基于混合動力液壓挖掘機系統優化設計的研究

董麗娟 朱哲煜

摘要：本文分析了我國對混合動力的液壓挖掘機系統的研究情況，以此探討工程機械中采用混合動力技術能否有效適用，在此基礎上對液壓挖掘機系統優化設計中混合動力技術的具體應用進行了相應的探討，明確了基于混合動力液壓挖掘機系統在串聯和并聯兩種方式上的運行原理，同時評價并對比了串聯和并聯兩種方式下混合動力液壓挖掘機系統的性能、經濟性及其節能效果。

Abstract： This article analyzes the research status of hybrid hydraulic excavator systems in my country， in order to explore whether the use of hybrid technology in construction machinery can be effectively applied， and on this basis， the specifics of hybrid technology in the optimal design of hydraulic excavator systems The application has been discussed accordingly， and the operating principles of the hybrid hydraulic excavator system based on the series and parallel modes are clarified. At the same time， the performance and economy of the hybrid hydraulic excavator system in the series and parallel modes are evaluated and compared. And its energy-saving effect.

關鍵詞：混合動力;液壓;挖掘機;優化設計

Key words： hybrid power;hydraulic;excavator;optimized design

中圖分類號：TU621? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0055-02

0? 引言

近年來，我國現代工業的飛速發展，使得工程機械種類及數量得以逐年增加，當然，人們在制造大量工程機械過程中也損耗了非常龐大的資源，而且更令人痛心的是工程機械在使用過程中會排放大量有害于環境的污染物，從而加劇了環境污染形勢。現階段，人們愈發重視自然環境的保護，這也使人們對工程機械使用的節能性提出了更高的要求，以此更好促進我國現代化社會的可持續發展。無論是國內，還是國外，都日益關注和重視工程機械在使用過程中的尾氣排放及其噪聲污染問題，為了解決這些問題也出臺了許多具有約束力的規章制度，因此，這也將促使我國在工程機械領域發展中變得更加節能、環保。本文便對基于混合動力液壓挖掘機系統的優化設計工作開展深入的研究。

1? 我國對混合動力液壓挖掘機系統的研究情況

就目前來看，我國在研究工程機械的節能性及環保性等方面，正致力于使相關元器件具備更高的性能，并對液壓系統的構造進行優化與改進，使動力和負載阻抗得以合理匹配，進而起到節約能量輸出的作用。不過，國外也對上述內容開展了許多具有成效性的研究，但無論是國內還是國外，其研究效果都比較差強人意。除此之外，科學技術的飛速發展，再加上節能環保理念正逐漸成為社會發展中的主流思想，使得更多先進的驅動技術得以產生，例如，汽車數量的增多使得油價逐年上漲，而為了減少汽車的尾氣污染，同時降低汽車能耗，這也使人們開始致力于研究混合動力技術，該技術得以被成功應用于汽車領域，從而為汽車制造商創造了極大的經濟效益，并且也為整個社會發展的節能減排做出了巨大貢獻，更重要的是其他領域也能由此獲得啟發，并努力向著節能減排的方向進行發展，在工程機械領域中也同樣如此，混合動力技術得以被進一步應用于該領域中。在工程機械領域中，由于液壓挖掘機在使用過程中的油耗較高，而且尾氣排放量大，因此必須要采取相應的節能措施來降低其能耗，減少尾氣排放量，而混合動力技術則無疑是一種絕佳的解決途徑。

通過應用混合動力技術，能夠使液壓挖掘機系統在運行過程中散發的熱量大大減少，而且可降低整機裝機功率，更為重要的是挖掘機動力系統將取得更高的運行效率，這對于改善其尾氣排放有著非常明顯的效果。現階段，越來越多的挖掘機研究機構及相關企業都紛紛投入大力氣來研究混合動力技術在液壓挖掘機中的具體應用，并且已經取得了許多較為喜人的研究成果，這不僅使液壓挖掘機的能耗以及污染物排放得到有效降低，而且產品在市場中也將具備更強的競爭力，在市場發展中必將占得一席之地。不過，考慮到混合動力技術在應用過程中需要攻克許多技術難關，而且技術應用也比較復雜，因此我國對混合動力技術的研究還尚處于起步階段。

2? 液壓挖掘機的運行流程分析

對于液壓挖掘機來說，其是以發動機為驅動，以使液壓泵在發動機的作用下進行工作，而液壓泵則會對多路閥組和控制回路進行驅動，這樣液壓挖掘機的某項功能便可順利實現，例如挖掘機的行走、回轉、鏟半、動臂以及斗桿等等，從本質上來說，液壓挖掘機屬于一種集機電液于一體化的系統，該系統的構造是比較復雜的，而且液壓挖掘機在運行過程中有著明顯的周期性特點，例如其在工作過程中需要完成一系列的動作，比如挖掘、動臂抬高、斗滿回轉、傾倒斗料、降低動臂高度、空半回轉便是一組挖掘動作，在上述動作執行一次后便形成了一個周期，通過周期與周期間的不斷重復，以此確保液壓挖掘機最終完成施工任務。

3? 基于混合動力液壓挖掘機的適用性分析

基于混合動力的液壓挖掘機在應用過程中還有部分技術難關需要攻克，這些技術難題可以借助于以下衡量指標來體現：首先是混合動力技術在應用以后所產生的節能效果，除此之外，該技術在應用過程中液壓挖掘機運行前后的動力性變化情況以及成本經濟性的高低。通過分析液壓挖掘機在運行時所產生的一系列動作，能夠了解到一般的液壓挖掘機之所以會出現燃油效率偏低的問題，其原因主要在于負載出現劇烈晃動，再加上動力無法有效匹配負載，致使液壓挖掘機中的發動機在工作時的狀態非常不穩定，尤其是其不穩定區域為高油耗區域，這便會對其燃油效率造成極大的影響。通過對混合動力技術進行應用，能夠使燃油效率偏低的問題得到有效地解決，在基于混合動力的液壓挖掘機中，通常需要對柴油發動機、蓄電池以及電動機進行配置，而這三個零部件都能夠為挖掘機提供截然不同的動力源，通過對這三種動力源進行相應的組合與協調，即可驅動液壓挖掘機，這樣液壓挖掘機的動力及負載便可進行合理的阻抗匹配，從而使液壓挖掘機在運行過程中取得更高的工作效率。

4? 基于混合動力的液壓挖掘機運行原理

在將混合動力技術應用到液壓挖掘機以后，按照電路連接方式，可將其系統構造劃分成兩類，一種是串聯型系統，而另一種則是并聯型系統，以下便分別探討這兩類系統。

在串聯型的以混合動力技術為核心的液壓挖掘機中，其運行原理可做出以下分析：該類型的液壓挖掘機將以柴油發動機作為主要的動力來源，當柴油發動機啟動后，會使離合器連接到發電機上，以確保發動機所產生的機械能向著電動進行轉化，這些電能會被用于為發電機控制裝置提供電能，以確保發電機控制裝置能夠驅動電動機控制裝置，這樣電動機控制裝置便會通過驅動電動機與傳感器來實現對液壓系統的控制，由于電動機的調速性能較好，所以能夠利用電動機來對部分定量泵進行驅動，以此確保液壓系統的運轉速度得到高效的調控。在并聯型的以混合動力技術為核心的液壓挖掘機中，其運行原理則可作出以下分析：該類型的液壓挖掘機仍舊是以柴油發動機作為主要的動力來源，當發動機被啟動以后，會使發電機或電動機能夠連接于離合器，由此便可使發電機或電動機所產生的機械能向著電能進行轉化，從而使電動機控制裝置有足夠的電能進行操控，這樣電動機在離合器及傳感器的直接帶動下，便可對液壓系統進行控制。總而言之，在以混合動力技術為核心的液壓挖掘機中，串聯型的挖掘機系統與并聯型的挖掘機系統在構造上的最大不同，便是液壓系統與柴油發動機以及電動機有著截然不同的連接方式。

5? 基于混合動力技術的液壓挖掘機的各項性能變化分析

5.1 串聯式與并聯式液壓挖掘機系統的綜合性能? 在上文中提到的兩種類型的混合動力液壓挖掘機中，無論是串聯型，還是關聯型，其均有對應的應用優勢，但也各自都有一些不足之處，以下便簡要分析這兩種類型的混合動力液壓挖掘機的綜合性能。在對比串、并聯兩種液壓挖掘機系統的綜合性能時，需要建立一個標準來進行參考，所以要想確保數據對比結果的可靠性，需要對一般的液壓挖掘機系統構造做出相應的改造，在此過程中需要采用混合動力技術，以便于按照串聯型和并聯型的構造來改造與優化普通的液壓挖掘機，其他結構一致，在技術參數方面，則主要有發電機電流、電池電壓、電動機/發動機扭矩、工作電流、電動機電壓、系統目標速度等等。事實上，在混合動力液壓挖掘機中，其技術指標可能有許多影響因素，動力總成控制則是最為關鍵的影響因素，在本文中不做出贅述。電池組能夠為串聯型與并聯型兩種系統的部分控制器提供電能，當電池組無法供電時，便會造成混合動力挖掘機無法工作。所以在篩選電池組容量時，需要制定出兩點準則，其一是需要確保電池組容量能夠合理匹配電動機;其二是需要確保電池組具有較長的使用壽命。

5.2 節能性與經濟性對比? 在對基于混合動力的液壓挖掘機進行節能性及其經濟性對比時，需要應用到一項重要的衡量指標，即節能效果指標，通過采取仿真分析來對比節能效果，當普通型、串聯型、并聯型這三種類型的液壓挖掘機在相同時間進行工作時，三者的油耗分別為540g、362g與330g，相比于普通的液壓挖掘機系統，采用串聯型的液壓挖掘機系統可節省油耗178g，而采用并聯型的液壓挖掘機系統則可節省油耗210g，這說明在節能效果上，串、并聯兩種混合動力液壓挖掘機系統可分別提高36.1%與40.7%。當然，在將混合動力技術應用于普通的液壓挖掘機時，如果只是對其綜合性能、環保性以及節能效果進行考慮是遠遠不夠的，對于挖掘機制造商而言，對改造成本也是非常重視的，當改造成本超過節能效果時，那么整個改造過程也便失去了意義。

在基于混合動力技術的液壓挖掘機系統設計中，影響系統制造成本的最關鍵部分便是其核心零部件在加工過程中所花費的成本，考慮到串聯式的混合動力液壓挖掘機系統在設計過程中需要應用到更多的關鍵零部件，這勢必會大幅增加制造成本，因此在經濟性方面，并聯式的混合動力液壓挖掘機要更具優勢。對于混合動力挖掘機系統的日常維護來說，其維護成本的高低則主要取決于電池組是否更加經久耐用。

6? 結語

綜上所述，本文對基于混合動力技術的液壓挖掘機系統設計方案開展了比較深入的研究，以此幫助機械工程人員能夠了解混合動力技術在液壓挖掘機中的適用情況，同時，將混合動力技術引入到液壓挖掘機系統設計中，還能有效解決普通液壓挖掘機存在的燃油效率偏低的問題，實現負載與動力的合理匹配，降低功率損失，雖然混合動力挖掘機需要花費更多的制造成本，不過卻能取得非常明顯的節能效果。

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