李 優(yōu)

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009）

引言

液壓挖掘機械自問世以來憑借穩(wěn)定可靠的工作性能和清潔高效的動力系統(tǒng)在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1]。日常工作中挖掘機的載荷變化較為頻繁劇烈，造成作為動力源的柴油機其功率輸出缺乏穩(wěn)定性，不能在較為經(jīng)濟高效的燃油區(qū)間穩(wěn)定工作，使其經(jīng)濟性、可持續(xù)性受到影響，無形之中也縮短了柴油機的使用壽命。此外，我國對燃油機械尾氣排放的要求日益嚴格，所以研發(fā)一種動力穩(wěn)定可靠、性能更加出色、環(huán)境污染程度最低的動力系統(tǒng)成為擺在挖掘機技術(shù)改革道路上的又一個難題。

1 挖掘機動力系統(tǒng)介紹

雖然可以采用提高柴油機和載荷的功率匹配度來提高發(fā)動機的工作性能，但在機械動力結(jié)構(gòu)的限制下提升空間有限，因此將其他領(lǐng)域成熟的技術(shù)創(chuàng)造性地應(yīng)用在挖掘機上成為新的技術(shù)革新方向[2]。在汽車動力系統(tǒng)中，混合動力技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，挖掘機動力系統(tǒng)引進該技術(shù)成為新的趨勢?；旌蟿恿ο到y(tǒng)主要由兩種或兩種以上動力源（主動力源+輔助動力源）互相配合為系統(tǒng)提供高效穩(wěn)定的動力[3]。目前，混合動力系統(tǒng)主流趨勢是，以柴油機作主動力源，輔助動力源一般靠由電動機、液壓泵/馬達與發(fā)動機組合形成的油電混合、油液混合動力系統(tǒng)提供，再輔以電池、電容、液壓蓄能器存儲能量，保證系統(tǒng)動力輸出可靠。

油液混合動力系統(tǒng)常規(guī)模式是采用二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)控制液壓馬達維持機械系統(tǒng)壓力恒定，這種模式具有的優(yōu)點主要有：可同時驅(qū)動多個負載，兼容性強；以搭載二次元件（四個象限工作區(qū)域）作為輔助動力源，可同時實現(xiàn)能量存儲與釋放；恒壓泵通過直接對接二次元件工作，減少了因為流道變化引發(fā)的壓力損失?；诙握{(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)的油液混合動力系統(tǒng)已經(jīng)在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，主要集中于各式能量的回收利用中，如液壓起重機械對勢能的二次利用、多個執(zhí)行元件的遠程控制等[4]。挖掘機采用的油液混合動力系統(tǒng)相比其他動力技術(shù)最大的特點是功率密度更高，因此在能量的存儲方面蓄能器占有先天優(yōu)勢，功率體積比同等工況下最高，在回收挖掘機的動臂勢能、回轉(zhuǎn)動能等能量時可做到效率最高。

2 油液混合動力系統(tǒng)方案

油液混合動力系統(tǒng)分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混合式三種混合動力方案，本節(jié)選取典型的動力方案為研究對象進行分析。

2.1 串聯(lián)式混合動力方案

串聯(lián)式油液混合動力方案如圖1所示，動力傳輸路徑為發(fā)動機—液力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)—負載主泵，核心是液力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該套系統(tǒng)由蓄能器、液壓泵和液壓馬達組成。發(fā)動機以恒定功率驅(qū)動液壓泵輸出壓力能，進而驅(qū)動液壓馬達帶動負載主泵工作。系統(tǒng)主要包括三種工作狀態(tài)：當(dāng)工作負載與發(fā)動機輸出功率相等時系統(tǒng)正常工作，此時為理想工況；當(dāng)工作負載低于發(fā)動機輸出功率時，剩余功率會儲存在蓄能器中，以備功率不足時輸出；當(dāng)工作負載高于發(fā)動機輸出功率時，蓄能器中儲存的能量補充到液壓馬達中，達到平衡負載的效果。通過蓄能器“多退少補”式的工作模式調(diào)節(jié)系統(tǒng)能量分配，實現(xiàn)了能量的二次利用、高效利用，由于負載馬達的動力均來自液壓馬達，該方案又被稱純靜液壓式混合動力方案。

圖1 串聯(lián)式油液混合動力方案

串聯(lián)式混合動力方案具有結(jié)構(gòu)原理簡單、控制方法便于理解的特點，液壓馬達為負載主泵提供所有動力的方式免除了復(fù)雜動力耦合的弊端，系統(tǒng)動力輸出較為平順，在工程中應(yīng)用較多。同時，該系統(tǒng)還存在一些不足：對液壓馬達和負載泵的要求較高，需匹配發(fā)動機的額定功率，對蓄能器儲存能力的要求也較高；能量傳輸路徑較長，發(fā)動機輸出的能量需經(jīng)過液壓泵、馬達、蓄能器等元件的多次轉(zhuǎn)換才能被傳遞到負載主泵，影響傳動效率；對系統(tǒng)元件整體功率要求較大，導(dǎo)致體積較大，為挖掘機的結(jié)構(gòu)設(shè)置帶來較大困難。

2.2 并聯(lián)式混合動力方案

圖2為一種典型的并聯(lián)式油液混合動力方案。發(fā)動機輸出的動力同時驅(qū)動負載主泵和泵+馬達組合，由動力耦合裝置實現(xiàn)二者的能量分配。當(dāng)負載的實際功率低于發(fā)動機的額定功率時，發(fā)動機的剩余能量通過并聯(lián)油路被傳遞到泵+馬達組合，此時該組合為液壓泵功能，向蓄能器儲存能量；當(dāng)負載的實際功率高于發(fā)動機的額定功率時，蓄能器將儲存的能量釋放到泵+馬達組合，此時組合為液壓馬達功能，通過馬達給負載主泵輸送機械能。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的主要動力源也是發(fā)動機，當(dāng)發(fā)動機功率不足時由輔助動力系統(tǒng)補齊相應(yīng)的差值功率，負載主泵的功率輸入采用“發(fā)動機+液壓馬達”的模式。

圖2 并聯(lián)式油液混合動力方案

并聯(lián)式方案需要借助一套動力耦合裝置將發(fā)動機的功率科學(xué)高效地分配到負載主泵和泵+馬達組合上，相比串聯(lián)式系統(tǒng)，輔助動力系統(tǒng)僅需在實際載荷偏大時補充提供能量即可，在減小挖掘機裝機功率方面具有不可比擬的優(yōu)勢。此外，負載主泵處于發(fā)動機和輔助動力源的中間，大部分工況下發(fā)動機的功率被直接傳遞給負載主泵，大幅縮短了動力傳遞過程中因為壓力損失而引起的能量損耗。該型方案的主要缺點有：泵和馬達形成的組合作為二次元件具有功能多樣的特點，但也為系統(tǒng)的設(shè)計制造帶來較大難度，經(jīng)濟性較差；需要動力耦合裝置科學(xué)合理分配負載主泵和輔助動力系統(tǒng)的動力，對控制系統(tǒng)的動態(tài)特性要求更高，需算法更加精密。

2.3 混聯(lián)式混合動力方案

圖3為某型典型的混聯(lián)式混合動力方案，該方案本質(zhì)上是在串聯(lián)式方案的基礎(chǔ)上加裝了一套能量回收系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作原理是蓄能器儲存能量，動力耦合裝置給負載主泵提供能量。顯而易見，這套系統(tǒng)比以上兩種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都要復(fù)雜，無論是給設(shè)計制造還是給后期使用維修都會帶來較大的技術(shù)難度，系統(tǒng)控制算法的開發(fā)也比較困難。此外，負載主泵采用液壓馬達驅(qū)動，也勢必具有串聯(lián)式混合動力方案的缺點，如傳動效率低、能耗高等。

圖3 混聯(lián)式油液混合動力方案

3 油液混合系統(tǒng)動力方案對比

以6 t級挖掘機的動力系統(tǒng)需求為研究對象，綜合對比三種混合動力方案的優(yōu)缺點，分別從工作效率、經(jīng)濟性能和產(chǎn)品體積三個角度分析，選出最適合的動力系統(tǒng)方案，如式（1）所示：

式中：Y為綜合評價結(jié)論；f（xi）為分項評價指標（工作效率、經(jīng)濟性能、產(chǎn)品體積）；ai為分項評價權(quán)重系數(shù)。

由于液壓傳動傳遞過程中系統(tǒng)受到的阻力較大，液壓傳動傳動效率往往不及機械傳動。串聯(lián)式系統(tǒng)動力傳遞路徑單一，經(jīng)發(fā)動機、液壓泵/馬達、負載主泵、各類控制閥等液壓元件逐級累加后效率較低，一般液壓泵和液壓馬達的效率為80%~90%，動力耦合裝置的效率為95%左右，發(fā)動機的效率為30%~40%。并聯(lián)式方案由于負載主泵處于發(fā)動機和輔助動力系統(tǒng)中間而具有較高的傳動效率，在同等設(shè)備元件和工作動力下更為節(jié)能?；炻?lián)式方案綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式動力系統(tǒng)的特點，在傳遞效率較高的基礎(chǔ)上兼顧了混合動力系統(tǒng)對能量回收的影響，理論上更接近理想的混合動力系統(tǒng)最優(yōu)方案。

經(jīng)濟性能主要由產(chǎn)品工作元件和設(shè)計工藝決定，對6 t級挖掘機的研發(fā)更應(yīng)著重考慮用戶的需求。串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)對液壓馬達的要求較高，額定功率應(yīng)高于負載的實際最高功率，致使也需要同比例提高蓄能器選用標準，而蓄能器的體積與存儲能力呈正相關(guān)關(guān)系，液壓馬達和蓄能器的高空間占比給挖掘機的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來先天性缺陷，較大程度上影響了經(jīng)濟性能和產(chǎn)品體積。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的泵+馬達組合僅需在負載實際功率高于發(fā)動機功率時補充欠缺的功率，因此對液壓元件的工作參數(shù)要求不高，這樣可選擇較小型號的液壓馬達、液壓泵和蓄能器，大幅節(jié)省了空間，無論是在經(jīng)濟性能上還是在產(chǎn)品體積上都非常適合中小型的挖掘機?；炻?lián)式混合動力系統(tǒng)與其他兩種方案相比，增設(shè)了一個蓄能器，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，產(chǎn)品性價比較低，系統(tǒng)的優(yōu)勢不足以抵消產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜帶來的劣勢，不適合被應(yīng)用在中小型挖掘機上。

從工作效率、經(jīng)濟性能、產(chǎn)品體積和使用便捷性四個角度歸一化分析三種方案，得到油液混合動力系統(tǒng)方案對比明細表，見表1。歸一化法為：

表1 油液混合動力系統(tǒng)方案對比明細

綜合分析得出6 t級液壓挖掘機最適合方案為并聯(lián)式油液混合動力系統(tǒng)，該型系統(tǒng)無論是在產(chǎn)品性價比方面還是在工作效率方面均具有較為理想的效果。

4 結(jié)語

油液混合動力系統(tǒng)作為挖掘機動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的趨勢，具有較為明顯的優(yōu)勢，不同類型的動力傳動方式具有不同的特點和適用場合，應(yīng)該根據(jù)實踐要求進行分析。