混合動力挖掘機節(jié)能系統(tǒng)

戴立明 王正

摘 要：文章對傳統(tǒng)液壓挖掘機的系統(tǒng)能耗進行了分析，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合目前先進的節(jié)能技術(shù)，提出了一種油電、油液混合動力系統(tǒng)，這種動力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對能量的回收。對23t傳統(tǒng)液壓挖掘機的參數(shù)配置進行分析后，建立了關(guān)于傳統(tǒng)液壓挖掘機以及油電、油液混合動力挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的數(shù)學模型，并對三種動力系統(tǒng)的節(jié)能效果進行了分析對比。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機；能量回收；節(jié)能系統(tǒng)；回轉(zhuǎn)機構(gòu)

中圖分類號：TU621 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）34-0112-02

Abstract： In this paper， the energy consumption of traditional hydraulic excavator is analyzed. On the basis of this， as well as the advanced energy saving technology， a hybrid power system of electricity and oil is put forward. This kind of power system can realize the recovery of energy. After analyzing the parameter configuration of 23t traditional hydraulic excavator， the mathematical models of the rotary mechanism of conventional hydraulic excavator and electricity and oil hybrid excavator are established， and the energy-saving effects of the three power systems are analyzed and compared.

Keywords： hydraulic excavator； energy recovery； energy saving system； rotary mechanism

引言

傳統(tǒng)挖掘機節(jié)能效果的實現(xiàn)只能依賴于動力系統(tǒng)的改進，并對挖掘機運行過程中浪費的能量進行有效的回收，而混合動力挖掘機就能實現(xiàn)回收能量的目的。日立建機在2003年的時候研發(fā)出了世界上首臺混合動力輪式裝載機，這種混合動力在工程機械車輛的運用是一種劃時代的舉措。而后日本小松充分借鑒了這種成功經(jīng)驗研發(fā)出了首臺混合動力的挖掘機，實現(xiàn)了節(jié)能28%的目的[1]。

1 油電混合和油液混合動力系統(tǒng)對比

1.1 油電混合動力

在混合動力系統(tǒng)運行的過程中，如果驅(qū)動液壓泵的能量不超過發(fā)動機實際的輸出能量，那么發(fā)動機就會帶動液壓泵進行運轉(zhuǎn)，而多余的能量會經(jīng)過ISG電機的轉(zhuǎn)化后對超級電容進行充電，而當液壓泵運行時需要的能量過大，發(fā)動機不能滿足能量需求的時候，超級電容就會與發(fā)動機共同來為液壓泵的運行提供能量。挖掘機的整個回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由原來的回轉(zhuǎn)馬達改造成了ISG電機驅(qū)動，這樣在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行制動操作的時候，ISG就能將制動能量轉(zhuǎn)化成超級電容的充電電能。挖掘機的動力臂從高位下降產(chǎn)生的勢能將通過液壓馬達以及電機系統(tǒng)進行回收，然后將轉(zhuǎn)化后的能量在超級電容中進行儲存。改造后該混合動力系統(tǒng)最大的特點就是當系統(tǒng)實際需要的負載功率較大時，ISG電機就能對發(fā)動機形成輔助，減輕了發(fā)動機的功率輸出壓力，這樣發(fā)動機的燃料消耗就會始終處在合理的位置。而在系統(tǒng)負荷功率要求低的時候，通過ISG電機會將多余能量進行回收，并對超級電容形成充電效果，這樣電機的運行也實現(xiàn)了最優(yōu)運行效果[2]。

1.2 油液混合動力

挖掘機的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在制動的時候，液壓馬達會出現(xiàn)溢流發(fā)熱現(xiàn)象，導致能量損失，因此，可以合理的使用蓄能器將溢流能量進行回收儲存。這樣在系統(tǒng)實際運行需要的功率較大的時候，就可以通過蓄能器的回收能量來進行補充，而動力臂從高位下降的過程中也會產(chǎn)生一定的勢能，從而引起動臂液壓缸回油口的油液上升，這時候就可以將帶壓的部分油液通過蓄能器進行回收，當系統(tǒng)運行需要的油液量大時再將回收的油液補充給液壓系統(tǒng)。

2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)分析

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)是挖掘機中非常重要的結(jié)構(gòu)部分，在挖掘機運行的過程中，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)是運行時間最長的機構(gòu)，同時也是能耗最大的，其能耗占到挖掘機總能耗的25%-40%，因此，挖掘機節(jié)能系統(tǒng)的改造核心內(nèi)容就是回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的改造。

2.1 傳統(tǒng)液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的回傳系統(tǒng)動力源主要是柱塞泵，動力源提供的壓力油經(jīng)過伺服閥傳遞到回轉(zhuǎn)馬達，這樣就會在回轉(zhuǎn)馬達的進出油口形成壓力差，在壓力差的作用下實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。而轉(zhuǎn)動的控制則主要是有伺服閥來實現(xiàn)。

2.2 油電混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

該回轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要是由超級電容來提供能量，通過電機和變速箱來帶動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動控制是由操控臺的控制器來進行控制，操控臺在給出轉(zhuǎn)動指令后，由解碼器進行解碼并將指令下達給電動機，從而實現(xiàn)電機扭矩的輸出。

2.3 油液混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

該回轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要的能量則是由蓄能器和液壓泵來共同提供，而液壓馬達是執(zhí)行元件，液壓馬達在油壓的驅(qū)動下通過變速箱將能量傳遞給轉(zhuǎn)臺，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺以及其余工作裝置的轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在剎車的過程中多余能量由蓄能器進行回收，該回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制實現(xiàn)與油電混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)完全相同。

3 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真分析

為保證液壓、油液混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正常運轉(zhuǎn)，因此在仿真過程中選擇的液壓馬達為KMF90AB-3型，該液壓馬達的排量為88.6mL/r，額定轉(zhuǎn)速達到了2350r/min，通過對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的精確計算最終將蓄能器的容量確定為10L。

而為保證油電混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能滿足實際的回轉(zhuǎn)功率需求，將電動機的型號選定為Y180M-2型，該電機的額定功率為30kW，額定轉(zhuǎn)速能夠達到1870r/min。

本次仿真使用了AMEsim軟件，整個回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真的工況設(shè)置為回轉(zhuǎn)90°位置后停留4s，然后將轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)到初始位置。通過對三種回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真角位移、角速度、能耗性能曲線的分析可以得出。當信號輸入相同的條件下，兩種混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)回轉(zhuǎn)過程中的角位移基本一致，能夠快速的做出反應并完成回轉(zhuǎn)，而傳統(tǒng)液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的相應有非常明顯的滯后現(xiàn)象，但能夠完成指定的回轉(zhuǎn)命令。由此可見，混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比較相應更加精確、迅速。而三種回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的角速度走向基本一致，但是角速度的加速以及減速響應仿真中，兩種混合動力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的響應更加快速，由于油液混合動力的蓄能器在釋放油液的時候產(chǎn)生的超調(diào)量比較大，而傳統(tǒng)液壓式系統(tǒng)存在變量因素導致兩者的運行平穩(wěn)性與油電混合動力系統(tǒng)存在一定的差距。

通過對三種回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的功率消耗的積分處理后得出其能量消耗曲線，如下圖1所示。

由能耗曲線可知，在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的一個工作行程內(nèi)，油電混合動力的能耗最少，僅僅為65kJ，而油液混合動力能耗為81kJ，傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)能耗最大，為112kJ，可見，油電混合動力能夠?qū)崿F(xiàn)技能42%，而油液混合動力的節(jié)能效果稍差為28%。

4 結(jié)束語

通過對23t挖掘機的3種回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的分析后進行了仿真分析，對其系統(tǒng)性能以及節(jié)能效果進行了分析，發(fā)現(xiàn)混合動力的運行更加平穩(wěn)，節(jié)能效果良好，油氣是油電混合動力系統(tǒng)，不僅反應快速，運行穩(wěn)定，而且能夠?qū)崿F(xiàn)技能42%的效果。

參考文獻：

[1]吳文海.并聯(lián)式混合動力液壓挖掘機能量回收與動力匹配技術(shù)研究[D].西南交通大學，2015.

[2]姚明星.復合動作工況下液壓挖掘機動臂與轉(zhuǎn)臺節(jié)能技術(shù)研究[D].西南交通大學，2017.