王素粉

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000)

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液壓混合動力在挖掘機上應(yīng)用研究

王素粉

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000)

挖掘機在工作過程中制動頻繁，能量損耗大，為了回收制動回轉(zhuǎn)過程中的的能量，設(shè)計了液壓混合動力挖掘機的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，利用蓄能器回收制動能量。闡述了液壓混合動力的工作原理，并進行了試驗研究和分析。結(jié)果表明：液壓混合動力降低了液壓泵的功率損耗和液壓馬達的壓力波動；在節(jié)能方面，蓄能器的能量回收效率達到74.75%，達到了節(jié)能的目的。

[Abstract]It was frequent of excavator braking during operation, the energy loss is big, in order to recover the braking energy from braking process of slewing of excavator, a hybrid hydraulic slewing system was designed, the braking energy was recovered by accumulator. The working principle of the hybrid hydraulic slewing system was explain, and the system was test with excavator. The results show that hydraulic hybrid reduces pump and motor pressure fluctuations; In energy efficiency, the recovery efficiency of accumulator is 74.75%, reached the purpose of energy-saving.

液壓混合動力挖掘機能量回收試驗研究

0　引言

液壓混合動力是以液壓蓄能器為儲能元件的一種新型混合動力技術(shù)，該技術(shù)通過液壓泵/馬達實現(xiàn)了蓄能與車輛動能之間的轉(zhuǎn)換。相對于電動混合動力技術(shù)，液壓傳動混合動力技術(shù)具有功率密度大，短時間完成能量釋放和存儲能力強的特點，在負載變化平凡的復(fù)雜工況更能發(fā)揮其節(jié)能減排的優(yōu)勢[1]，因此成為國內(nèi)外研究機構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)競相研究開發(fā)的熱點。近年來，液壓混合動力在城市公交車、皮卡、多功能商務(wù)用車、郵政車、城市垃圾車等車型了做了應(yīng)用研究，結(jié)果表明該技術(shù)提高燃油經(jīng)濟性28%～60%【2-3】；由于工況的不同，液壓混合動力在工程機械等車型應(yīng)用研究較少。油電混合動力技術(shù)在液壓挖掘機的應(yīng)用國內(nèi)外研究較多。本文詳細分析液壓混合動力的特點及在液壓挖掘機上應(yīng)用的選型研究、試驗研究，為挖掘機行業(yè)的節(jié)能技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1　液壓混合動力的原理及特點

液壓混合動力系統(tǒng)的輔助動力裝置由能量轉(zhuǎn)換元件(液壓泵/馬達)和儲能元件(液壓儲能器)組成。在制動時，二次元件泵/馬達將以泵的形式工作，車輛行駛的動能帶動泵旋轉(zhuǎn)，將液壓油壓入蓄能器中，實現(xiàn)動能到液壓能的轉(zhuǎn)化；車輛啟動或加速時，二次元件泵/馬達將以馬達的行駛工作，蓄能器釋放高壓油以驅(qū)動馬達工作，實現(xiàn)液壓能到車輛動能的轉(zhuǎn)化[5-7]。按照動力驅(qū)動方式不同，液壓混合動力基本上三種動力傳動方式，即串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)。

1.1串聯(lián)

串聯(lián)式液壓混合動力車的傳動系中有兩種或兩種以上的動力源可同時或單獨提供動力，但僅有1種執(zhí)行元件驅(qū)動負載工作，串聯(lián)液壓混合動力的傳動系主要由發(fā)動機、主減速、液壓蓄能器和兩個液壓泵、馬達組成。發(fā)動機和高壓液壓蓄能器為兩個動力源，兩個液壓泵/馬達具有雙向并具有可逆性，與主減速器鏈接的液壓泵/馬達主要作為驅(qū)動車輪的執(zhí)行元件使用，與發(fā)動機連接的液壓泵/馬達主要作為動力元件使用【4】。原理如圖1所示。

圖1　串聯(lián)混合動力挖掘機結(jié)構(gòu)Fig.1　structure of series hybrid excavator

1.2并聯(lián)

并聯(lián)式液壓混合動力的動力傳動系中有兩種或兩種以上的動力源可同時或單獨提供動力，有兩個或兩個以上相應(yīng)的執(zhí)行元件可同時驅(qū)動負載，該動力傳動系主要由發(fā)動機、主減速、液壓蓄能器和液壓泵/馬達組成。并聯(lián)形式通常保留傳統(tǒng)車的動力傳動鏈，只是在原傳動鏈上增加了有液壓泵/馬達和液壓蓄能器組成的能量再生系統(tǒng)，從而形成雙動力驅(qū)動。原理如圖2所示。

圖2　并聯(lián)混合動力挖掘機結(jié)構(gòu)Fig.2　structure of parallel hybrid excavator

2　混合動力挖掘機的原理和特點

2.1方案的選擇

在3種驅(qū)動方式中，并聯(lián)車型技術(shù)難度低，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉。結(jié)合國內(nèi)外研究情況(串聯(lián)和混聯(lián)車型的研究幾乎無人問津)，故驅(qū)動方式選擇并聯(lián)驅(qū)動【5】。并聯(lián)式液壓混合動力一般可以認(rèn)為是普通液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和液壓能量再生系統(tǒng)的并聯(lián)。液壓能量再生系統(tǒng)由一雙向且可逆的液壓泵/馬達和一個高壓蓄能器組成，高壓蓄能器存儲和釋放回轉(zhuǎn)剎車動能。并聯(lián)式液壓混合動力由一智能型中央電子控制器，它將負責(zé)發(fā)動機和蓄能器之間的動力切換、信號輸出以及回收剎車能量【6】。液壓混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖設(shè)計如圖3所示。

3　試驗研究

3.1試驗結(jié)果分析

挖掘機是一種具有多功能的機械，所進行的作業(yè)內(nèi)容包括挖掘、裝載、填埋、挖溝、平整、搬運、破碎等。其作業(yè)土質(zhì)變化較大，所以使用的方式和要求也各有不同。根據(jù)作業(yè)的工況和使用的要求對發(fā)動機和液壓泵井下優(yōu)化設(shè)定，控制發(fā)動機的油門開度以及液壓泵的排量等。一般來說是通過動力模式開關(guān)來選擇動力模式，輸入控制器經(jīng)處理后輸出控制電流，不同的模式輸出不同的控制電流值，經(jīng)過電液比例壓力閥轉(zhuǎn)變成的控制壓力也不同。挖掘機有四種工作模式：H模式為重載模式，S模式為標(biāo)準(zhǔn)模式，F(xiàn)C模式為輕載模式，D為獨立行走模式。

下面在H模式下的20噸挖掘機，按照標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況進行試驗研究，具體內(nèi)容如下：連續(xù)挖掘5 min左右的連續(xù)挖掘，共計18個周期性循環(huán)，各參量周期性變化，通過分析典型單個挖掘周期各參量對應(yīng)關(guān)系即可反應(yīng)整體情況。

從圖4得知在挖掘過程中雙泵輸出功率始終保持相同，單泵功率約為42 kW，雙泵輸出總功率為84 kW左右。各挖掘周期挖掘功率基本相同，呈現(xiàn)周期性變化。通過分析單周期各階段功率變化可判斷各階段功率損耗，雙泵功率輸出情況等。選取整個挖掘周期中第n1周期、第n2周期的功率曲線進行分析。

從圖5第n1周期與圖6第n2周期單周期液壓系統(tǒng)輸出功率曲線來看，挖掘初始階段液壓系統(tǒng)輸出功率在系統(tǒng)總功率附近劇烈變化，滿載動臂提升回轉(zhuǎn)90度工況下雙泵輸出功率穩(wěn)定，斗桿、鏟斗卸載工況下系統(tǒng)輸出功率變化劇烈，空斗回程液壓系統(tǒng)輸出功率急劇下降。

3.2系統(tǒng)能量分析

挖掘機回轉(zhuǎn)裝置制動時，假設(shè)蓄能器的工作壓力從升到，體積從下降到，蓄能器進行制動能量的回收，其回收的能量就是外界對蓄能器內(nèi)氣體所做的功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有

(式1)

由測試結(jié)果可知，蓄能器在制動過程中的壓力和體積的變化如下：

p1=24.53MP p2=27.58MP

1-變量液壓泵;2-先導(dǎo)泵;3-電磁比例減壓閥;4、8、9、13-壓力傳感器；6-操作手柄；7、17-溢流閥；10-控制器；11、15、23、24、28、29-單向閥；12、20、21-電磁比例調(diào)速閥；14-多路閥；16-負流量控制節(jié)流閥；18、19-液壓鎖；25-蓄能器；30-回轉(zhuǎn)馬達/泵

圖3液壓混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖

Fig.3hydraulic hybrid rotary system schematic diagram

圖4　連續(xù)挖掘液壓泵功率曲線

V1=8.46L V2=7.62L

將p1p2V1V2代入式(1),得蓄能器回收的能量為E1=18.56 KJ

挖掘機在制動過程中，由于回轉(zhuǎn)裝置慣性而損失的能量計算公式為：

(式2)

圖5　n1周期液壓系統(tǒng)輸出功率曲線Fig.5　n1 cycle curve of output power of hydraulic system

式中：J為滿斗回轉(zhuǎn)時回轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)；

根據(jù)測試結(jié)果可知：W2=0 rad/s，W2=1.23 rad/s，代入式(2)，得回轉(zhuǎn)裝置損失的能量為E=

圖6　n2周期液壓系統(tǒng)輸出功率曲線Fig.6　n2 cycle curve of output power of hydraulic system

24.83 KJ。

4　結(jié)論

制定了了挖掘機液壓混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的方案，并進行了試驗研究，闡述了液壓混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理。通過試驗研究結(jié)果表明：(1)液壓混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在一定程度上降低了液壓泵的功率損耗和液壓馬達的壓力波動。(2)計算結(jié)果表明：油液混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，蓄能器的能量回收效率達到74.75%，達到了節(jié)能的目的。(3)通過試驗結(jié)果可得：液壓混合動力的能提高燃油經(jīng)濟26%--35%。

[1]姜繼海,趙春濤，孟兆生.二次調(diào)節(jié)靜液壓傳動在城市公交車輛驅(qū)動中的節(jié)能技術(shù)研究[J].中國機械工程，2001,12(3).

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[5]張彥廷,雷西娟，王慶豐，等.混合動力液壓挖掘機驅(qū)動系統(tǒng)節(jié)能效果的評價[J].工程機械，2008(2).

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Applied Research Of Hybrid Hydraulic Excavator

WangSufen

SanmenxiaPolytechnic,SanmenxiaHenan472000,China

hybrid hydraulic systemExcavatorEnergy recovertest research

1006-8244(2016)02-034-04

王素粉(1981-)，河南省周口人，講師，碩士研究生,主要從事機械設(shè)計、及CAD/CAM/CAE技術(shù)研究。