混合动力液压挖掘机的特点及应用分析.pdf

2 0 1 1 年 1 0月 第 3 9卷 第 2 0期 机床与液压 MAC HI NE TO0L HYDRAULI CS 0e t ． 2 0 1 l Vo 1 ． 3 9 No ． 2 0 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 0 ． 0 2 6 混合动力液压挖掘机的特点及应用分析 张远深 ，刘斌斌 ，王书武，沈欢，张春 兰州理工大学能源与动力工程 学院，甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 摘要分析了混合动力液压挖掘机不同的结构形式、工作原理、技术特点及应用领域；提出了混合动力液压挖掘机存 在的研究难点；并展望其应用前景。 关键词混合动力；液压挖掘机；发动机；发电机／ 电动机；储能装置 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 B 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 0 0 7 1 2 Ch a r a c t e r i s t i c a n d Ap pl i c a t i o n An a l y s i s o f Hy d r au l i c Hy br i d Ex c a v a t o r ZHANG Yu a ns he n。 L I U Bi n b i n， W ANG S h uwu． S HEN Hu a n。ZHANG Ch u n C o l l e g e o f E n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ，L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0，Ch i n a Ab s t r a c t T h e d i f f e r e n t s t r u c t u r e s ，o p e r a t i n g p r i n c i p l e s ，t e c h n i c a l c h a r a c t e ri s t i c s a n d a p p l i c a t i o n d o ma i n s o f h y b rid h y d r a u l i c e x c a v a t o r s we r e a n a l y z e d ．T h e d i f fi c u l t i e s i n t h e d e v e l o p me n t o f h y b rid h y d r a u l i c e x c a v a t o r we r e p u t f o r wa r d ．Th e p r o s p e c t i n t h e f u t u r e w a s d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s Hy b ri d p o w e r ； Hy d r a u l i c e x c a v a t o r ； E n g i n e ； Ge n e r a t o r ／ E l e c t r o mo t o r ；Ac c u mu l a t o r 随着能源短缺和环境污染问题 日趋严重，人们的 环保意识 日益增强，国内外对工程机械的能源消耗及 尾气排放等限制愈加严格，开发研制环保节能型产品 现已成为工程机械发展的趋势。鉴于混合动力技术在 汽车上的成功应用，近年来国内外著名工程机械生产 厂家将研究开发转向了混合动力系统，混合动力系统 已成为工程机械节能降耗、降低排放的的重要研究方 向之 一 卜 。 1 混合动力液压挖掘机的技术特点 混合动力液压挖掘机同时装备 内燃机驱动系统、 辅助动力单元和储能装置，将动力系统与储存元件以 不同方式结合 ，实现性能的良好匹配和控制策略、控 制算法优化 ，在内燃机驱动的同时进行能量的回收和 二次利用 。 混合动力液压挖掘机主要采用油电混合的动力驱 动系统，小负载工况下由柴油机驱动发电机向储能元 件蓄能 ，在大负载工况下将储存 的能量 释放 出来驱动 电机。作为辅助动力单元与柴油机一起满足峰值负载 功率的要求 ，或者用电机直接驱动液压系统 ，达到柴 油机输出功率和扭矩的均衡控制。通过用功率较小的 柴油机来驱动大吨位挖掘机，柴油机始终处于高效运 行状态，实现了混合动力液压挖掘机高动力、高效 率、高回报、高功能，低噪声、低震动、低油耗、低 排 放的特点 。 2 混合动力液压挖掘机的结构形式及应用 根据驱动系统连接方式，混合动力液压挖掘机可 以分为串联式、并联式、混联式。 串联式混合动力系统 图 1 由发动机直接带 动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到储能装 置并以直流电的形式储存 ，再由储能装置传输给电动 机转化为动能驱动液压泵，最后通过多路换向阀驱动 执行机构。串联式系统的优点是储能装置平衡发动机 输出功率和电动机输入功率，保证挖掘机正常工作 ； 发动机和 电动机之 间相对 独立工作 ，易 于实现结构灵 活布局 。缺 点是 发 动机 输 出 的能 量 经过 机械 能一 电 能一机械能 的转换之后做功 ，能量损失大 ，电机装机 功率较大 。 图 1 串联混合动力系统原理图 串联 式 的典 型 应 用 是 神 户 制 钢 液 压 挖 掘 机 图 2 。能量回收系统中动臂下降时，泵 一马达工作 在马达状态，将回油的液压能转化为机械能用来参与 泵的驱动。若回收的功率超出了泵的需求，则多余的 机械能通过 电动 发 电机 发 电机模式 转化 为电 能存储在电容中。该回收方法的优点是采用泵 一马达 缩短了能量回收流程，对系统元件的要求较高，增加 收稿 日期 2 0 1 01 01 8 作者简介张远深 1 9 6 2 一 ，男，副教授，硕士生导师，主要从事气压传动与控制方面的研究工作。通信作者刘斌斌， E mai l l i ub i n b i n 200 8 31 2 4 1 63 ．c o m 。 7 2 机床与液压 第 3 9卷 了控制 的复杂度。 斗 杆油缸 E 二 H 铲 斗 油 缸 - 1 三 鎏 亟 三 ] 单 元 丽 再 E 图2 神户制钢液压挖掘机原理图 并联式混合 动力 系统 图 3 有 内燃机 驱动 系 统和 电机驱动 系统 。两 系统 既可同时协调工作 ，也可 各 自单独工作。适用于多种不同的工况，尤其适用于 复杂的路况 。该联结方式结 构简单 ，成本低 。 l垫 塑 } 户 ． 竺 ． 竺日 竺 兰 兰 发动机 电动机 图 3 并联式混合动力系统原理图 并联式 的典 型应 用是住友建机挖掘机 ，其原理 图如 图 4所示 。 发 动 动 力 分 配 机 构 液 压 泵 ’ 豳 阀 左 行 走 马达 右行 走 马达 动臂 油缸 铲斗 油缸 斗 杆 油 缸 图 4 住友建机挖掘 机原 理图 发 动机与发 电／ 电动机 并联 驱 动液压 泵 ，发 动 机 输出的能量主要用于驱动外载 ，多余机械能通过电动 ／ 发 电机转化 为 电能 ，并通过整流／ 逆变器储存在 电容 中。当液压泵所需 转矩小于发动机转矩 时，与发动机 相连的发电／ 电动机处于发电状态 ，多余的转矩转化 为 电能存储 在电容 中；当液压泵所需 的转矩 大于发 动 机 的转矩 时 ，与发 动机 相连 的发 电／ 电动 机处 于电动 状态 ，电容放 电 ，补充不 足的转矩。降低 了动机装机 功率 ，稳定 了发 动机的工作点 。与串联式相 比，发 电 机 、发动 机的装 机功率 小 ，电容容 量低 ，功率更 大 ， 油耗更低 ，但 布局和控制系统 比较复杂 。 混 联 式 混合 动 力 系统 图 5 的特 点 在 于 内燃机 系统 和 电 机驱 动 系统 各 有 一套 机 械 变速 机 构 ，两套 机 构 或 通 过 齿 轮 系 ， 或 采用 行 星 轮式 结 构 结 合 在 一起 ，从 而 综 图 5 混联式混合动 力系统原理图 合 调节 内燃 机 与 电动 机之 间 的转 速关 系 ，兼 有 串联 式 、并联式混合动力系统的优点。与并联式混合动力 系统相 比，混联式动力系统可 以更加灵活地根据工 况 来 调节 内燃机 的功率输 出和电机 的运 转。此联结方式 系统复杂 ，成本高 。 3 混合动力液压挖掘机发展 中的重点与难点 挖掘机主要在野外作业 ，工况周期短且 复杂 、负 载大且过载频繁、动态响应要求高 ，控制算法、控制 策略和操控性复杂。因此，参数优化匹配、控制策 略、能量回收技术以及可靠性和操控性 研究是未来 挖掘机混合动力技术发 展与应 用的重点和难点 。 1 混合动力挖掘机系统专用元件性能和动力 参数优化 匹配 。发动机构造及 点火方 式 ，辅 助电机启 动／ 停止性能 ，储存 装置 的 比能量 、 比功率 、快速 放 电性、循环次数等技术的不成熟束缚混合动力技术发 展；动力参数的匹配以及最佳混合度的确定对能量利 用起着关键作 用。 2 混合动力挖掘机系统的控制策略和控制算 法。混合动力系统 中增加 了电动／ 发电机、电池 、电 容等组成的辅助动力单元，能量传递和转换变得复 杂 ，能量损耗增加 ，能量管理 对柴油机的燃油经济性 及整个混合 动力 系统的动力特性有着重要 的影 响。控 制算法将 影响到转矩和转速 的控制性能 。 3 混合动力液压挖掘机能量回收系统。回收 的能量包 括转 台制 动动 能 ，动臂 、斗杆下 降 的势能 ， 且回收和驱动为不同的系统，所以研究与 自身工况相 适应 的能量 回收系统意义重大 。 4 混合 动 力液 压挖 掘机 可 靠性 。储 能 装 置工 作电流大、峰值功率高，需要对储能系统进行全面的 综合设计，并进行可靠性试验研究。 5 混合动力挖掘机的操控性。挖掘机性能的 一 个重要 评价指标就是要有 良好 的操控性 。混合动力 系统 中发 动机和辅助动力单元的连接方式使控 制变得 发 杂 ，影 响结构 布局和操控性 。 6 混合动力液压挖掘机 的推广。对行业发展 进行政策保护；对用户进行财政补贴对主机制造企 下转 第 7 5页 第 2 0期 王岩 等 举升缸缓冲装置设计与仿真分析 7 5 会变大 ，而且产生峰值压力 的时间会提前到来，不 利 于缓 冲。但是锥 角太 小 ，和圆柱形 的缓 冲结构就没 有太大差别 ，在缓冲部分刚进入缓冲腔时会带来较大 冲击。所以综合考虑以上因素，选定锥角为JB 5 。 。 目 ．目 索 将 3 2 ． 5 2 蓦 ．s 囊 蝌 l 出 o ． s 0 图6 举升缸速度变化图 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 O 8 0 时 间／ 1 0ms 图7 举升缸两个缓冲腔压力变化图 3结论 通过在 Ma t l a b ／ S i m u l i n k中建立模型仿真的结果 可以看出 运用能量法对 液压 举升缸 进行 缓 冲设计 ， 其结果符合实际情况。而且能量法较其他方法 ，运算 量会大幅度减小 ，提高了运算效率。 通过对仿真结果 的分析 可知 ，举升缸缓 冲结构 的 锥 角 13对缓 冲效 果影响 比较大。 仿真结果表明由能量法计算出来的缓冲装置的 几何尺寸 z 2 5 m m，艿0 ． 2 1T i m，J B 5 。 缓 冲效果 良 好 ，可 以有效地 避免由于货箱惯性太大而给举升缸带 来 的损伤 。从工艺性角 度来说 ，圆锥形 缓冲结 构较 抛 物线缓 冲结构更 有利于加工。 参考文献 【 1 】吴国栋． 液压油缸缓冲装置设计与研究[ J ] ． 建筑机械 化 ， 2 0 0 0 2 2 2 2 4 ． 【 3 】 黄红． 气动缓冲和液压缓冲器的原理和特性研究[ D ] ． 杭州 浙江大学， 2 0 0 3 ． 【 3 】汪云峰， 谭宗柒． 基于 A M E S i m／ M a t l a b 的液压缓冲器仿 真与优化[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 3 1 6 71 6 8 ． 【 4 】贾培起． 液压缸[ M] ． 北京 北京科学技术出版社， 1 9 8 7 ． 【 5 】丁凡． 高速液压缸缓冲过程的研究[ J ] ． 钢铁， 1 9 9 8 8 5 4 5 7． 【 6 】邵群． 高速液压缸缓冲装置及其动态特性的研究[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 o o 4 1 1 6 3 6 5 ． 上接 第7 2页 业减税 ；提供更加人性化的售后服务。 4小结 混合动力技术能使挖掘机达到最好的节能减排效 果 ，顺应节能减排潮流。随着 电控技术的完善与发 展，能逐渐实现电控取代部分或大部分液控 ，可能取 代传动效率低的液力变矩器。混合动力挖掘机的进一 步发展，将促进微电子技术、信息技术、智能化控制 技术的发展，带动装载机、叉车等工程机械在节能方 面取得重大突破。混合动力挖掘机符合 “ 低碳路径、 绿色转型、科学发展”的能源主题，可以满足 2 1 世 纪初减少石油消耗和降低排放的目标要求 ，有着广阔 的发展前景 。 ． 参考文献 【 1 】WA N G P e n g y u ， WA N G Q i n g n i a n ， Z H A N G Q i m i n g ． e t a 1 ． T h e An a l y s i s o f E n e r g y S a v i n g Me c h a n i s m o f Hy b ri d E x c a -- v a t o r [ J ] ． A p p l i e d Me c h a n i c s a n d M a t e ri a l s ， 2 0 1 0 ． 2 9 ／ 3 0 ／ 3 1 ／ 3 2 1 6 5 71 6 6 2 ． 【 2 】Ma s a mi O c h i a i ， S h o h e i H y b ri d i n C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e 7 t h J F P S I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n Fl ui d P o we r ， Se pt e mbe r 1 51 8， 2 0 08 4142． 【 3 】 张金柱． 混合动力汽车结构、 原理与维修 [ M] ． 北京 化 学工业 出版社 ， 2 0 0 8 1 2 ． 【 4 】裴磊． 混合动力挖掘机势能回收系统的研究 [ D] ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 0 8 ． 8 67 ． 【 5 】 刘昌盛， 张大庆， 蒋苹 ， 等。 工程机械混合动力技术的发展 与应用[ J ] ． 建筑机械 上半月 ， 2 0 0 9 5 5 9 6 2 ， 6 6 ． 【 6 】 吴学松． 混合动力工程机械潮起[ J ] ． 建筑机械化， 2 0 0 9 ， 3 O 4 2 52 8 ．