混合動(dòng)力挖掘機(jī)節(jié)能系統(tǒng)

戴立明 王正

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)

中圖分類號(hào)：TU621 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）34-0112-02

Abstract： In this paper， the energy consumption of traditional hydraulic excavator is analyzed. On the basis of this， as well as the advanced energy saving technology， a hybrid power system of electricity and oil is put forward. This kind of power system can realize the recovery of energy. After analyzing the parameter configuration of 23t traditional hydraulic excavator， the mathematical models of the rotary mechanism of conventional hydraulic excavator and electricity and oil hybrid excavator are established， and the energy-saving effects of the three power systems are analyzed and compared.

Keywords： hydraulic excavator； energy recovery； energy saving system； rotary mechanism

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(zhǎng)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，如下圖1所示。

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.