ZL50装载机液压机械复合传动节能系统仿真研究

王海飞，姚树新 2，，孔 燕 2，，李兴伟, 周忠华，马阳盼

（1. 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.江苏华通动力重工有限公司，江苏 镇江 212003；3.徐州重型机械有限公司，江苏 徐州 221004）

由于装载机的工作环境比较恶劣，载荷变化大，发动机功率得不到充分发挥，液压机械复合传动结合了机械传动与液压传动的优点，能够较好的解决装载机在工作过程中所面临的的以上问题，是一个很有潜力的发展方向．美国GE公司、日本小松公司和德国大众集团曾经设计了类似的液压机械无极变速器]3-1[．2000年美国 University of Wiscosin-Madison的Wenbo Wang 博士论文，讨论了动力传动系的建模，以及运用动力学模型进行动力传动系仿真、故障诊断、设计和控制的理论与方法]4[；2010年美国 Purdue University的 Rajneesh Kumar博士论文中讨论了液压机械结构的设计，对动力传动系统进行了建模仿真，对于整车的节能与动力控制策略进行了较为深入的研究]5[．国内许多高校及科研单位也开始了这方面的研究工作，如北京理工大学曾对 DMT-25变速箱进行了台架试验，刘修骥教授、苑士华教授等较早地对多段液压机械复合传动进行了较为深入的研究[67]-；河南科技大学与中国一拖集团合作，为东方红1302R系列研制液压机械无级变速器]8[．

结合ZL50装载机的实际工作特点及发动机的性能评价指标]9[，设计了新型的液压机械复合传动节能系统，它能够大幅度提高装载机的综合性能，同时该系统基本应用原有变速箱和传动系统，降低了成本，经济实用，对于装载机技术的发展和产品质量的提高起了很大地推动作用．

1 液压机械复合传动方案设计

ZL50装载机作为一种大型的铲土运输机械设备，在牵引工况下传动装置要求能够在大范围内进行调速，在运输工况下传动装置要求有较高的速度与效率，因此利用离合器、制动器在适当的工作改变液压系统和机械传动的连接方案，充分发挥它们在不同工况下的优势．具体的工作模式如下：

（1）一档纯液压驱动

这种模式主要用于装载机起步阶段．起动时，发动机的动力性和燃油经济性较差，复合传动系统中的泵马达首先起动，利用其低速大转矩的特点，使车速达到一定值后，发动机起动，并迅速进入高效区工作．其中当液压蓄能器压力高于所需最低工作压力时，整车采用液压蓄能器驱动模式，发动机只为转向和装载装置提供必要的动力，整车全部牵引驱动能量由液压蓄能器和液压泵/马达提供，避免发动机在起动过程工作于高油耗、低效区．只有当液压蓄能器压力低于最低工作压力时，发动机为整机提供驱动能量．

（2）二、三档复合驱动

此时装载机进入正常中高速的运输工况．整车为液压机械复合传动装置驱动，综合传动性能好，发动机转速稳定在一定范围内，且工作于最佳燃油经济区，液压混合动力系统不工作．

（3）混合驱动发动机动力不足时，液压蓄能器通过泵马达提供辅助动力．当整机处于加速、爬坡或铲掘等大负荷情况时，整机所需的动力超过发动机工作范围或高效区时，由液压泵/马达提供辅助动力，协同发动机一起驱动车辆．

（4）再生制动

系统的再生制动适用于每个档位，当发生正常制动、紧急制动和下长坡缓制动时都会有再生制动参与甚至完全由再生制动进行制动，驾驶员要根据实际情况，如为轻度制动，整车进入液压再生制动模式，传统制动系统不工作，全部制动转矩由液压蓄能器和液压泵/马达提供，非轻度制动时，整车进入复合制动模式，整车制动转矩由液压泵/马达和传统制动系统提供，液压泵/马达提供最大制动转矩，不足的由传统制动系统提供．再生制动与传统制动方式的分配要通过检测具体参数进行控制．如图1所示．

图1 ZL50装载机液压机械复合传动装置Fig. 1 Hydraulic mechanical composite transmission for ZL50 loader

图中 B1为制动器，L1、L2、L3、L4、L5、L6为离合器，K1、K2、K3分别是图中所示行星排特征常数，即其各从动轮齿数积与主动轮齿数积的比值，B1、L5为装置的换段机构，L2为装置的换向机构，且L1、L2为机械传动通断机构，L3、L4为差速器正负相位切换机构，L6为纯液压传动的通断机构，ε1为变量泵的排量相对变化率，即相对于变量泵最大排量的变化率．不同工作段的制动器与离合器的结合状态如表 1 所示．

表1 制动器和离合器的工作状态Tab.1 The work status of brake and clutch

2 液压机械复合传动数学建模与特性分析

2.1 速度特性分析

ZL50装载机采用潍柴斯太尔 WD10G220E11发动机，额定功率为 162 kW，额定转速为 2 200 r/min，功率汇流行星排组即差速器是由正向汇流排和反向汇流排组成，因此挡位的不同对于汇流方式和变量泵变化的方向的要求也不同．所用参数定义为：n0发动机转速，n1太阳轮转速，n2行星架转速，n3齿圈转速，K行星排特性参数，ε1变量泵的排量相对变化率，i4液压传动输入端传动比，i5液压传动输出端（复合）传动比，i6纯液压传动输出端传动比．

对于内啮合行星排三构件的速度关系有：

（1）前进档纯液压Fh 段

离合器L6结合，此时机械传动无功率流，发动机的全部功率由液压传动输出，当ε1有－1→1变化时，输出转速将逐渐增加，整个装置的输出转速为

（2）前进档液压机械FhmΙ段

制动器B1制动，离合器L2、L4结合，机械传动与液压传动同时工作，此时差速器为负相位工况，机械功率流由差速器行星架输入，液压功率流由差速器太阳轮输入，复合功率由差速器齿圈输出．此时

所以输出转速为

（3）前进档液压机械FhmⅡ段

离合器 L1、L3、L5结合，机械传动与液压同时工作，此时差速器为正相位工况，机械功率流由差速器齿圈输入，液压功率流有差速器太阳轮输入，复合功率有差速器行星架输出．此时:

所以输出转速为

对于后退的三个档位的速度特性与前进三档位相对应，不再复述．

令输出速度比 ib= nb/n0，则可得到前进档三段ib与ε1之间的关系曲线，随着变量泵排量反复的变化，装置的转速是连续上升的，如图2所示．

图2 液压机械复合传动装置速度特性曲线Fig. 2 The speed characteristic curve of hydraulic mechanical composite transmission

2.2 平稳换段的条件

根据图2以及对速度特性的分析，选择适当的传动参数，可以使每一段的段尾速度与下一段的段首速度相等，因此液压机械复合传动装置平稳换段的条件是：前后两段在换段点处有相同的输出转速，有相同的变量泵排量相对变化率ε1．

根据关系式（2）和（4），可以得到纯液压Fh 段和液压机械FhmΙ段换段的条件为

其中 K1、im2为确定值，因此只要合理选择 i4、i5、i6的值，使得ε1≤1即可．

同理，根据关系式（4）和（6），可以得到液压机械FhmΙ段和液压机械FhmⅡ段的换段条件为

其中，除i4、i5外，其余均为确定值，因此只要选择合理的i4、i5值，使得ε1≥－1即可以保证两者的平稳换挡．

2.3 转矩特性分析

液压机械复合传动中各段输出的转矩极限值Mbm取决于液压马达的最大输出转矩Mmm．对于液压机械FhmΙ段，其输出转矩

对于液压机械FhmⅡ段，其输出转矩

对于纯液压传动Fh 段，根据设计的要求

综合以上关系式，可以得到转矩特性图，实质上，等比式液压机械复合传动装置输出转矩特性属于恒功率的双曲线型]6[，使得经济性提高，如图3

图3 液压机械复合传动装置转矩特性Fig. 3 The torque characteristics of hydraulic mechanical composite transmission transmission

2.4 液压功率分流比

液压功率分流比 εh是相对于液压机械复合传动总功率来讲的，为了使整个复合传动装置具有较高的传动效率，应该尽可能的降低液压系统支路所所传递的能量．对于液压机械FhmΙ段，根据关系式(3)和(9)可得

对于液压机械 FhmⅡ段，根据关系式（5）和（10）可得

通过以上关系式，可以得到液压功率分流比εh相对于装载机速度的变化曲线，如图4所示．

图4 液压机械复合传动装置的液压功率分流比曲线Fig. 4 The hydraulic power flow ratios of hydraulic mechanical composite transmission

2.5 传动效率

液压机械复合传动装置的功率流分为机械功率流和液压功率流，低效率的液压功率ηh在总功率中所占份额越少，总效率η就越接近纯机械的高效率．根据关系式(1)、(9)～(11)及能量守恒定律可推导出：当εh≥0时，

当hε≤0时，

将关系式（12）和（13）按条件分段分别代入关系式（14）和（15）中，可得到液压机械复合传动装置的传动效率曲线，如图5所示．

3 系统建模与仿真分析

3.1 建立模型

在AMEsim环境下，调用系统提供的液压库、机械库、传动库和信号库，并与MATLAB/Simulink中所设计的部分相联合[10]，根据液压机械复合传动原理图1，建立ZL50装载机液压机械复合传动节能系统仿真模型，如下图6所示．仿真环境为：介质密度850 kg/m3，体积模量1 700 MPa，动力粘度5.1×10－2Pa·s，参考温度为 40。C，仿真参数如表2所示．

图5 液压机械复合传动装置的传动效率曲线Fig. 5 The transmission efficiency curve of hydraulic mechanical composite transmission

表2 ZL50装载机驱动系统仿真参数Tab.2 The simulation parameters of drive system on ZL50 loader

图6 ZL50装载机液压机械复合传动节能系统仿真模型Fig. 6 Simulative model on hydraulic mechanical composite transmission energy- saving system for ZL50 loader

3.2 仿真分析

以上为复合传动的仿真曲线，复合传动主要针对于运输工况及牵引工况的轻载作业，此时的电机排量等于泵的排量即180 ml/r，加载中度载荷基数为18 360 Nm．由于变量泵的转速基本恒定，所以变量泵的流量正比于其变量系数，最大流量为396 L/min，如图7所示；对于设计有控制器的复合传动系统，会根据负荷的变化较迅速、准确的做出反应，蓄能器吸收系统的波动，使系统获得良好的性能，如图8所示；电机的流量变化与泵的基本一致，最大流量大约为396 L/min，如图9所示；电机扭矩的变化较为平缓，根据泵的变向而变向，其值大约为570 Nm，如图10所示．

图7 变量泵流量Fig. 7 Flow of variable pump

图8 蓄能器的流量Fig. 8 Flow of Accumulator

图9 电机流量Fig. 9 Flow of motor

图10 电机扭矩Fig.10 Torque of motor

图11 蓄能器压力Fig. 11 Accumulator pressure

图12 蓄能器气体体积Fig. 12 Accumulator volume

蓄能器作为制动能量回收再利用装置，由于串联了液压变压器，使得蓄能器在系统压力较高且基本不变的情况下也可以在很低的状态压力下开始回收能量．如图11所示，蓄能器初始压力为9.7 MPa，再生制动过程结束后，蓄能器的基本到达其额定工作压力31.5 MPa左右，而系统的工作压力为20 MPa左右，基本不变；如图12所示，蓄能器的气体体积初始值为24 L，再生制动过程结束后，气体体积缩小到约11 L左右，即蓄能器的容积变化值约为

13 L．蓄能器仿真结果与理论计算的结果基本一致,验证了复合传动节能液压系统具有很强的应用性．

4 结语

（1）根据液压机械复合传动的工作原理及结构组成和ZL50装载机的工作特点， 得到输入外分流（内啮合）式液压机械复合传动装置的综合性能最优．设计了首段为纯液压传动，二、三段为液压机械复合传动，且为等比式的液压机械复合传动装置．通过对该装置的变速机构、速度特性、等比特性、平稳换挡条件、转矩特性、液压功率流比及传动效率的分析研究，得出满足ZL50装载机工作要求的各数学模型．

（2）通过仿真软件 AMESim与 MATLAB/Simulink对ZL50装载机液压机械复合传动节能系统进行了联合动态仿真，结果表明，仿真数据与理论计算结果基本一致．验证了液压机械复合传动节能系统性能达到了理论要求，大大提高了装载机在高效、舒适和节能方面的性能，实用性强，对于类似工程机械产品的研发和技术改进具有一定的参考价值．

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