液压混合动力在挖掘机上应用研究

王素粉

(三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000)



液压混合动力在挖掘机上应用研究

王素粉

(三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000)

挖掘机在工作过程中制动频繁，能量损耗大，为了回收制动回转过程中的的能量，设计了液压混合动力挖掘机的回转系统，利用蓄能器回收制动能量。阐述了液压混合动力的工作原理，并进行了试验研究和分析。结果表明：液压混合动力降低了液压泵的功率损耗和液压马达的压力波动；在节能方面，蓄能器的能量回收效率达到74.75%，达到了节能的目的。

[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.

液压混合动力挖掘机能量回收试验研究

0　引言

液压混合动力是以液压蓄能器为储能元件的一种新型混合动力技术，该技术通过液压泵/马达实现了蓄能与车辆动能之间的转换。相对于电动混合动力技术，液压传动混合动力技术具有功率密度大，短时间完成能量释放和存储能力强的特点，在负载变化平凡的复杂工况更能发挥其节能减排的优势[1]，因此成为国内外研究机构、生产企业竞相研究开发的热点。近年来，液压混合动力在城市公交车、皮卡、多功能商务用车、邮政车、城市垃圾车等车型了做了应用研究，结果表明该技术提高燃油经济性28%～60%【2-3】；由于工况的不同，液压混合动力在工程机械等车型应用研究较少。油电混合动力技术在液压挖掘机的应用国内外研究较多。本文详细分析液压混合动力的特点及在液压挖掘机上应用的选型研究、试验研究，为挖掘机行业的节能技术的发展奠定基础。

1　液压混合动力的原理及特点

液压混合动力系统的辅助动力装置由能量转换元件(液压泵/马达)和储能元件(液压储能器)组成。在制动时，二次元件泵/马达将以泵的形式工作，车辆行驶的动能带动泵旋转，将液压油压入蓄能器中，实现动能到液压能的转化；车辆启动或加速时，二次元件泵/马达将以马达的行驶工作，蓄能器释放高压油以驱动马达工作，实现液压能到车辆动能的转化[5-7]。按照动力驱动方式不同，液压混合动力基本上三种动力传动方式，即串联、并联和混联。

1.1串联

串联式液压混合动力车的传动系中有两种或两种以上的动力源可同时或单独提供动力，但仅有1种执行元件驱动负载工作，串联液压混合动力的传动系主要由发动机、主减速、液压蓄能器和两个液压泵、马达组成。发动机和高压液压蓄能器为两个动力源，两个液压泵/马达具有双向并具有可逆性，与主减速器链接的液压泵/马达主要作为驱动车轮的执行元件使用，与发动机连接的液压泵/马达主要作为动力元件使用【4】。原理如图1所示。

图1　串联混合动力挖掘机结构Fig.1　structure of series hybrid excavator

1.2并联

并联式液压混合动力的动力传动系中有两种或两种以上的动力源可同时或单独提供动力，有两个或两个以上相应的执行元件可同时驱动负载，该动力传动系主要由发动机、主减速、液压蓄能器和液压泵/马达组成。并联形式通常保留传统车的动力传动链，只是在原传动链上增加了有液压泵/马达和液压蓄能器组成的能量再生系统，从而形成双动力驱动。原理如图2所示。

图2　并联混合动力挖掘机结构Fig.2　structure of parallel hybrid excavator

2　混合动力挖掘机的原理和特点

2.1方案的选择

在3种驱动方式中，并联车型技术难度低，结构简单，制造成本低廉。结合国内外研究情况(串联和混联车型的研究几乎无人问津)，故驱动方式选择并联驱动【5】。并联式液压混合动力一般可以认为是普通液压回转系统和液压能量再生系统的并联。液压能量再生系统由一双向且可逆的液压泵/马达和一个高压蓄能器组成，高压蓄能器存储和释放回转刹车动能。并联式液压混合动力由一智能型中央电子控制器，它将负责发动机和蓄能器之间的动力切换、信号输出以及回收刹车能量【6】。液压混合动力回转系统原理图设计如图3所示。

3　试验研究

3.1试验结果分析

挖掘机是一种具有多功能的机械，所进行的作业内容包括挖掘、装载、填埋、挖沟、平整、搬运、破碎等。其作业土质变化较大，所以使用的方式和要求也各有不同。根据作业的工况和使用的要求对发动机和液压泵井下优化设定，控制发动机的油门开度以及液压泵的排量等。一般来说是通过动力模式开关来选择动力模式，输入控制器经处理后输出控制电流，不同的模式输出不同的控制电流值，经过电液比例压力阀转变成的控制压力也不同。挖掘机有四种工作模式：H模式为重载模式，S模式为标准模式，FC模式为轻载模式，D为独立行走模式。

下面在H模式下的20吨挖掘机，按照标准循环工况进行试验研究，具体内容如下：连续挖掘5 min左右的连续挖掘，共计18个周期性循环，各参量周期性变化，通过分析典型单个挖掘周期各参量对应关系即可反应整体情况。

从图4得知在挖掘过程中双泵输出功率始终保持相同，单泵功率约为42 kW，双泵输出总功率为84 kW左右。各挖掘周期挖掘功率基本相同，呈现周期性变化。通过分析单周期各阶段功率变化可判断各阶段功率损耗，双泵功率输出情况等。选取整个挖掘周期中第n1周期、第n2周期的功率曲线进行分析。

从图5第n1周期与图6第n2周期单周期液压系统输出功率曲线来看，挖掘初始阶段液压系统输出功率在系统总功率附近剧烈变化，满载动臂提升回转90度工况下双泵输出功率稳定，斗杆、铲斗卸载工况下系统输出功率变化剧烈，空斗回程液压系统输出功率急剧下降。

3.2系统能量分析

挖掘机回转装置制动时，假设蓄能器的工作压力从升到，体积从下降到，蓄能器进行制动能量的回收，其回收的能量就是外界对蓄能器内气体所做的功，根据热力学第一定律有

(式1)

由测试结果可知，蓄能器在制动过程中的压力和体积的变化如下：

p1=24.53MP p2=27.58MP

1-变量液压泵;2-先导泵;3-电磁比例减压阀;4、8、9、13-压力传感器；6-操作手柄；7、17-溢流阀；10-控制器；11、15、23、24、28、29-单向阀；12、20、21-电磁比例调速阀；14-多路阀；16-负流量控制节流阀；18、19-液压锁；25-蓄能器；30-回转马达/泵

图3液压混合动力回转系统原理图

Fig.3hydraulic hybrid rotary system schematic diagram

图4　连续挖掘液压泵功率曲线

V1=8.46L V2=7.62L

将p1p2V1V2代入式(1),得蓄能器回收的能量为E1=18.56 KJ

挖掘机在制动过程中，由于回转装置惯性而损失的能量计算公式为：

(式2)

图5　n1周期液压系统输出功率曲线Fig.5　n1 cycle curve of output power of hydraulic system

式中：J为满斗回转时回转装置的转动惯量(kg·m2)；

根据测试结果可知：W2=0 rad/s，W2=1.23 rad/s，代入式(2)，得回转装置损失的能量为E=

图6　n2周期液压系统输出功率曲线Fig.6　n2 cycle curve of output power of hydraulic system

24.83 KJ。

4　结论

制定了了挖掘机液压混合动力回转系统的方案，并进行了试验研究，阐述了液压混合动力回转系统工作原理。通过试验研究结果表明：(1)液压混合动力回转系统在一定程度上降低了液压泵的功率损耗和液压马达的压力波动。(2)计算结果表明：油液混合动力回转系统中，蓄能器的能量回收效率达到74.75%，达到了节能的目的。(3)通过试验结果可得：液压混合动力的能提高燃油经济26%--35%。

[1]姜继海,赵春涛，孟兆生.二次调节静液压传动在城市公交车辆驱动中的节能技术研究[J].中国机械工程，2001,12(3).

[2]姜继海.二次调节静液压传动闭环位置系统和PID控制[J].工程机械，2000(5).

[3]张银彩，苑士华，胡纪滨.城市公交车辆液压节能装置的研究[J].农业机械学报，2007,38(6).

[4]王冬云,潘双夏，林潇，等.基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案研究[J].计算机集成制造系统，2009(1).

[5]张彦廷,雷西娟，王庆丰，等.混合动力液压挖掘机驱动系统节能效果的评价[J].工程机械，2008(2).

[6]刘昌盛,张大庆，蒋苹，等.工程机械混合动力技术的发展与应用[J].专题论述，2009(5).

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，讲师，硕士研究生,主要从事机械设计、及CAD/CAM/CAE技术研究。