履帶推土機混合動力技術探究

金盼墅

摘要：在我國工業發展過程中，越來越重視環保和節能，履帶式推土機也開始廣泛應用混合動力技術。本文通過介紹串聯式和并聯式履帶式推土機混合動力設計方案，探究履帶式推土機混合動力技術，以期通過技術分析促進履帶推土機更科學、有效的應用混合動力技術，實現節能減排目標。

關鍵詞：履帶式推土機;混合動力技術;串聯;并聯

一、履帶推土機串聯式混合動力方案

第一種串聯式履帶推土機混合動力技術方案可見圖1，整體結構比較簡單，交流發電機在發動機的帶動之下完成發電，在整流器功能作用發揮下促進交流轉化為直流，而后在逆變器利用下向交流電方向逆變，然后實現不同交流電機的輸入，從而驅動履帶實現行走功能，整體為雙側電機獨立驅動形式。在推土機轉向操作過程中，為實現差速轉向，可對兩種驅動電機轉速進行合理調節，此方式也能實現自動轉向[1]。該結構中儲能裝置可對多出的發電機能量進行吸收，還可對制動能進行回收。推土機運行期間提出較大的功能需求時，可適時釋放電能為供能系統提供輔助幫助，結構比較簡單，不過對直行以及轉向提出比較高的協調控制要求，并且外側電機展開轉向操作期間可能會出現較高轉速。

第二種方案是以第一種方案為基礎增設了轉向電機，對于直驅電機有所減少。其中一個電機主要作用是驅動直行，還有一個電機主要作用是驅動轉向，由此簡化整體轉向控制操作。不過轉向系統的結構布局更加復雜，結構布置不具有較高靈活性，在直驅電機功能作用發揮下，為整機行走提供驅動力，裝機涉及到較大功率，并且結構尺寸也更大。

第三種方案是在雙側電機獨立驅動形式基礎上進行適當變形，并增設了轉向系統，新增的系統布局和第二種方案基本類似，直行牽引電機以獨立運行方式驅動，這使得裝機功率有所下降，不過結構元件設置數量會明顯增加，從而使結構布局具有更高復雜性。

上述三種方案均可對能量實現回收再利用，并且有著一致的動力源組。

二、履帶推土機并聯式混合動力方案

第一種并聯式混合動力設計方案當中，設計思路是先合理分配發動機動力，其中部分動力作用在直接驅動轉向系統當中，以促進轉向功能發揮，其余部分主要通過電流變換裝置、發電機以及直驅電機產生驅動力支持整機行走，而儲能裝置的功能主要是對多出的發動機能量加以吸收，并對制動能進行回收，在設備提出較大的功能需求情況下適時釋放電能，為供能系統提供輔助幫助，儲能裝置結構相對較為簡單。在此并聯式方案當中，借助發動機直接性質的動力轉向，促使機械能和電能在相互轉換期間避免過度損失能量，在直行以及轉向控制方面操作難度不大，不過對動力分配要求較高，設計難度相對較大，并且整體結構不具備良好的靈活性[2]。

第二種方案可看作并聯式方案直驅情況下雙側獨立驅動類型的結構形式，直線行駛由兩種電機同步驅動，由此降低裝機功率，不過會明顯增加電機數量，還會使控制元件數量也上升，所以系統具有較高復雜性。

三、履帶推土機混合動力技術分析

相比于以往的液力機械傳動，混合動力系統涉及到的主要技術有驅動行駛、電傳動系統、動力源、控制策略能源管理等。本文研究中以第一種串聯式方案雙側電機獨立驅動混合動力系統為例，對相關技術展開深入分析。

1.能量管理和控制技術

在第一種串聯式方案當中，雙側電機獨立驅動形式混合動力履帶推土機的控制結構以及能量流動關系可見圖2。

由此可見，當推土機提出差異化負載功率需求情況下，可合理選擇控制策略，促使超級電容、發動機-發電機組相關差異化能量分配比例恰當，保持彼此協同作業，并共同為雙側驅動電機以及其余的輔助裝置供給能量，從而達到推土機所提出的功率需求。對于驅動系統控制，可選擇轉速調節，也可選擇轉距調節，駕駛人員操作輸入信號以及反饋信號會傳輸至整機控制單元當中，該單元在接收到相應信號后將向雙側驅動電機控制器、發動機-發電機控制器還有其他類型的輔助控制器傳輸控制信號指令。相應的，雙側驅動電機控制器、發動機-發電機控制器還有其他類型的輔助控制器會面相各自實際控制對象實現動態、實時控制，由此充分發揮整機控制以及能量流動功能。

2.儲能裝置

在履帶推土機的混合動力電氣系統內部，所涉及的儲能裝置主要是電容以及蓄電池，這兩種裝置應用也最廣泛。不同的儲能裝置有著不同的性能特點，其中蓄電池的功率密度較小，循環壽命較短，能量密度大，充放電效率較低，雖然成本也低，但是可靠性一般;普通電容功率密度較大，循環壽命較長，能量密度小，充放電效率比較高，雖然整體成本較高，但是可靠性也較高;超級電容的功率密度比較大，循環壽命最長，能量密度比較大，充放電效率高，成本高同時可靠性也高。相比之下，在推土機混合動力系統當中最適合應用超級電容。

3.電傳動和驅動電機

目前電傳動系統主要分為四種電傳動類型，分別是直-直、交-交、交-直以及交-直-交。其中，直-直類型的電動傳動系統主要經直流發電機實現直流電的輸出，并向直流電動機方向輸入，整體系統結構比較簡單，且調速性能優良，不過直流電動機具有比較大的結構體積，整體質量較大，并且成本也較高;和直-直系統相比，交-直系統當中的交流發電機明顯提升了轉速，未涉及到轉向器，整體結構比較簡單，并且結構體積較小，綜合質量較輕，便于操作和維修，整體運行具有較高可靠性，不過依舊屬于直流驅動電機;對于交-直-交系統來說，能夠有效控制電機頻率，可更加方便的調整轉速，并且交流電動機未涉及到轉向器，整體結構比較簡單，并且結構尺寸比較小，可使所設計出的電機具有較高轉速和較大功率;對于交-交系統來說，直接將直流環節撤除，對變頻技術提出較高要求，整體控制系統具有較高復雜度，當前應用不多。

對于推土機來說，驅動電機主要需求是體積小、功率大以及低速大轉距，隨著現代化電力電子器件不斷發展，并和各種電傳動系統的特點相結合，考慮在混合動力電傳動系統設計當中最適宜使用的電傳動系統是交-直-交類型，而交流驅動電機主要選擇永磁同步電機。

4.發動機-發電機組

在履帶推土機的混合動力系統當中，發動機-發電機組是主要的能量來源，也是重要的能量供給裝置。為保證所設計的發動機-發電機整體結構更加緊湊，方便布局，同時可和推土機運行期間負載變化幅度大情況相適應，要求所應用發動機-發電機組的可靠性要高，性能也要高，并且功能密度高，整體結構緊促，還要求具有較高經濟性，這就提出較高技術要求，就目前情況來說難以實現。相比之下，柴油發動機經過多年研發與實踐有較高成熟度，而要求緊湊性高以及功率密度高的發電機主要可選擇永磁同步電機。由于推土機是一種牽引型車輛，并未對作業質量提出非常高的要求，只需要確保負荷和速度兩者有良好的適應力，并能夠使發動機功率得到最大程度的利用，適度減少油耗比即可。因為儲能裝置可對路面生態功率所發生的變化情況進行動態實時、跟蹤，而柴油發動機能夠以單點恒功率形式運行，由此可保證發動機一直保持最佳工作狀態。

四、結束語

履帶推土機應用混合動力技術，有助于實現節能降耗目標，并可簡化結構，減少運動部件數量，促使發動機始終保持高效工作狀態。上文所提出的幾種混合動力傳統設計方案中，雙側電機獨立驅動混合動力方案是結構最簡單的，可著重應用此方案?；谠摲桨福紤]履帶推土機在應用混合動力技術期間，著重探究動力源、能量控制和管理、電傳動系統以及驅動行駛技術等。

參考文獻

[1]杜博鋒. D320E大功率電傳動推土機動力特性匹配研究[D].河南科技大學，2019.

[2]殷帥. 混合動力推土機動力學控制策略仿真研究[D].長安大學，2017.

[3]秦兆博，羅禹貢，解來卿，陳文強，李克強.基于行星傳動的雙?；旌蟿恿β膸к囕v傳動系統結構設計[J].清華大學學報（自然科學版），2018，58（01）：27-34.