挖掘機油液混合動力系統分析★

李 優

（山西工程職業學院，山西 太原 030009）

引言

液壓挖掘機械自問世以來憑借穩定可靠的工作性能和清潔高效的動力系統在工程機械領域的應用越來越廣泛[1]。日常工作中挖掘機的載荷變化較為頻繁劇烈，造成作為動力源的柴油機其功率輸出缺乏穩定性，不能在較為經濟高效的燃油區間穩定工作，使其經濟性、可持續性受到影響，無形之中也縮短了柴油機的使用壽命。此外，我國對燃油機械尾氣排放的要求日益嚴格，所以研發一種動力穩定可靠、性能更加出色、環境污染程度最低的動力系統成為擺在挖掘機技術改革道路上的又一個難題。

1 挖掘機動力系統介紹

雖然可以采用提高柴油機和載荷的功率匹配度來提高發動機的工作性能，但在機械動力結構的限制下提升空間有限，因此將其他領域成熟的技術創造性地應用在挖掘機上成為新的技術革新方向[2]。在汽車動力系統中，混合動力技術應用較為廣泛，挖掘機動力系統引進該技術成為新的趨勢?；旌蟿恿ο到y主要由兩種或兩種以上動力源（主動力源+輔助動力源）互相配合為系統提供高效穩定的動力[3]。目前，混合動力系統主流趨勢是，以柴油機作主動力源，輔助動力源一般靠由電動機、液壓泵/馬達與發動機組合形成的油電混合、油液混合動力系統提供，再輔以電池、電容、液壓蓄能器存儲能量，保證系統動力輸出可靠。

油液混合動力系統常規模式是采用二次調節靜液傳動技術控制液壓馬達維持機械系統壓力恒定，這種模式具有的優點主要有：可同時驅動多個負載，兼容性強；以搭載二次元件（四個象限工作區域）作為輔助動力源，可同時實現能量存儲與釋放；恒壓泵通過直接對接二次元件工作，減少了因為流道變化引發的壓力損失?；诙握{節靜液傳動技術的油液混合動力系統已經在工程領域得到廣泛應用，主要集中于各式能量的回收利用中，如液壓起重機械對勢能的二次利用、多個執行元件的遠程控制等[4]。挖掘機采用的油液混合動力系統相比其他動力技術最大的特點是功率密度更高，因此在能量的存儲方面蓄能器占有先天優勢，功率體積比同等工況下最高，在回收挖掘機的動臂勢能、回轉動能等能量時可做到效率最高。

2 油液混合動力系統方案

油液混合動力系統分為串聯式、并聯式和混合式三種混合動力方案，本節選取典型的動力方案為研究對象進行分析。

2.1 串聯式混合動力方案

串聯式油液混合動力方案如圖1所示，動力傳輸路徑為發動機—液力轉換系統—負載主泵，核心是液力轉換系統，該套系統由蓄能器、液壓泵和液壓馬達組成。發動機以恒定功率驅動液壓泵輸出壓力能，進而驅動液壓馬達帶動負載主泵工作。系統主要包括三種工作狀態：當工作負載與發動機輸出功率相等時系統正常工作，此時為理想工況；當工作負載低于發動機輸出功率時，剩余功率會儲存在蓄能器中，以備功率不足時輸出；當工作負載高于發動機輸出功率時，蓄能器中儲存的能量補充到液壓馬達中，達到平衡負載的效果。通過蓄能器“多退少補”式的工作模式調節系統能量分配，實現了能量的二次利用、高效利用，由于負載馬達的動力均來自液壓馬達，該方案又被稱純靜液壓式混合動力方案。

圖1 串聯式油液混合動力方案

串聯式混合動力方案具有結構原理簡單、控制方法便于理解的特點，液壓馬達為負載主泵提供所有動力的方式免除了復雜動力耦合的弊端，系統動力輸出較為平順，在工程中應用較多。同時，該系統還存在一些不足：對液壓馬達和負載泵的要求較高，需匹配發動機的額定功率，對蓄能器儲存能力的要求也較高；能量傳輸路徑較長，發動機輸出的能量需經過液壓泵、馬達、蓄能器等元件的多次轉換才能被傳遞到負載主泵，影響傳動效率；對系統元件整體功率要求較大，導致體積較大，為挖掘機的結構設置帶來較大困難。

2.2 并聯式混合動力方案

圖2為一種典型的并聯式油液混合動力方案。發動機輸出的動力同時驅動負載主泵和泵+馬達組合，由動力耦合裝置實現二者的能量分配。當負載的實際功率低于發動機的額定功率時，發動機的剩余能量通過并聯油路被傳遞到泵+馬達組合，此時該組合為液壓泵功能，向蓄能器儲存能量；當負載的實際功率高于發動機的額定功率時，蓄能器將儲存的能量釋放到泵+馬達組合，此時組合為液壓馬達功能，通過馬達給負載主泵輸送機械能。并聯式混合動力系統的主要動力源也是發動機，當發動機功率不足時由輔助動力系統補齊相應的差值功率，負載主泵的功率輸入采用“發動機+液壓馬達”的模式。

圖2 并聯式油液混合動力方案

并聯式方案需要借助一套動力耦合裝置將發動機的功率科學高效地分配到負載主泵和泵+馬達組合上，相比串聯式系統，輔助動力系統僅需在實際載荷偏大時補充提供能量即可，在減小挖掘機裝機功率方面具有不可比擬的優勢。此外，負載主泵處于發動機和輔助動力源的中間，大部分工況下發動機的功率被直接傳遞給負載主泵，大幅縮短了動力傳遞過程中因為壓力損失而引起的能量損耗。該型方案的主要缺點有：泵和馬達形成的組合作為二次元件具有功能多樣的特點，但也為系統的設計制造帶來較大難度，經濟性較差；需要動力耦合裝置科學合理分配負載主泵和輔助動力系統的動力，對控制系統的動態特性要求更高，需算法更加精密。

2.3 混聯式混合動力方案

圖3為某型典型的混聯式混合動力方案，該方案本質上是在串聯式方案的基礎上加裝了一套能量回收系統，系統的工作原理是蓄能器儲存能量，動力耦合裝置給負載主泵提供能量。顯而易見，這套系統比以上兩種系統的結構都要復雜，無論是給設計制造還是給后期使用維修都會帶來較大的技術難度，系統控制算法的開發也比較困難。此外，負載主泵采用液壓馬達驅動，也勢必具有串聯式混合動力方案的缺點，如傳動效率低、能耗高等。

圖3 混聯式油液混合動力方案

3 油液混合系統動力方案對比

以6 t級挖掘機的動力系統需求為研究對象，綜合對比三種混合動力方案的優缺點，分別從工作效率、經濟性能和產品體積三個角度分析，選出最適合的動力系統方案，如式（1）所示：

式中：Y為綜合評價結論；f（xi）為分項評價指標（工作效率、經濟性能、產品體積）；ai為分項評價權重系數。

由于液壓傳動傳遞過程中系統受到的阻力較大，液壓傳動傳動效率往往不及機械傳動。串聯式系統動力傳遞路徑單一，經發動機、液壓泵/馬達、負載主泵、各類控制閥等液壓元件逐級累加后效率較低，一般液壓泵和液壓馬達的效率為80%~90%，動力耦合裝置的效率為95%左右，發動機的效率為30%~40%。并聯式方案由于負載主泵處于發動機和輔助動力系統中間而具有較高的傳動效率，在同等設備元件和工作動力下更為節能。混聯式方案綜合了串聯式和并聯式動力系統的特點，在傳遞效率較高的基礎上兼顧了混合動力系統對能量回收的影響，理論上更接近理想的混合動力系統最優方案。

經濟性能主要由產品工作元件和設計工藝決定，對6 t級挖掘機的研發更應著重考慮用戶的需求。串聯式混合動力系統對液壓馬達的要求較高，額定功率應高于負載的實際最高功率，致使也需要同比例提高蓄能器選用標準，而蓄能器的體積與存儲能力呈正相關關系，液壓馬達和蓄能器的高空間占比給挖掘機的結構設計帶來先天性缺陷，較大程度上影響了經濟性能和產品體積。并聯式混合動力系統的泵+馬達組合僅需在負載實際功率高于發動機功率時補充欠缺的功率，因此對液壓元件的工作參數要求不高，這樣可選擇較小型號的液壓馬達、液壓泵和蓄能器，大幅節省了空間，無論是在經濟性能上還是在產品體積上都非常適合中小型的挖掘機?；炻撌交旌蟿恿ο到y與其他兩種方案相比，增設了一個蓄能器，導致系統結構更加復雜，產品性價比較低，系統的優勢不足以抵消產品結構復雜帶來的劣勢，不適合被應用在中小型挖掘機上。

從工作效率、經濟性能、產品體積和使用便捷性四個角度歸一化分析三種方案，得到油液混合動力系統方案對比明細表，見表1。歸一化法為：

表1 油液混合動力系統方案對比明細

綜合分析得出6 t級液壓挖掘機最適合方案為并聯式油液混合動力系統，該型系統無論是在產品性價比方面還是在工作效率方面均具有較為理想的效果。

4 結語

油液混合動力系統作為挖掘機動力系統技術發展的趨勢，具有較為明顯的優勢，不同類型的動力傳動方式具有不同的特點和適用場合，應該根據實踐要求進行分析。