)之間的連接，然后將行走機構(gòu)與泵馬達相連，此時，行走機構(gòu)由于慣性的作用驅(qū)動泵馬達工作，將裝載機的行駛動能轉(zhuǎn)化為液壓能，由泵馬達儲存到蓄能器中，實現(xiàn)了能量的回收。當(dāng)裝載機再次啟動時，控制閥組將蓄能器中的液壓能釋放出來，通過泵馬達驅(qū)動行走機構(gòu)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了能量的再利用。裝載機的能量回收和再利用的過程都由主

控制器進行控制，其控制依據(jù)包括工況循環(huán)參數(shù)、駕駛員的操作信號和車輛制動系統(tǒng)的參數(shù)等。圖4為控制器模型示意圖。通過分析可知，影響裝載機能量回收的主要因素是行駛速度、制動力矩、蓄能器容積等，當(dāng)行駛速度較高、制動力矩較大時，能量回收系統(tǒng)能夠回收的能量更多，再生效率也較高，通過仿真試驗與實車測試驗證，節(jié)能效果達20%以上。

圖3 裝載機并聯(lián)混合動力原理圖

圖4 控制器模型示意圖

4 結(jié)論

混合動力技術(shù)是工程機械節(jié)能的有效方式，特別是對于裝載機，如果混合動力技術(shù)獲得廣泛的應(yīng)用，每年可以節(jié)約的燃油、降低的排放將十分可觀，這不但可以提升我國裝載機的技術(shù)水平和市場競爭力，還能減少對環(huán)境的污染，同時獲得可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

混合動力系統(tǒng)的使用，也會給傳統(tǒng)裝載機帶來一些新的問題，如再生系統(tǒng)的增加會增加整機重量，增加系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制難度，可能會增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，對輔助動力元件的壽命也提出了更高要求，這些是后續(xù)混合動力系統(tǒng)推廣應(yīng)用需要進一步研究與解決的問題。參考文獻：

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Application of Hydraulic Hybrid System in Loader

HAN Hui-xian

(Hunan Mechanical & Electrical Polytechnic, Changsha 410151, China)

The paper introdeces the research status of hybrid technology at home and abroad, describes the types and features of hydraulic hybrid systems, analyzes the characteristics of parallel hydraulic hybrid loader, and points out the problems existing in the field and its research directions in future.

loader; hydraulic hybrid power; energy saving

1672- 6413(2015)06- 0184- 02

2015- 09- 08；

2015- 10- 29

韓慧仙(1976-)，女，山西壽陽人，副教授，碩士，從事機電一體化教學(xué)工作。

TH24

B

長沙市科技計劃重點項目(K1403209-11)