混合動(dòng)力挖掘機(jī)節(jié)能系統(tǒng)研究

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摘要：文章對(duì)傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的系統(tǒng)能耗進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合目前先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，提出了一種油電、油液混合動(dòng)力系統(tǒng)，這種動(dòng)力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)能量的回收。對(duì)23t傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的參數(shù)配置進(jìn)行分析后，建立了關(guān)于傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)以及油電、油液混合動(dòng)力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)三種動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行了分析對(duì)比。

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

引言

傳統(tǒng)挖掘機(jī)節(jié)能效果的實(shí)現(xiàn)只能依賴于動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)，并對(duì)挖掘機(jī)運(yùn)行過程中浪費(fèi)的能量進(jìn)行有效的回收，而混合動(dòng)力挖掘機(jī)就能實(shí)現(xiàn)回收能量的目的。日立建機(jī)在2003年的時(shí)候研發(fā)出了世界上首臺(tái)混合動(dòng)力輪式裝載機(jī)，這種混合動(dòng)力在工程機(jī)械車輛的運(yùn)用是一種劃時(shí)代的舉措。而后日本小松充分借鑒了這種成功經(jīng)驗(yàn)研發(fā)出了首臺(tái)混合動(dòng)力的挖掘機(jī)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能28%的目的[1]。

1油電混合和油液混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)比

1.1油電混合動(dòng)力

在混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，如果驅(qū)動(dòng)液壓泵的能量不超過發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的輸出能量，那么發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)帶動(dòng)液壓泵進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，而多余的能量會(huì)經(jīng)過ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)化后對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，而當(dāng)液壓泵運(yùn)行時(shí)需要的能量過大，發(fā)動(dòng)機(jī)不能滿足能量需求的時(shí)候，超級(jí)電容就會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)共同來為液壓泵的運(yùn)行提供能量。挖掘機(jī)的整個(gè)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由原來的回轉(zhuǎn)馬達(dá)改造成了ISG電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)操作的時(shí)候，ISG就能將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成超級(jí)電容的充電電能。挖掘機(jī)的動(dòng)力臂從高位下降產(chǎn)生的勢(shì)能將通過液壓馬達(dá)以及電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行回收，然后將轉(zhuǎn)化后的能量在超級(jí)電容中進(jìn)行儲(chǔ)存。改造后該混合動(dòng)力系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際需要的負(fù)載功率較大時(shí)，ISG電機(jī)就能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)形成輔助，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出壓力，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗就會(huì)始終處在合理的位置。而在系統(tǒng)負(fù)荷功率要求低的時(shí)候，通過ISG電機(jī)會(huì)將多余能量進(jìn)行回收，并對(duì)超級(jí)電容形成充電效果，這樣電機(jī)的運(yùn)行也實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)運(yùn)行效果[2]。

1.2油液混合動(dòng)力

挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在制動(dòng)的時(shí)候，液壓馬達(dá)會(huì)出現(xiàn)溢流發(fā)熱現(xiàn)象，導(dǎo)致能量損失，因此，可以合理的使用蓄能器將溢流能量進(jìn)行回收儲(chǔ)存。這樣在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行需要的功率較大的時(shí)候，就可以通過蓄能器的回收能量來進(jìn)行補(bǔ)充，而動(dòng)力臂從高位下降的過程中也會(huì)產(chǎn)生一定的勢(shì)能，從而引起動(dòng)臂液壓缸回油口的油液上升，這時(shí)候就可以將帶壓的部分油液通過蓄能器進(jìn)行回收，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行需要的油液量大時(shí)再將回收的油液補(bǔ)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(jī)中非常重要的結(jié)構(gòu)部分，在挖掘機(jī)運(yùn)行的過程中，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)是運(yùn)行時(shí)間最長的機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是能耗最大的，其能耗占到挖掘機(jī)總能耗的25%-40%，因此，挖掘機(jī)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(dòng)力源主要是柱塞泵，動(dòng)力源提供的壓力油經(jīng)過伺服閥傳遞到回轉(zhuǎn)馬達(dá)，這樣就會(huì)在回轉(zhuǎn)馬達(dá)的進(jìn)出油口形成壓力差，在壓力差的作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。而轉(zhuǎn)動(dòng)的控制則主要是有伺服閥來實(shí)現(xiàn)。

2.2油電混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

該回轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要是由超級(jí)電容來提供能量，通過電機(jī)和變速箱來帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制是由操控臺(tái)的控制器來進(jìn)行控制，操控臺(tái)在給出轉(zhuǎn)動(dòng)指令后，由解碼器進(jìn)行解碼并將指令下達(dá)給電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)扭矩的輸出。

2.3油液混合動(dòng)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(dá)是執(zhí)行元件，液壓馬達(dá)在油壓的驅(qū)動(dòng)下通過變速箱將能量傳遞給轉(zhuǎn)臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺(tái)以及其余工作裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在剎車的過程中多余能量由蓄能器進(jìn)行回收，該回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)與油電混合動(dòng)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(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此在仿真過程中選擇的液壓馬達(dá)為KMF90AB-3型，該液壓馬達(dá)的排量為88.6mL/r，額定轉(zhuǎn)速達(dá)到了2350r/min，通過對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的精確計(jì)算最終將蓄能器的容量確定為10L。而為保證油電混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能滿足實(shí)際的回轉(zhuǎn)功率需求，將電動(dòng)機(jī)的型號(hào)選定為Y180M-2型，該電機(jī)的額定功率為30kW，額定轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到1870r/min。本次仿真使用了AMEsim軟件，整個(gè)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(tái)回轉(zhuǎn)到初始位置。通過對(duì)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(dāng)信號(hào)輸入相同的條件下，兩種混合動(dòng)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(yīng)并完成回轉(zhuǎn)，而傳統(tǒng)液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的相應(yīng)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(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比較相應(yīng)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(yīng)仿真中，兩種混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的響應(yīng)更加快速，由于油液混合動(dòng)力的蓄能器在釋放油液的時(shí)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(dǎo)致兩者的運(yùn)行平穩(wěn)性與油電混合動(dòng)力系統(tǒng)存在一定的差距。通過對(duì)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。由能耗曲線可知，在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的一個(gè)工作行程內(nèi)，油電混合動(dòng)力的能耗最少，僅僅為65kJ，而油液混合動(dòng)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(dòng)力能夠?qū)崿F(xiàn)技能42%，而油液混合動(dòng)力的節(jié)能效果稍差為28%。

4結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)：

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

[2]姚明星.復(fù)合動(dòng)作工況下液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)節(jié)能技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2017.

作者：戴立明 王正 單位：江陰市華西和林礦業(yè)有限公司 江陰華西鋼鐵有限公司