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混合动力液压挖掘机多泵驱动系统 中国石油大学华东张彦廷 山东胜利职业学院雷西娟 浙江大学流体传动与控制国家重点实验室 王庆丰 肖清 摘要由于液压挖掘机用量大、油耗高、排放差，其节能和排放问题已受到业界的广泛关注。为了降 低液压挖掘机的燃油消耗，提高尾气排放质量，在现有 的常规液压挖掘机系统的基础上引入了混合动力 技术和多泵多回路驱动等节能措施，设计了多种节能方案；针对各种方案利用MA T L A B系统建立了相应 的整机仿真模型，在 一 个标准挖掘周期内对燃油发动机的油耗和装机功率等关键参数进行了仿真计算。 研究结果表明，采用混合动力驱动可 以保证燃油发动机工作在高效区内，使燃油燃烧充分，提高了其燃油 利用率，降低了排放；但单纯地采用混合动力驱动，由于能量转化环节多、损耗大，致使节能效果不明显； 多泵多回路系统可以有效地降低液压系统的压力补偿损失，提高液压系统的工作效率；两种节能方案相 互结合，可以获得较好的节能效果和排放质量。进 一 步研究表明，采用并联式混合动力技术和电动机驱动 回转的三泵驱动方案可以获得较好的节能效果。 关键词液压挖 掘机混合动 力技 术节 能多泵 驱动仿 真 近年来，随着世界范围内工业技术的发展，能 源短缺和环境污染问题日趋严重。液压挖掘机多采 用柴油机 一 液压系统 一 多执行器驱动方案，耗油 高、排放差，其节能和排放 问题已受到业界 的广泛 关注。 研究表明，由于负载变化比较频繁、波动比较 大，使得柴油机大多数时间工作在非高效区内，燃料 的利用率低下，排放质量较差 【 l 】 。因此，改善柴油机的 工作状况是提高整体系统效率和改善排放质量 的 一 个关键问题。 另外，用量最大的中小型液压挖掘机通常采用 双泵双回路驱动方案，每 一 台液压泵都要驱动多个 执行元件。由于各执行元件负载的差异和负载敏感 系统的作用，使得液压泵的输出压力始终要高于最 高负载压力，而对于低压负载则需要进行压力补偿， 并且由于执行元件负载的差异较大，这样就会产生 较大的压力补偿损失。 采用混合动力技术和多泵多回路系统是降低上 述两方面能量损耗的有效途径 2 _3_ 。 1 混合动力液压挖掘机 混合动力是指通过不同动力源的联合工作，使 其充分发挥各自的优越性以提高能量的利用率。在 液压挖掘机领域，混合动力是指燃油发动机和电动 机 的联合驱动，主要有串联式和并联式两种形式。其 系统原理如图1所示。 串联式混合动力系统中燃油发动机输出的机械 能全部用来驱动发电机发电，经变频器整流成直流 电储存在电池或电容当中。当系统需要动力驱动时， 储存在电池中的直流电能经变频器逆变成设定频率 的三相交流电，用来驱动电动机M以 一 定转速带动 液压泵工作。 并联式混合动力系统中液压泵是由燃油发动机 和发电／电动机联合驱动的当液压泵所需的驱动 功率较大时，电池或电容向发电／电动机供电，协助 燃油发动机共同驱动液压泵；当液压泵所需的驱动 功率较小时，燃油发动机独自驱动液压泵，其剩余的 输出功率驱动发电／电动机发电，电能储存在电容 一 53 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 发动 机 发 动 机 串联 式 混 合动 力 系统 并联 式 混 合 动 力系 统 图 1混合动力系统原理 图 机上采用 了多泵多回路方案 ，通过对 每个液压执行 元件采用单独液压泵供油，来降低系统压力补偿能 量损耗。系统原理如图 2 所示 。 或电池 当中。 在混合动力系统中，燃油发动机始终工作在高 效区内， 可以有效改善燃油经济性， 降低尾气排放。 为了考查混合动力系统的节能效果 ，以某 2 0 t 级液压挖掘机为蓝本，建立了液压挖掘机的整机仿 真模型 ，并在此基础上拓展了串联和并联式混合动 力系统，分别模拟一个标准挖掘工作周期的实际工 况进行了系统仿真研究。仿真结果对比见表 1 。 表 1 混合 动力系统仿真结果对 比表 串联混 并联混 项 目 原始系统 合动力 合动力 耗油量 ／ mL 1 0 3 ． 5 1 1 4 ． 5 9 7 ． 8 耗油率 ／ g／ k W． h 2 3 6～5 5 3 2 2 2 ． 2 2 1 7 ． 9 发动机峰值功率 ／ k w 1 0 7 8 0 6 9 发动机做功 ／ M J 1 ． 2 1 ． 6 1 - 3 8 表中耗油量是指在一个标准挖掘工作周期当中 消耗的燃油体积，耗油率是指燃油发动机做功 1 k W h 消耗的燃油质量。 计算数据表明， 单纯地将串 联式混合动力技术用于液压挖掘机可 以大幅度降低 燃油发动机的装机功率， 但没有节能效果； 而并联式 混合动力技术用于液压挖掘机可以大幅度降低燃油 发动机的装机功率，能耗较原始系统有所降低但节 能效果不很明显 。因此 ， 要想达到节能的 目的， 还应 在此基础上采取其它节能措施。 2 四泵四回路系统 为了能够减少压力补偿损失 ，在大型液压挖掘 一 5 4一 图 2 四泵四回骼 驱动液压挖掘机 系统 在液压挖掘机原四泵驱动仿真模型的基础上建 立 了并联式混合动力四泵四回路驱动液压挖掘机的 仿真模型，并在工作状态基本相同的前提下进行了 仿真计算。仿真结果如表 2 所示。 表 2 四泵 驱动混合 动力液压挖掘机的仿真结果 四泵四回路 项目 四泵系统 系统 耗油量 ／ mL 7 7 ． 5 7 3 ． 3 耗油率 ／ g ／ k W h 2 2 8 ～5 5 3 2 1 4 ． 0 发动机峰值功率 ／ k w 1 0 1 ． 5 5 9 发动机做功 ， MJ 0 ． 9 9 1 ． 1 2 由表2可以看出，采用四泵系统可以有效地降 低挖掘机的耗油量，但燃油发动机的峰值功率没有 得到有效改善；引入并联式混合动力系统可以使燃 油发动机的装机功率下降 4 4 ．9 ％，耗油率稳定在较 低的水平， 致使排放质量得到改善， 并且具有一定的 节能效果 。 3 三泵三回路系统 传统液压挖掘机转 台是 由液压 马达驱 动的 燃 油发动机发出的机械能经液压泵转化为液压能， 在 主控阀的控制下驱动液压马达旋转，经减速器减速 后驱动转台回转。系统动力经过机械能一液压能一 机械能 的传递 ， 造成 了较大的能量损耗 。 引人混合动 力技术为电动机驱动回转的三泵三回路系统提供了 其赖以实现的动力条件。其系统的工作原理如图3 _■嗣互 量 l ■■■■■●●●■■■■■●●■ 一 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 囊 露懈 章 一 一 | 工 粕 酵 。 l | 拗锄鹚矽 裙 图 3 三泵 三 回路 液 压 挖 掘 机 系统 所示 。 在该方案 中， 动臂 、 斗杆和铲斗液压缸分别 由单 独的液压泵驱动 ，转台的回转 由变频 电动机 M， 驱 动， 其电能来自于电容器； 转台减速制动时， 由于惯 性作用带动变频电机 M ， 以高于同步转速的速度旋 转， 使其工作在第二象限的发电状态， 其发出的三相 交流电能经变频器整流为直流电储存在电容器当 中， 同时变频电机 M ， 对转台产生制动力矩使其逐渐 停下来。 在这个工作过程当中， 只进行了机械能和电 能的转化 ， 除不足部分能量需要 由外部提供之外 ， 其 它能量交换没有涉及到液压能量的转化 ，故 系统效 率较高。 针对图 3所示 的三泵三回路系统方案 ，建立 了 系统的仿真模型，对系统能耗和其它关键参数进行 了仿真计算， 计算结果如表 3 所示。 表 3 三 泵 驱 动 混 合 动 力液 压 挖 掘 机 的仿 真 结 果 三泵三回路 项 目 原始系统 系统 耗油量 ／ mL 1 0 3 ．5 6 4 ．9 耗油率 ／ g ／ k W h 2 3 6～ 5 5 3 2 0 9 ． 7 发动机峰值功率 ／ k W 1 0 7 5 3 发动机做功 ／ M J 1 ． 2 1 ． 0 6 与原 始 系统 相 比 ，三 泵 方 案可 以节 约油 耗 3 7 ．3 ％， 具有较好的节能效果 ； 燃油发动机保持工作 在高效工作区内， 耗油率稳定地保持在较低的状态， 装机功率降低了5 0 ． 5 ％。 4 结论 1 单纯的串联式混合动力系统不具有节能效 果， 但由于发动机一直工作在高效区内， 耗油率维持 在较低水平上， 因此可以有效地改善排放质量 ， 而且 系统的布局安排比较容易实现；并联式混合动力系 统除具有串联系统上述优点外 ，还具有一定的节能 效果， 且进一步降低了燃油发动机的装机功率。 从节 能的角度出发， 应选择并联混合动力作为研究对象。 2 在并联混合动力的基础之上引进多泵多回 路驱动方案可以取得良好的节能效果 。 3 仿真表明，采用并联式混合动力技术和电 动机驱动 回转的三泵三 回路系统相对于原始系统可 以节能 3 7 ． 3 ％，燃油发动机装机功率可以降低 5 0． 5％ 参 考 文献 [ 1 ]乔建刚， 杨敦荣．液压挖掘机的节能技术f J 1 _ 现代机 械 ， 2 0 0 2 2 7 8 8 0 ． [ 2 ]西垣雅之， 岛田道仁 ， 坂本淳一， 等． 低燃萤 ， 低工 三 丑、／／ 、 7 l J 、 y卜三二， 、／ 嗣凳 [ J 】 ． 自勤卓技衍会 学衍请演前刷集， 2 0 0 1 9 - 1 2 ． 『 3 ]简井昭， 南绦孝夫 ， 吉松英昭， 等．／ 、 7 lJ 、 y卜三 ／j -- - 4 ； 1 ． , 4 9 鼋勤油庄7 ， 夕手 工一 夕 灭于厶阴凳Ⅲ． 自勤 卓技衍会学衍藁演前刷集 ， 2 0 0 3 - 7 1 2 ． 通信地址 中国石油大学 华东 机电工程学院 2 5 7 0 6 1 收稿 日期 2 0 0 7 0 8 2 9 髻 三 罐 一 5 5 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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