純電動壓縮式垃圾車上裝系統(tǒng)的節(jié)能研究*

吳虎城

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

純電動汽車具有零排放、低噪聲和高效率等優(yōu)點(diǎn)，因此越來越受到國家和企業(yè)的重視，多種品牌的純電動乘用車已經(jīng)大量推向市場。隨著純電動乘用車的成功推廣，電動汽車的應(yīng)用也被拓寬至環(huán)衛(wèi)、郵政、物流等專用車領(lǐng)域[1-2]。然而，動力電池的效率與成本仍然是制約純電動技術(shù)推廣的主要因素，因此提高電池及動力系統(tǒng)效率、降低動力電池容量從而達(dá)到減輕整車重量及電池成本是整車廠家設(shè)計開發(fā)時需要重點(diǎn)研究的課題。

目前，國內(nèi)純電動壓縮式垃圾車生產(chǎn)廠家的基本設(shè)計思路是將原來燃油車的上裝系統(tǒng)直接移植到所采購的純電動底盤上，而并未對底盤和上裝系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計。本文在對壓縮式垃圾車上裝系統(tǒng)能耗分析的基礎(chǔ)上，提出了上裝系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制改進(jìn)方案，從而達(dá)到節(jié)省上裝系統(tǒng)能耗的目的。

1 純電動壓縮式垃圾車上裝控制系統(tǒng)改進(jìn)方案

1.1 上裝系統(tǒng)工作過程

圖1為壓縮式垃圾車裝填機(jī)構(gòu)工作示意圖，其具體工作過程如下：在翻桶機(jī)構(gòu)將垃圾桶內(nèi)垃圾倒入填料器的垃圾料倉之后，刮板逆向轉(zhuǎn)動張開，如圖1(a)所示；滑板油缸伸出，滑板向下運(yùn)動，如圖1(b)所示；刮板油缸伸出，驅(qū)動刮板順時針轉(zhuǎn)動，并將垃圾刮起進(jìn)行初步壓縮，如圖1(c)所示；滑板油缸縮回，使滑板帶動刮板向上運(yùn)動，對垃圾進(jìn)行二次壓縮，如圖1(d)所示。當(dāng)垃圾被壓縮到一定程度，在滑板擠壓力的作用下推板油缸背壓閥打開，因此垃圾邊被壓縮邊向車廂前部移動。滑板油缸運(yùn)動到位時停止運(yùn)動，裝填機(jī)構(gòu)回到初始位置，完成一次工作循環(huán)[3]。采用這種邊壓邊退的雙向壓縮方案，可以保證垃圾被均勻壓縮而提高裝載量。經(jīng)過多次循環(huán)作業(yè)，待垃圾裝滿車廂后，整車?yán)贿\(yùn)送到垃圾處理站再卸料。

圖1 壓縮式垃圾車裝填機(jī)構(gòu)工作示意圖

目前推向市場的幾款純電動垃圾專用車的上裝控制系統(tǒng)都是以傳統(tǒng)燃油車為模板，并未結(jié)合純電動車底盤的自身特性來改進(jìn)設(shè)計。專利文獻(xiàn)[4]給出了常規(guī)轉(zhuǎn)速控制方案：由于上裝系統(tǒng)和底盤共用動力電機(jī)，因此車輛停止后進(jìn)入上裝系統(tǒng)工作模式，減速器掛空檔，取力器掛檔，此時上裝系統(tǒng)的液壓泵和取力器的輸出軸連接，液壓泵獲得電機(jī)的輸出動力，電機(jī)以一恒速運(yùn)行(如1 800 r/min)，這種單一恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行方案不能滿足上裝系統(tǒng)多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求。為了滿足專用車底盤通用性的要求，專利文獻(xiàn)[5]提出了人工設(shè)定高、中、低三檔電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法。但這兩種方案的共同特點(diǎn)是在上裝作業(yè)模式下電機(jī)一直在驅(qū)動液壓泵運(yùn)行，因此存在諸多問題。文獻(xiàn)[6]指出上裝設(shè)備不作業(yè)時，液壓泵空流損耗較大，浪費(fèi)較多電能。例如：通常完成一次壓縮作業(yè)需傾倒2桶～4桶垃圾，當(dāng)工作人員更換垃圾桶時上裝設(shè)備并不作業(yè)，但電機(jī)仍然高速運(yùn)行，此時液壓泵所做的功全部浪費(fèi)，因此這種控制方法不利于電池電量的有效利用，從而導(dǎo)致續(xù)航能力的降低。另外所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)都采用同一電機(jī)轉(zhuǎn)速驅(qū)動液壓泵時容易導(dǎo)致作業(yè)效率不高，特別在機(jī)構(gòu)載荷小，甚至負(fù)載的情況下(比如滑板下行過程)，如果能夠提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，將能提高上裝設(shè)備的作業(yè)效率[7]。

1.2 上裝控制系統(tǒng)改進(jìn)方案

上裝系統(tǒng)由翻桶、滑板、刮板、舉升、推料、后蓋鎖緊等機(jī)構(gòu)組成，各機(jī)構(gòu)分別由油缸驅(qū)動，每只油缸通過對應(yīng)的多路閥分別控制運(yùn)動方向。在所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，使用頻率最高的是翻桶機(jī)構(gòu)以及垃圾裝填機(jī)構(gòu)，因此，需要重點(diǎn)關(guān)注。改進(jìn)后的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方案如下：

(1) 工作空閑期間，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，這樣可以節(jié)省空流損耗。

(2) 翻桶油缸作業(yè)時間短，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速仍然保持1 800 r/min，而刮板油缸和滑板油缸作業(yè)時間長，按液壓泵允許的最高轉(zhuǎn)速2 400 r/min運(yùn)行，這樣可以提高作業(yè)效率。

(3) 后蓋鎖緊油缸和推板油缸只在卸料時作業(yè)，占整個上裝系統(tǒng)工作時間的比例很小，因此電機(jī)保持原轉(zhuǎn)速1 800 r/min不變。

2 上裝液壓系統(tǒng)建模

2.1 液壓系統(tǒng)模型

以某公司8 t純電動壓縮式垃圾車上裝系統(tǒng)為研究對象，該系統(tǒng)采用了定量泵多路閥方案，建立的上裝液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型如圖2所示。仿真參數(shù)如下：大泵排量為50 mL/r；小泵排量為20 mL/r；翻桶油缸大徑為63 mm，小徑為32 mm，行程為267 mm；刮板油缸大徑為90 mm，小徑為45 mm，行程為385 mm；滑板油缸大徑為100 mm，小徑為50 mm，行程為800 mm；推板油缸大徑為175 mm，小徑為85 mm，行程為2 840 mm。

圖2 上裝液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型

2.2 載荷譜

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，通常連續(xù)裝載三桶垃圾裝填機(jī)構(gòu)壓縮作業(yè)一次，裝桶作業(yè)間隔是指工作人員裝卸垃圾桶時間，大致在10 s～60 s之間，因此設(shè)定裝桶作業(yè)間隔分別為10 s、20 s、30 s和40 s。進(jìn)行仿真所采用的載荷譜如圖3所示，改進(jìn)方案比原方案的作業(yè)時間要縮短5%。按照圖3的載荷在裝桶作業(yè)間隔時間分別為10 s、20 s、30 s和40 s情況下共做8次仿真，分析大泵和小泵的能耗。

3 仿真結(jié)果與分析

裝桶間隔為30 s載荷譜下的仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出:原方案在等待裝桶的工作間隙，大、小泵都在做無用功，如圖4(a)所示；改進(jìn)方案在工作間隙時大、小泵都停止運(yùn)轉(zhuǎn)，沒有額外能耗，如圖4(b)所示；翻桶機(jī)構(gòu)正常作業(yè)時，小泵做功基本相同，刮板和滑板機(jī)構(gòu)作業(yè)時，由于增大了電機(jī)轉(zhuǎn)速而使作業(yè)效率提高，但輸出功率也增大。

單從圖4不易比較兩種方案下的節(jié)能效果，因此將所有仿真結(jié)果中大、小泵的具體能耗全部列出，如圖5所示(圖5(a)中，1,3,5,7和1′，3′，5′，7′分別為4種時間間隔時原方案和改進(jìn)方案中大泵的能耗，2,4,6,8和2′，4′，6′，8′分別為4種時間間隔時原方案和改進(jìn)方案中小泵的能耗)。原方案下，由于在作業(yè)間隙階段電機(jī)一直運(yùn)轉(zhuǎn)而在做無用功，隨著空閑時間越長，大、小泵能耗越大；改進(jìn)方案下，不論空閑間隙多長，大、小泵的能耗基本不變，因為在工作間隙電機(jī)停止運(yùn)行，不做無用功。改進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方案后，每種工況下的總能耗隨空閑間隔加長節(jié)能效果越明顯，間隔40 s時，可以節(jié)能50%，如圖5(b)所示。

圖3 典型工況載荷譜

圖4 裝桶間隔為30 s載荷譜下的仿真結(jié)果

圖5 不同空閑間隔時2種方案的節(jié)能效果定量分析

4 結(jié)語

國內(nèi)傳統(tǒng)純電動壓縮式垃圾車廠家未從系統(tǒng)整體角度出發(fā)，僅僅將純電動車底盤替換原來的燃油車底盤，沒有結(jié)合純電動車底盤的特性來改進(jìn)設(shè)計上裝系統(tǒng)，因此這種方案并不能充分發(fā)揮純電動車技術(shù)上的優(yōu)勢。通過對上裝液壓系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析，提出了根據(jù)實際工況來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方案，并搭建了系統(tǒng)模型，對不同裝載間隙時間下的工況進(jìn)行仿真。仿

真結(jié)果表明:原方案中，上裝系統(tǒng)作業(yè)能耗隨裝載間隔時間延長而增加，而在新的改進(jìn)方案下，作業(yè)能耗與裝載間隔時間無關(guān)。此外，新方案節(jié)能效果顯著，作業(yè)效率也得到提高。