周 雨，王 勇，2，劉實(shí)現(xiàn)，田 鵬

（1. 徐州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 徐州 221000；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221006；3. 徐州市勘察測(cè)繪研究院，江蘇 徐州 221000；4. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221006）

工程機(jī)械廠商紛紛展開了混合動(dòng)力技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用研究。2009年科技部將“新型混合動(dòng)力工程機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)”項(xiàng)目列入國(guó)家“863”計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)項(xiàng)目，從國(guó)家層面對(duì)該技術(shù)的研究進(jìn)行引導(dǎo)和支持。同時(shí)，三一重工、山河智能和徐工集團(tuán)等國(guó)內(nèi)知名工程機(jī)械企業(yè)，以及浙江大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)和中南大學(xué)等科研院校在內(nèi)的眾多機(jī)構(gòu)也都針對(duì)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用展開了不懈的努力。由于沒有統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，各研究單位的研究成果均按各自規(guī)定的條件進(jìn)行測(cè)試，所得結(jié)果不能用于評(píng)價(jià)真實(shí)技術(shù)水平，為技術(shù)路線和用戶選擇帶來不便。基于此，本文提出一種能量回收效果評(píng)價(jià)方法，可作為評(píng)價(jià)混合動(dòng)力能量回收系統(tǒng)技術(shù)水平的指標(biāo)之一。

1 測(cè)試樣機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文以國(guó)內(nèi)某知名工程機(jī)械企業(yè)所研發(fā)的20t混合動(dòng)力挖掘機(jī)為樣機(jī)，對(duì)其能量回收率進(jìn)行檢測(cè)分析，以對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。混合動(dòng)力原理如圖1所示，其工作過程為：挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)溢流能量經(jīng)回轉(zhuǎn)能量回收閥回收，動(dòng)臂下降時(shí)的勢(shì)能經(jīng)動(dòng)臂能量回收閥回收，回收的能量以壓力能的形式分別存儲(chǔ)于蓄能器中。系統(tǒng)需要?jiǎng)恿r(shí)，蓄能器中的壓力能由能量釋放閥釋放進(jìn)入輔助馬達(dá)，與發(fā)動(dòng)機(jī)一起提供混合動(dòng)力共同驅(qū)動(dòng)主泵運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量的回收利用，達(dá)到降低油耗的目的。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

2 能量回收效率評(píng)價(jià)方法

目前，對(duì)能量回收效率的評(píng)價(jià)主要有兩種方法：一是采用回收能量與液壓系統(tǒng)消耗總能量的比值來評(píng)價(jià)；二是采用回收能量與可回收能量的比值來評(píng)價(jià)。由于液壓系統(tǒng)消耗總能量的影響因素較多，受系統(tǒng)本身性能優(yōu)劣的影響大，其本身不標(biāo)準(zhǔn)，因此第一種評(píng)價(jià)方法的客觀性、統(tǒng)一性難以保證；第二種評(píng)價(jià)方法直接反應(yīng)了混合動(dòng)力系統(tǒng)能量回收率的性能，受外界條件影響小，且客觀性、統(tǒng)一性較強(qiáng)。

混合動(dòng)力系統(tǒng)回收能量為進(jìn)入蓄能器流量和壓力乘積的積分，計(jì)算方法為

E——回收能量，單位為kJ；

P（t）——蓄能器輸入壓力，單位為MPa；

Q（t）——蓄能器輸入流量，單位為L(zhǎng)/s；

t1—— 一個(gè)測(cè)試循環(huán)中，蓄能器油液輸入初始時(shí)刻，單位為s；

t2—— 一個(gè)測(cè)試循環(huán)中，蓄能器油液輸入結(jié)束時(shí)刻，單位為s。

采用公式（1）計(jì)算時(shí)，動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)蓄能器分別采用各自的數(shù)據(jù)。

動(dòng)臂勢(shì)能可回收能量為動(dòng)臂下降時(shí)動(dòng)臂油缸無桿腔流量和壓力乘積的積分，仍然采用公式（1）的計(jì)算方法。回轉(zhuǎn)溢流可回收能量有兩部分，其一為回轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)回轉(zhuǎn)溢流流量與壓力乘積的積分；其二為回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)回轉(zhuǎn)溢流流量與壓力乘積的積分。每部分能量的計(jì)算方法仍然采用式（1）。

能量回收率的計(jì)算為回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂回收能量之和與回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂可回收能量之和的比值

以式（2）結(jié)果作為評(píng)價(jià)混合動(dòng)力系統(tǒng)能量回收技術(shù)的優(yōu)劣，消除了機(jī)型和系統(tǒng)的差異，具有較好的客觀性、一致性。

3 測(cè)試方法

動(dòng)臂油缸無桿腔流量有方向性，因?yàn)榱髁坑?jì)雙向測(cè)試時(shí)精度不高，因此對(duì)動(dòng)臂下降時(shí)動(dòng)臂油缸無桿腔流量采用間接測(cè)量的方法。通過測(cè)試動(dòng)臂油缸的速度與動(dòng)臂油缸無桿腔截面積的乘積間接表示無桿腔流量。為避免雙向回轉(zhuǎn)對(duì)流量計(jì)的影響，在回轉(zhuǎn)能量回收測(cè)試時(shí)，采用單向回轉(zhuǎn)的方式。

（1）動(dòng)臂能量回收測(cè)試。

動(dòng)臂能量回收系統(tǒng)測(cè)試主要包括：動(dòng)臂蓄能器輸入液壓油流量和壓力，動(dòng)臂油缸無桿腔油液壓力，動(dòng)臂油缸速度。動(dòng)臂油缸無桿腔流量為

式中 r缸——?jiǎng)颖塾透谉o桿腔截面積；

v降——?jiǎng)颖塾透卓s回速度。

測(cè)試方案如圖2所示，在油缸活塞桿上配置速度傳感器，在無桿腔配置壓力傳感器，分別測(cè)試動(dòng)臂下降時(shí)油缸速度和無桿腔壓力。在蓄能器入口配置壓力傳感器和流量計(jì)分別測(cè)試進(jìn)入蓄能器的油液壓力和流量。測(cè)得的數(shù)據(jù)分別代入式（1）、（3）進(jìn)行計(jì)算。

圖2 動(dòng)臂能量回收測(cè)試方案

（2）回轉(zhuǎn)能量回收測(cè)試。

回轉(zhuǎn)能量回收系統(tǒng)測(cè)試主要包括：回轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)馬達(dá)入口壓力和溢流流量，回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)馬達(dá)出口壓力和溢流流量，進(jìn)入回轉(zhuǎn)蓄能器的油液壓力和流量，動(dòng)臂蓄能器輸入液壓油流量和壓力，動(dòng)臂油缸無桿腔油液壓力，動(dòng)臂油缸速度。在回轉(zhuǎn)蓄能器前分別接入流量計(jì)和壓力傳感器，在回轉(zhuǎn)馬達(dá)回轉(zhuǎn)能量回收閥后接入流量計(jì)和壓力傳感器，如圖3所示。

圖3 回轉(zhuǎn)能量回收測(cè)試方案

測(cè)試方案如圖3所示，在回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)出油口分別接入流量計(jì)和壓力傳感器，用于分別測(cè)試回轉(zhuǎn)啟制動(dòng)時(shí)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)溢流流量和壓力；在回轉(zhuǎn)蓄能器入口接入流量計(jì)和壓力傳感器，用于測(cè)試進(jìn)入蓄能器的油液流量和壓力。測(cè)得的數(shù)據(jù)分別代入式（1）進(jìn)行計(jì)算。

4 測(cè)試結(jié)果分析

以某公司20t級(jí)混合動(dòng)力挖掘機(jī)為樣本，對(duì)能量回收效率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1。以5次測(cè)試均值帶入公式（2）進(jìn)行計(jì)算，得到混合動(dòng)力能量回收效率為64.8%。其他形式或技術(shù)路線的混合動(dòng)力系統(tǒng)均以此種方法計(jì)算能量回收效率，能量回收效率越高，可判斷技術(shù)越好，以此進(jìn)行能量回收系統(tǒng)技術(shù)水平的判斷。

5 結(jié)束語

（1）提出了一種相對(duì)客觀、統(tǒng)一的評(píng)判混合動(dòng)力系統(tǒng)能量回收技術(shù)科技水平的方法。并在考慮了挖掘機(jī)動(dòng)作特性和傳感器特性后，分別給出了動(dòng)臂能量回收系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)能量回收系統(tǒng)的測(cè)試方案。

表1 混合動(dòng)力挖掘機(jī)能量回收測(cè)試數(shù)據(jù)

（2）通過對(duì)某公司20t級(jí)混合動(dòng)力挖掘機(jī)能量回收效率進(jìn)行測(cè)試，證明了本文研究的測(cè)試計(jì)算方法可行。

（3）對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)采用此統(tǒng)一的方法進(jìn)行測(cè)量，即可得到各種混合動(dòng)力能量回收系統(tǒng)的效率，可作為能量回收系統(tǒng)技術(shù)水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。