基于混合動(dòng)力技術(shù)的液壓挖掘機(jī)節(jié)能方案研究

費(fèi)樹輝（徐工挖掘機(jī)械,江蘇 徐州 221100）

基于混合動(dòng)力技術(shù)的液壓挖掘機(jī)節(jié)能方案研究

費(fèi)樹輝
（徐工挖掘機(jī)械,江蘇 徐州 221100）

摘 要：本文首先對(duì)液壓挖掘機(jī)的工況進(jìn)行了分析，以及探討了混合動(dòng)力技術(shù)在工程機(jī)械上的適用性，接著簡(jiǎn)要介紹了混合動(dòng)力技術(shù)在液壓挖掘機(jī)上的應(yīng)用，具體包括其串、并聯(lián)系統(tǒng)的工作原理，最后對(duì)基于混合動(dòng)力技術(shù)的液壓挖掘機(jī)的相關(guān)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，包括串、并聯(lián)系統(tǒng)的綜合性能分析、節(jié)能效果的對(duì)比和成本的對(duì)比。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力技術(shù)；液壓挖掘機(jī)；節(jié)能

0 引言

隨著工程機(jī)械品種和數(shù)量的日益增加，工程機(jī)械消耗了極大的資源，并且其排放的污染物對(duì)環(huán)境造成了難以估計(jì)的影響。如今，環(huán)保節(jié)能受到了重視，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)工程機(jī)械的尾氣排放和噪聲問題日益重視，并提出了很多約束的管制，所以對(duì)于工程機(jī)械來說，研究節(jié)能環(huán)保的新型工程機(jī)械是大勢(shì)所趨。目前對(duì)工程機(jī)械節(jié)能環(huán)保方面的研究，主要著眼于提高相關(guān)元器件的性能、改進(jìn)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及動(dòng)力與負(fù)載的阻抗匹配，以實(shí)現(xiàn)更好的能量輸出等。但是這些方面的探索國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了很多的研究，雖然獲得了一定的成果，但是效果卻差強(qiáng)人意。另一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和節(jié)能環(huán)保理念的普及，現(xiàn)在出現(xiàn)了新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，比如，隨著油價(jià)的上升，汽車節(jié)能領(lǐng)域出現(xiàn)了混合動(dòng)力技術(shù)，并成功應(yīng)用于民用汽車上。汽車領(lǐng)域通過混合動(dòng)力技術(shù)獲得了很大收益，對(duì)節(jié)能環(huán)保也做出了巨大貢獻(xiàn)，給其他領(lǐng)域帶來了發(fā)展的方向，于是，混合動(dòng)力技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用也就隨之而來。

工程機(jī)械中，液壓挖掘機(jī)的用量大、油耗高、排放差，為了降低液壓挖掘機(jī)的油耗、提高尾氣排放的質(zhì)量，應(yīng)用混合動(dòng)力技術(shù)來解決這些問題就刻不容緩?；旌蟿?dòng)力技術(shù)的應(yīng)用，有助于降低液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)的發(fā)熱過大和整機(jī)的裝機(jī)功率，而且在提高挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)效率和改善尾氣方面具有顯著的效果。我國(guó)多家挖掘機(jī)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)，已經(jīng)將混合動(dòng)力技術(shù)的應(yīng)用作為重點(diǎn)研究對(duì)象，目前也已經(jīng)取得了一定的成果，降低了能耗和污染物的排放，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，擁有一定的未來市場(chǎng)占有率。但是由于混合動(dòng)力技術(shù)較為復(fù)雜，依舊有很多瓶頸問題沒有得到解決，所以我國(guó)的相關(guān)研究還只是初步階段。

本文淺析了混合動(dòng)力技術(shù)在液壓挖掘機(jī)上的應(yīng)用，對(duì)其綜合性能、節(jié)能效果及成本進(jìn)行了探討。

1 液壓挖掘機(jī)工作過程的介紹

液壓挖掘機(jī)是通過發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵工作，然后通過液壓泵來驅(qū)動(dòng)多路閥組及控制回路來實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)功能的，如回轉(zhuǎn)、行走、動(dòng)臂、斗桿和鏟斗等，結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，是一種集機(jī)電液為一體的復(fù)雜系統(tǒng)。挖掘機(jī)的工況具有周期性，如挖掘過程包括挖掘、提升動(dòng)臂、斗滿回轉(zhuǎn)、卸料、動(dòng)臂下降、空斗回轉(zhuǎn)等，這一組動(dòng)作為一個(gè)周期，這個(gè)周期的動(dòng)作完成后繼續(xù)重復(fù)下一個(gè)周期的動(dòng)作。

2 混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的可行性研究

混合動(dòng)力技術(shù)在液壓挖掘機(jī)上應(yīng)用有一些瓶頸問題，主要的衡量指標(biāo)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：采用混合動(dòng)力技術(shù)的節(jié)能效果、采用混合動(dòng)力技術(shù)之后液壓挖掘機(jī)的動(dòng)力性能、成本增加的幅度。因?yàn)橐簤和诰驒C(jī)工況的動(dòng)作，可以分析出普通液壓挖掘機(jī)燃油效率低的主要是因?yàn)樨?fù)載的晃動(dòng)引起的，動(dòng)力與負(fù)載的不匹配導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作極不穩(wěn)定，而且這種不穩(wěn)定大都發(fā)生在油耗高的區(qū)域，而混合動(dòng)力技術(shù)有效地解決了這個(gè)問題?；旌蟿?dòng)力的液壓挖掘機(jī)一般配備柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電池這三種不同的動(dòng)力源，通過不同動(dòng)力源之間的組合協(xié)調(diào)來對(duì)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)較好的動(dòng)力和負(fù)載之間的阻抗匹配，極大地提升了工作效率。

圖1 傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖

3 混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的工作原理介紹

混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)主要分為串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)兩大類型，下面分別進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

串聯(lián)混合動(dòng)力挖掘機(jī)的工作原理主要是：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為液壓挖掘機(jī)的主要?jiǎng)恿υ?，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，通過離合器與發(fā)電機(jī)相連，這樣就可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)將提取的電能可用來給發(fā)電機(jī)控制器供電，然后發(fā)電機(jī)控制器再去控制電動(dòng)機(jī)控制器，進(jìn)而通過傳感器和電動(dòng)機(jī)來控制液壓系統(tǒng)。因?yàn)樽詈篁?qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)具有較好的調(diào)速性能，因此可用來驅(qū)動(dòng)一些定量泵，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)高性能的調(diào)速。

并聯(lián)混合動(dòng)力挖掘機(jī)的工作原理主要是：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)還是液壓挖掘機(jī)的主要?jiǎng)恿υ矗诎l(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，通過離合器與發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)相連，這樣就可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能來控制電動(dòng)機(jī)控制器，進(jìn)而通過傳感器和離合器直接帶動(dòng)的電動(dòng)機(jī)來控制液壓系統(tǒng)。

綜上所述，在混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)研究中，串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)最大的不同點(diǎn)在于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)之間的連接方式不同。

4 混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的相關(guān)性能評(píng)價(jià)

4.1 串、并聯(lián)系統(tǒng)的綜合性能分析

目前研究的混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)主要就包括串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，這里主要對(duì)其的綜合性能進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

其中對(duì)綜合性能的比較需要一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)，因此為了保證比較數(shù)據(jù)的可靠，可直接對(duì)當(dāng)前普通的液壓挖掘機(jī)進(jìn)行改造。應(yīng)用混合動(dòng)力技術(shù)，將普通液壓挖掘機(jī)的系統(tǒng)改造成上述的串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)，其他的結(jié)構(gòu)保持一致，這樣就保證了液壓挖掘機(jī)工作時(shí)的技術(shù)參數(shù)較一致。其中，混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的技術(shù)參數(shù)包括：發(fā)電機(jī)的電流，電動(dòng)機(jī)的電壓，發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)的扭矩，系統(tǒng)目標(biāo)的速度，電池電壓，工作電流等。

影響混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的因素較多，其中尤為重要的是動(dòng)力總成的控制策略，這里就不再贅述。

串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)中的許多控制器都是通過電池組供電的，若是電池組供電出現(xiàn)問題，混合動(dòng)力挖掘機(jī)也就隨之癱瘓。因此，電池組容量的選擇要遵循以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）電池組的容量與電動(dòng)機(jī)要形成較好的匹配；

（2）電池組的使用壽命要得到保證。

4.2 節(jié)能效果與成本的比較

節(jié)能效果作為衡量混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，這里對(duì)其進(jìn)行了一些探討。這部分的比對(duì)主要是相關(guān)研究人員進(jìn)行仿真得出的結(jié)果，如在同一時(shí)間內(nèi)工作時(shí)，普通液壓挖掘系統(tǒng)的油耗為540g，而串聯(lián)系統(tǒng)的油耗才362 g，并聯(lián)系統(tǒng)的油耗更是降低至330 g。從相對(duì)百分比的角度來說，對(duì)于普通液壓挖掘系統(tǒng)而言，串、并聯(lián)系統(tǒng)在節(jié)能效果上分別提升了36.1%和40.7% 。

采用混合動(dòng)力技術(shù)對(duì)普通液壓挖掘機(jī)進(jìn)行改造，僅考慮綜合性能、節(jié)能效果和環(huán)保意義是不夠的，相關(guān)挖掘機(jī)生產(chǎn)廠家更注重的是改造的成本。試想，如果改造的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)能的效果，即使政府大力提倡節(jié)能環(huán)保，相關(guān)挖掘機(jī)生產(chǎn)廠家也會(huì)無動(dòng)于衷。因此這里探討了混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的改造成本和使用成本的問題，為相關(guān)廠家提供一些參考。

對(duì)于混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)，其制造成本主要是一些關(guān)鍵零部件的加工成本，而串聯(lián)系統(tǒng)相比于普通液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)，其關(guān)鍵零部件增加很多，大大增加了制造的成本。而在混合動(dòng)力挖掘機(jī)的維護(hù)上，電池組的使用壽命是決定性因素。

5 結(jié)論

本文主要介紹了基于混合動(dòng)力技術(shù)的液壓挖掘機(jī)節(jié)能方案的研究概況，首先對(duì)液壓挖掘機(jī)的工況和混合動(dòng)力技術(shù)在工程機(jī)械上的適用性進(jìn)行了分析，接著簡(jiǎn)要介紹了混合動(dòng)力技術(shù)在液壓挖掘機(jī)上的應(yīng)用，采用混合動(dòng)力技術(shù)的液壓挖掘機(jī)可以實(shí)現(xiàn)不管負(fù)載怎樣變化，都能輸出較為穩(wěn)定的平均功率，解決了由于負(fù)載和動(dòng)力不匹配帶來的功率損失。最后，對(duì)基于混合動(dòng)力技術(shù)的液壓挖掘機(jī)的相關(guān)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，包括串、并聯(lián)系統(tǒng)的綜合性能分析、節(jié)能效果的對(duì)比和成本的對(duì)比。結(jié)果表明，與普通液壓挖掘機(jī)相比，混合動(dòng)力挖掘機(jī)雖然制造成本增加，但是在節(jié)能效果上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：費(fèi)樹輝（1978-），男，江蘇徐州人，中級(jí)工程師，研究方向：液壓傳動(dòng)。