裝載機節能技術研究

摘 要：裝載機節能化已成為未來發展的主要趨勢，針對目前國內外對裝載機節能方面的研究，本文從傳動系統取消液力變矩器、實現自動換擋，行駛系統采用液壓驅動系統，轉向系統采用獨立控制，混合動力系統結構、參數匹配和控制策略，制動系統能量回收方面進行總結研究分析，來降低系統能量損失，提高能量利用率，以達到節能減排的效果。

關鍵詞：節能技術 裝載機 能量損失

中圖分類號：TH243 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-00-02

裝載機使用場地十分廣泛，但是由于其能耗高、排放差的問題，很多場地受到限制，所以節能技術的研究十分重要。目前國內外研究主要從兩方面，一方面是對傳統裝載機中耗能元件的改變，另一方面是對新能源裝載機技術的研究。

1 傳動系統研究

傳統裝載機在行駛工作中，為防止過載，使用液力變矩器，但普通液力變矩器傳動效率低，能量損失嚴重。通過對發動機和液力變矩器優化參數匹配，設計出閉鎖離合器電-液控制系統，結合裝載機的實際工作需求對閉鎖離合器的閉鎖和解鎖進行控制，可以減少傳動系統能量損失。或是用行星機構取代傳統液力變矩器，行星機構不僅能實現液力變矩器的功能還能回收能量，在提高傳動系統的效率的同時進一步提高裝載機的能量利用率。

裝載機工作過程中，需要頻繁啟停和換擋，為減少駕駛員疲勞，提高換擋效率，減少能量損失。采用以油門開度、車速和作業載荷系數為控制參數的自動變速控制原理，配以變矩器效率為最優的節能換擋規律；以整車牽引力最大的動力換擋規律；當車輛降擋時以最大牽引力和當車輛升擋時以液力變矩器效率最優為換擋目標的綜合換擋規律進行自動換擋[1]。采用數字控制靜液傳動有級自動變速方案，可以實現數字泵與發動機、數字馬達與變化負載的動態匹配，使發動機一直處于經濟運行區。

2 行駛系統研究

液壓系統具有作業平穩、效率高、可以實現無級調速，方便實現各種調節控制，隨著液壓傳動技術不斷成熟，以及電液控制技術的發展，對液壓系統可以更好的控制，越來越多的人開始研究全液壓傳動系統。全液壓傳動裝載機的工作系統和行駛系統都采用液壓驅動[2]，采用全液壓傳動裝載機較液力機械傳動裝載機，具有結構簡單，布置靈活，可以簡單適宜地使發動機和行駛系統與工作系統之間始終保持合理的匹配，可以有效解決裝載機在工作過程中因載荷變化大而對零部件有損傷的同時保持較高的效率。

3 轉向系統研究

對于轉向系統，傳統裝載機的轉向系統和液壓工作系統共用一個定量液壓泵，在轉向作業時，液壓泵會優先對轉向系統優先供油，其余油通過溢流閥返回油路，造成能量損失嚴重。采用負荷傳感轉向系統，在轉向時會將多余的油全部供給工作裝置，會減少由于轉向系統供油過多，造成的功率損失，但是還會有溢流能量損失。采用獨立變轉速泵控轉向原理，用伺服電機驅動定量液壓泵獨立供油，通過伺服電機的轉速和轉角讓方向盤的角速度和轉角與轉向速度與轉角相匹配，不會產生多余油，從而減少能量損失。為進一步提高轉向系統的能量效率，可以采用閉式泵控流量原理來匹配轉向系統。由于轉向盤與轉向輪之間有機械（或液壓）聯系，轉向系統會不夠靈敏，可以采用線控轉向系統，轉向系統可以根據工況進行調節，靈敏度更高，并為駕駛員提供合適的路感，解決了裝載機作業效率與高速行走穩定性之間的矛盾[3]。

4 混合動力技術研究

針對裝載機能耗高、排放差的問題，開始借鑒汽車行業中的新能源技術，把節能減排的重點放在混合動力技術，目前混合動力裝載機主要有兩種混合動力形式，串聯式混合動力裝載機和并聯式混合動力裝載機。串聯式混合動力裝載機發動機與電機電連接，使傳動系統布置靈活，并且發動機可以一直處于經濟運行區，但是需要兩次能量轉換；并聯式混合動力裝載機能量轉換次數少，存在兩個動力源，能量利用率相對較高，對傳統裝載機改裝較少，但是需要動力耦合器，結構復雜，傳動系統布置困難[4]。

混合動力裝載機關鍵技術在參數匹配和控制策略。參數匹配是基于裝載機的工作方式和載荷譜對混合動力裝載機傳動系統參數進行匹配，然后根據系統中關鍵元件的特性參數利用粒子群優化算法、多目標優化算法對參數進行優化，得到最優參數。混合動力裝載機控制策略比較多，運用邏輯門限值控制策略，可以讓發動機始終處于高效區進行工作，簡單方便易于實現。運用模糊邏輯控制策略，對混合動力系統需求轉矩進行估計，從而控制發動機和電動機的輸出轉矩，可以有效地提高裝載機的燃油經濟性。運用電機最小助力控制策略，盡量提高發動機的利用率，降低電機的利用率，避免超級電容頻繁充放電，可以減少能量轉換的損耗，提高能量利用率。運用瞬時等效油耗最低控制策略，使發動機一直處于經濟運行，時時對發動機和電機進行轉矩分配，可以使系統處于功率損失最小狀態。

裝載機混合動力系統的控制策略的關鍵問題在于載荷的感知，使用油門踏板載荷感知方案，方便快捷易于實現，但是裝載機在工作模式下，油門踏板經常處于全開狀態，容易使超級電容一直處于缺電狀態，SOC值難以平衡。使用變矩器轉速比載荷感知方案，可以很好的反應行駛系統的載荷變化情況，但是液壓系統的載荷變化情況不能感知。使用需求轉矩在線估計方案，并運用卡爾曼濾波方法估計法，可以將行駛系統和液壓系統的載荷變化都全面反應。

5 制動系統研究

裝載機工作形式主要有“L”型“V”型和“T”型，最常用的工作形式是“V”型作業方法，第一步先空車駛向料堆，鏟料；第二步滿載退回起點，第三步滿載駛向運輸車，卸載物料；第四步空載退回起點。一次作業至少需要3次剎車，可見剎車非常頻繁，為節約能源可以將制動能量進行回收再利用[5]。通過分析制動模式和車輪在制動過程的受力分析，采用模糊邏輯控制算法對再生制動和傳統制動模式進行合理區分，通過電機進行能量回收。使用制動力矩的分配因子，以模糊控制作為理論基礎，將制動力矩的大小，SOC值，行駛速度等作為輸入值，將液電制動力矩與再生制動力矩的比值作為輸出值，進而制定能量回收控制策略以提高能量回收效率。

6 結語

裝載機可以通過閉鎖離合器電-液控制系統或行星機構取消液力變矩器，采用自動變速器，提高傳動系統效率。采用液壓驅動行駛系統，增加工作過程中參數匹配能力，保持整車高效率。采用獨立變轉速泵控制轉向系統，可以提高液壓系統能量利用率。采用粒子群優化算法、多目標優化算法對混合動力參數進行優化匹配，利用現代控制策略對混合動力裝載機進行控制，提高整個系統的能量利用率。對制動能量進行回收利用可以進一步節約能源。

參考文獻

[1] 趙丁選，李天宇，康懷亮，等.混合動力工程車輛自動變速技術[J].吉林大學學報（工），2014，44（2）：358-363.

[2] 羅石忠.全液壓裝載機液壓系統仿真與實驗研究[D].吉林大學，2012.

[3] 趙樹恩，張可啟.線控轉向系統變角傳動比特性研究[J].機械工程，2018，11（14）：1476-1482.

[4] 曹萬倉，林慕義，王連新，等.液壓混合動力工程車輛能量控制策略[J].液壓與氣動，2015（12）：25-30.

[5] 叢元英.串聯式混合動力裝載機動力系統參數匹配及控制策略研究[D].吉林大學，2016.