呂其惠

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510650)

液壓挖掘機是使用范圍最廣的工程機械產(chǎn)品，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度加大，挖掘機市場取得了爆發(fā)性增長。目前在用的液壓挖掘機功率匹配系統(tǒng)中，柴油機與液壓泵作為動力系統(tǒng)在最大負(fù)載時才能較好地進行功率匹配，但挖掘機作業(yè)工況復(fù)雜，負(fù)載波動劇烈，最大功率與最小功率交替出現(xiàn);柴油機輸出扭矩也劇烈波動，柴油機在小負(fù)荷時嚴(yán)重脫離經(jīng)濟區(qū)。為滿足最大負(fù)荷工況的要求，挖掘機都按峰值功率來選擇柴油機，造成大部分時間功率偏大，燃油經(jīng)濟性差，排放污染;如果按平均功率選擇柴油機，則發(fā)動機過載和過熱，不能實現(xiàn)全局功率的匹配[1]。由于挖掘機耗油量較大，能源使用成本居高不下，開發(fā)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品更顯得迫切。近年來，蓄電池容量的增加及超級電容器的應(yīng)用使混合動力液壓挖掘機的設(shè)計及應(yīng)用成為可能，也為挖掘機實現(xiàn)全功率匹配、節(jié)能降耗提供了條件。文中探討在液壓挖掘機動力系統(tǒng)中引進混合動力技術(shù)，改進工作裝置液壓系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計方案，優(yōu)化挖掘機柴油機與液壓系統(tǒng)的功率匹配，提高柴油發(fā)動機的工作效率，改善廢氣排放的質(zhì)量，節(jié)約能耗。

1 混合動力液壓挖掘機液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 輔助動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

挖掘機挖掘工況需要較大的功率輸出而回轉(zhuǎn)、卸料時功率輸出較小，在一個臺班作業(yè)周期中平均功率僅為62%，其動力需求波動大且周期強。設(shè)計方案中，混合動力挖掘機以柴油發(fā)動機作為系統(tǒng)的主動力源，在柴油機與液壓泵連接單元中加裝ISG 發(fā)電電動一體機(電動機)。電動機和儲能裝置組成輔助動力系統(tǒng)，柴油機作為主動力源與電動機并聯(lián)共同驅(qū)動液壓泵，主動力源與輔助動力系統(tǒng)通過電控系統(tǒng)進行合理的功率匹配。電動機作為輔助動力可工作于發(fā)電或電動狀態(tài)，柴油發(fā)動機的功率主要用于驅(qū)動外載，多余或不足部分由電動機轉(zhuǎn)化或補充。輔助動力系統(tǒng)儲能裝置儲存的能量在挖掘機超載和重載時釋放出來輔助驅(qū)動，對柴油發(fā)動機起到動力“削峰填谷”的功能，降低了柴油發(fā)動機裝機功率和裝機成本;使柴油機輸出轉(zhuǎn)矩得到均衡控制并平穩(wěn)地工作在經(jīng)濟運行區(qū)間，減低能耗及排放。

1.2 工作裝置油缸三泵三回路驅(qū)動，進出口獨立調(diào)節(jié)的系統(tǒng)方案

傳統(tǒng)液壓挖掘機多采用柴油機—液壓泵—執(zhí)行機構(gòu)(液壓馬達)的驅(qū)動方案。其工作機構(gòu)液壓系統(tǒng)是由驅(qū)動工作裝置液壓油缸回路和驅(qū)動轉(zhuǎn)臺的雙泵雙驅(qū)動回路組成。工作裝置動臂油缸、小臂油缸、轉(zhuǎn)斗油缸共用一個泵驅(qū)動，主控制閥進出油節(jié)流口聯(lián)動調(diào)節(jié)，進出口都有壓力損失。由于各個工作裝置液壓油缸的壓力相差較大，液壓泵的輸出壓力必須高于負(fù)載最高壓力而低壓負(fù)載則需要壓力補償，導(dǎo)致補償壓力損失、能量損耗、功率下降，泵輸出壓力也跟著提高。在單泵驅(qū)動多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)中，無法消除進油節(jié)流損失[2]。作者采用三泵三回路系統(tǒng)，動臂油缸、小臂油缸、轉(zhuǎn)斗油缸分別由單獨的液壓泵驅(qū)動，液壓泵的輸出壓力根據(jù)油缸需求配置，壓力降低;出口采用獨立調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)出油節(jié)流口的開度來控制執(zhí)行油缸的運動速度，克服傳統(tǒng)雙泵雙驅(qū)動回路的壓力補償閥造成的壓力損失和效率低下問題，可以進一步降低系統(tǒng)的能耗損失，達到節(jié)能效果。三泵三回路驅(qū)動液壓系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 混合動力液壓挖掘機工作裝置液壓系統(tǒng)圖

1.3 液壓馬達節(jié)能回收系統(tǒng)設(shè)計

由于液壓挖掘機作業(yè)時行駛系統(tǒng)都處于停止?fàn)顟B(tài)且挖掘機長距離轉(zhuǎn)移時均采用拖車拖運，行駛系統(tǒng)對功率及節(jié)能影響很小，在節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計時不作考慮，采用傳統(tǒng)成熟的液壓系統(tǒng)方案。液壓挖掘機工作裝置主要通過回轉(zhuǎn)平臺、動臂、小臂、鏟斗的相互配合來完成作業(yè)任務(wù)。由于工作裝置質(zhì)量很大，加在動臂油缸上的重力比較大，動臂油缸減速制動時會產(chǎn)生大量的慣性能量和重力勢能，且必須安裝背壓閥，慣性能量都消耗在控制閥和背壓閥的節(jié)流口上，造成了能量浪費同時也產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致液壓油溫度升高，降低了液壓元件及液壓油的使用壽命。為了使這部分能量得到回收利用，設(shè)計了由電機、能量回收馬達、單泵驅(qū)動動臂油缸和進出口獨立調(diào)節(jié)共同組成的混合動力挖掘機新型節(jié)能回收系統(tǒng)。在動臂油缸主控制閥回油出口處串聯(lián)能量回收馬達代替背壓閥，將動臂油缸回位時的重力勢能回收并轉(zhuǎn)化為馬達輸出的機械能，使原本消耗在壓力補償閥上的能量被液壓馬達回收用來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，其電能經(jīng)過變頻器整流并儲存在儲能電容中以供回轉(zhuǎn)電機使用，實現(xiàn)能量的循環(huán)再生應(yīng)用。

由于動臂油缸的回油連接回收液壓馬達，通過控制液壓馬達的流量，調(diào)節(jié)動臂油缸的背壓p 實現(xiàn)控制動臂油缸的下降速度va。當(dāng)動臂油缸從舉升位置下降、制動時，根據(jù)黏滯阻尼理論可知:阻尼力與動臂油缸的運動速度成正比，設(shè)kc為黏性阻尼系數(shù)，在不考慮有桿腔的壓力p1的情況下，則:

其中:V為動臂油缸與回收馬達間容腔的容積;p、A1、F分別為動臂油缸無桿腔壓力、活塞橫截面積、摩擦力;βe為液壓油的彈性模量;ω、Q分別為馬達的角速度和排量;m為動臂油缸活塞及負(fù)載作用在活塞桿上的總質(zhì)量。

動臂油缸下降制動時的重力勢能及慣性能量帶動回收液壓馬達回轉(zhuǎn)從而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，電能經(jīng)變頻器I2 整流后儲存在儲能電容中，其發(fā)電電流[2]:

式中:J、km分別為回收馬達和發(fā)電機的總轉(zhuǎn)動慣量及黏性阻尼系數(shù);U為電容的工作電壓;T為摩擦力矩。

式中:Ib為電容的放電電流;Im為發(fā)動機輔助動力電機驅(qū)動負(fù)載的電流;C為節(jié)點容量。

工作裝置轉(zhuǎn)斗油缸和斗桿油缸沒有重力勢能，慣性能量也比較小，回收利用價值不高，為了系統(tǒng)簡單考慮不設(shè)計能量回收裝置。

2 轉(zhuǎn)臺電機驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 回轉(zhuǎn)臺電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方案

現(xiàn)用挖掘機轉(zhuǎn)臺驅(qū)動回路由泵通過閥控后驅(qū)動回轉(zhuǎn)液壓馬達，回轉(zhuǎn)液壓馬達經(jīng)減速機減速增扭后驅(qū)動回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺。動力傳遞過程經(jīng)歷機械能—壓力能—機械能的轉(zhuǎn)化過程，傳動效率較低。挖掘機作業(yè)時回轉(zhuǎn)頻率高且慣性較大，轉(zhuǎn)臺制動過程存在大量能量損失。

混合動力液壓挖掘機電機驅(qū)動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)臺、減速器、ISG 回轉(zhuǎn)電機、超級電容組成?；剞D(zhuǎn)臺驅(qū)動裝置以ISG 電機替代回轉(zhuǎn)液壓馬達，轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)由變頻電動機ISG 經(jīng)減速機構(gòu)減速增扭后直接驅(qū)動，其電能來自于電容器;ISG 電機也可以通過自身的轉(zhuǎn)動慣量在電動機和發(fā)電機之間來回切換狀態(tài)，平衡機械沖擊和振動，起到減震器的作用?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理為:操縱回轉(zhuǎn)手柄，電控系統(tǒng)的手柄壓力傳感器向控制器發(fā)送電機轉(zhuǎn)動控制信號，控制器向儲能電容輸出放電指令，電容器給ISG 電機放電，電機帶動挖掘機工作平臺產(chǎn)生轉(zhuǎn)動;停止手柄轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)臺減速制動時由于慣性作用帶動變頻電機ISG 以高于同步轉(zhuǎn)速的速度旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，其發(fā)出的三相交流電能經(jīng)變頻器整流為直流電儲存在電容器中，同時變頻電機ISG 對轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生制動力矩使其減速和制動[3]。減速或制動時的慣性動能轉(zhuǎn)換成電能，為機載電容進行充電。系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換為機械能—電能，不足部分由外部其他能量補充，電機驅(qū)動節(jié)省了消耗在液壓閥上的能量，效率比液壓能轉(zhuǎn)化過程高很多，提高了燃油經(jīng)濟性。對挖掘機回轉(zhuǎn)制動慣性能量進行回收是混合動力挖掘機節(jié)能重要的組成部分。

2.2 蓄電裝置選用

混合動力液壓挖掘機電能的儲存可以選擇超級電容和動力電池?；旌蟿恿ζ嚿隙嗖捎脛恿﹄姵?，而挖掘機則首選超級電容;作為新型儲能設(shè)備的超級電容具有很高的放電功率和功率密度，同時也具有很大的荷電儲存能力，能很好滿足挖掘機短時間高功率的挖掘作業(yè)工況要求;電容器的選擇要綜合考慮容量、可靠性、成本、整機電控系統(tǒng)的控制策略及整機工作過程中的荷電狀態(tài)(SOC)等方面。超級電容容量設(shè)定按6個工作周期可回收的最大能量Emax作為選擇參考依據(jù)，超級電容模型采用經(jīng)典的RC模型，其電量與輸出電壓成線性關(guān)系[3－4]。超級電容值的計算公式如下:

式中:C為電容容量 (F);Vmax為電容充滿電電壓(V);Vmin為電容放完電電壓(V)。

2.3 回轉(zhuǎn)電機的選擇

電機是混合動力挖掘機輔助動力單元核心部件，承擔(dān)著為發(fā)動機提供輔助動力、驅(qū)動挖掘機回轉(zhuǎn)和制動能量回收轉(zhuǎn)化的任務(wù)，必須具備很好的驅(qū)動性能。ISG 電機是電動－發(fā)電一體機，融合了電機、電子、數(shù)字信號處理、控制等技術(shù)，集電動機和發(fā)電機功能于一體，具有突出的起/?？刂瓶?、能量再生利用好、動力輔助性強等優(yōu)點，ISG 電機在混合動力技術(shù)上的應(yīng)用對節(jié)能減排起到重大作用。

對電機參數(shù)的選擇上因遵循等效替換的原則:回轉(zhuǎn)臺ISG 電機性能應(yīng)等效于原液壓馬達性能，轉(zhuǎn)矩和功率能驅(qū)動挖掘機轉(zhuǎn)臺順利回轉(zhuǎn)，滿足最大負(fù)載挖掘時的功率需求;ISG 電機額定轉(zhuǎn)速必須等于或大于發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速。

ISG 混合動力系統(tǒng)中，根據(jù)ISG 在挖掘機上使用作業(yè)條件惡劣、負(fù)載波動大的特點，選擇徑向尺寸較大、軸向尺寸較小的永磁同步發(fā)電電動一體機，輔助動力電機與泵一起安裝在柴油機曲軸輸出端，回轉(zhuǎn)電機用于驅(qū)動轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)圈，其參數(shù)選擇需要考慮:峰值功率、最大轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速、額定功率、經(jīng)濟性、制造成本等方面綜合考慮[4]?；剞D(zhuǎn)電機參數(shù)選擇見表1。

表1 ISG 電機參數(shù)

3 混合動力液壓挖掘機電驅(qū)動系統(tǒng)能量仿真分析

以最為常用的20 t 挖掘機作為研究對象，控制器根據(jù)操作信號和檢測信號，按照控制策略分配柴油機、電動機轉(zhuǎn)矩以共同驅(qū)動液壓系統(tǒng)工作，實現(xiàn)動力輸出的功率匹配。建立混合動力液壓挖掘機ADVISOR軟件仿真模型如圖2所示。

圖2 混合動力挖掘機動力系統(tǒng)模型

ADVISOR軟件是由美國可再生能源實驗室在MATLAB軟件環(huán)境下開發(fā)的混合動力設(shè)備仿真平臺。試驗時啟動ADVISOR軟件進入整機參數(shù)輸入窗口，在ADVISOR 圖形界面GUI 下選擇設(shè)置機型，在已選擇機型內(nèi)部的m 文件中對各柴油機、液壓部件、電機、電容參數(shù)模型等進行設(shè)定和修改。例如圖3中點擊進入發(fā)動機編輯窗口，窗口把發(fā)動機自定義參數(shù)m文件添加到列表中，選擇fule converter，單擊Done 確定后再點擊Help 按鈕即可獲得發(fā)動機效率的相關(guān)仿真結(jié)果。

圖3 柴油機性能仿真界面

各模塊仿真情況如下:

(1)動力系統(tǒng)

發(fā)動機與ISG 電動機共同為挖掘機液壓系統(tǒng)提供動力，把柴油機的調(diào)速曲線轉(zhuǎn)換為數(shù)值模型。在仿真時，運用插值原理獲取重載模式和標(biāo)準(zhǔn)模式的理論轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩[5]如表2，發(fā)動機的輸出功率Pf與電容的輸出功率Pc之和與液壓泵輸入功率Pb相等，即:

Pb=Pf+Pc

仿真模型以液壓系統(tǒng)工作油缸、回收液壓馬達的實測壓力值p 和體積流量值Q為輸入，輸出為液壓系統(tǒng)驅(qū)動功率Pa和回收的功率Ph，Pa、Ph計算如下[6]:

式中:p1、Q1分別為動臂油缸驅(qū)動時的壓力和流量;Δp、ΔQ分別為控制閥的壓力和流量損失。

表2 混合動力挖掘機柴油機性能參數(shù)

(2)回轉(zhuǎn)機構(gòu)

挖掘機作業(yè)過程包括挖掘、滿載回轉(zhuǎn)、卸料、空載返回4個過程?；剞D(zhuǎn)時間占總作業(yè)循環(huán)時間的60%～70%，回轉(zhuǎn)過程分為:滿載回轉(zhuǎn)加速－滿載回轉(zhuǎn)制動－空載回轉(zhuǎn)－空載制動4個過程。以挖掘機轉(zhuǎn)臺角速度和轉(zhuǎn)矩作為輸入，考慮減速器傳動比的基礎(chǔ)上得到電機的同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩指令[7]?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)主要參數(shù)如表3。

表3 轉(zhuǎn)臺工作參數(shù)

仿真結(jié)果(如表4)表明:通過對混合動力系統(tǒng)動力參數(shù)的匹配、控制策略的優(yōu)化可以使柴油發(fā)動機始終工作在高效區(qū)或怠速區(qū)[6－7]，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和功率的均衡控制(如圖4所示);混合動力挖掘機節(jié)約油耗31.9%，柴油機裝機功率降低了32.7%，耗油率(如圖5)保持在較低水平，具有很好的節(jié)能效果，排放污染也會顯著降低。

表4 挖掘機仿真結(jié)果比較

圖4 轉(zhuǎn)矩均衡控制曲線

圖5 柴油機油耗對比曲線

4 結(jié)束語

混合動力液壓挖掘機工作裝置設(shè)計方案中引入發(fā)電電動一體機作為輔助動力裝置，柴油機裝機時只需按平均輸出功率配置，降低了柴油機配置成本。發(fā)動機的油耗和排放減少，經(jīng)濟性得到顯著提高。以電機驅(qū)動替代液壓馬達驅(qū)動轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對回轉(zhuǎn)制動能量的回收;采用三泵三回路設(shè)計降低了泵的工作壓力，工作裝置動臂油缸設(shè)計液壓能量回收裝置，減小了壓力補償閥口的壓力損失?；旌蟿恿ν诰驒C具有操作方便、節(jié)能環(huán)保的功能。

混合動力技術(shù)在汽車領(lǐng)域已經(jīng)得到成功的應(yīng)用，但在工程機械上的應(yīng)用仍處于初級階段。能源的緊張和環(huán)境污染的加劇必將對工程機械產(chǎn)品的節(jié)能環(huán)保提出更高的要求。工程機械生產(chǎn)企業(yè)將更加注重混合動力液壓挖掘機的開發(fā)應(yīng)用，隨著關(guān)鍵部件的不斷改進和技術(shù)進步，也會推動混合動力液壓挖掘機更早進入市場。

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