液压混合动力技术在装载机中的应用*

 韩慧仙

 （湖南机电职业技术学院，湖南  长沙  410151）

  摘要：介绍了混合动力技术国内外的研究现状、当前应用于工程机械上的混合动力的系统结构、连接方式及其技术特点，通过实例说明了液压并联混合动力在装载机行走液压系统的制动能量回收方面的特点和优势，并指出了存在的问题及后续的研究方向。

  关键词：装载机；液压混合动力；节能

  中图分类号：TH24    文献标识码：B

  0  引言

    装载机可以实现多种作业功能，其操作灵活、使用方便、作业速度快，所以在土石方施工中得到了广泛使用。传统装载机的发动机功率较大，装载机的质量也很大，正常作业时，装载机的油耗非常大，一般每天消耗燃油200 1～400 L，排放大量有害气体，对大气环境造成污染；装载机作业时发出的噪声也较高，对周围环境造成噪声污染。装载机保有量大、耗油高、排放高，其节能减排问题一直是行业内密切关注的课题。

1  装载机节能技术研究现状

1.1  动力元件的节能空间

    装载机的动力由发动机产生，经过液压系统、液力变矩器、变速箱、驱动桥等传动部件到达行走和工作系统。多年来，各元件生产厂家对各自的产品进行了许多优化设计，使得各元件的局部效率得到了很大的提高，但是想通过技术手段继续提高元件的效率和匹配特性变得十分困难，节能空间也越来越小。

1.2  混合动力技术

    装载机在作业过程中存在大量的往复运动，伴随着作业过程产生的动能和势能，如不加以回收利用，将会产生很大的能量损失。因此，装载机的混合动力和能量回收技术可有效利用能量，提高效率，降低油耗、排放和噪声。具有混合动力系统的装载机具有不止一个动力源，一个是发动机，另一个是液压蓄能器。蓄能器的工作过程分为能量回收和能量释放两个阶段，在能量回收阶段，混合动力系统通过液压电气控制方式将装载机的制动能量转化为液压能存储在蓄能器中；在能量释放阶段，混合动力系统通过液压电气方式将蓄能器中的能量输出到行走驱动系统，单独或者辅助发动机对装载机进行行走驱动。能量吸收和辅助驱动构成了能量循环，有效降低了装载机的油耗、排放和噪声，是一种新型的节能技术。

    国外如美国、日本和德国等对混合动力展开了多年的研究，其技术较领先，日本企业在2003年就开发出了油电混合动力的装载机。随后，欧洲的工程机械企业也开始研发混合动力的轮式装载机。美国从2004年开始陆续推出了具有液压混合动力技术的多功能作业车、公交车、环卫车和伸缩臂叉车等。目前，德国的力士乐公司已经在环卫车、物料搬运车、单斗挖掘机等工程机械上应用了液压混合动力技术，并且形成了产业化。

    最近几年，国内的众多科研机构也开始研究混合动力技术，包括柳工推出的CLG862-HYBRID电动混合动力装载机、徐工集团推出的ZL50G液压混合动力装载机、山河智能推出的搭载油液混合动力技术的单斗挖掘机等。

2  液压混合动力的技术路线

    液压混合动力系统的主要组成部件有：液压泵马达、蓄能器、传感器、主控制器和动力耦合器等。根据动力在系统中的传动路线来划分，液压混合动力系统基本可以划分为3种不同的类型：串联式、并联式和混联式。

2.1  串联式

    如果混合动力系统中的主要零部件包括柴油机、变量液压泵、控制阀组、传感器、控制器、蓄能器和泵马达等，并且这些元件按照功率流动的方向是串联连接的，该方式称为液压串联混合动力系统。该系统功率调节和控制方便，系统响应快速，但是功率传递过程中的损耗过大，导致节能效果不明显，因此，该动力系统特别适合中小型的液压车辆和工程机械。液压串联混合动力系统传动原理如图1所示。

2.2并联式

    如果液压并联混合动力系统中的主要零部件有柴油机、蓄能器、控制阀组、控制器和泵马达等，而且车辆的驱动能源可单独由柴油机提供，也可以单独由液压蓄能器提供，两套能源既可以单独工作，也可以联合工作，则称之为液压并联混合动力系统。该系统传动效率高，控制结构复杂，对控制器的软件性能的要求较高，因而主要用于大型的液压车辆、工程机械和特种作业机械上。液压并联混合动力系统原理如图2所示。

2.3  混联式

    将并联式和串联式混合动力系统组合起来形成混合式的混合动力系统，扬长避短，确保系统在最优状态下工作，则可以进一步节能。但实际上，混合式系统对零部件的要求很高，系统复杂庞大，控制难度极大，其技术经济性并不好。

3混合动力应用实例

    装载机在作业过程中，液压混合动力的能量转换单元可以回收部分能量，储存在液压蓄能器中，这些能量可以在同一个工作循环中释放再利用，在车辆启动或加速过程中作为辅助能源，与发动机共同驱动行走系统，降低了发动机的负荷，从而降低了发动机的油耗和排放。这些可以回收的能量主要来自于车辆制动的动能、坡道行驶时的势能和工作装置带载下降过程中的重力势能。图3为带有行走制动能量回收装置的装载机并联混合动力原理图。

    图3中的系统包含两部分：①传统的装载机液压系统，其主要零部件包括柴油机、液力变矩器、动力换档变速箱、离合器和主控制阀等；②在原有液压系统的基础上增加的能量回收系统，这个新增的能量回收系统的主要零部件包括泵马达、控制阀组、主控制器、液压蓄能器和传感器等。装载机正常工作时，发动机的动力一部分用于驱动行走机构，另一部分用于驱动工作装置，实现装载机的转向与装载工作。当装载机制动时，离合器断开柴油机与行走机构之间的连接，然后将行走机构与泵马达相连，此时，行走机构由于惯性的作用驱动泵马达工作，将装载机的行驶动能转化为液压能，由泵马达储存到蓄能器中，实现了能量的回收。当装载机再次启动时，控制阀组将蓄能器中的液压能释放出来，通过泵马达驱动行走机构运转，实现了能量的再利用。装载机的能量回收和再利用的过程都由主控制器进行控制，其控制依据包括工况循环参数、驾驶员的操作信号和车辆制动系统的参数等。图4为控制器模型示意图。通过分析可知，影响装载机能量回收的主要因素是行驶速度、制动力矩、蓄能器容积等，当行驶速度较高、制动力矩较大时，能量回收系统能够回收的能量更多，再生效率也较高，通过仿真试验与实车测试验证，节能效果达20%以上。

  4结论

    混合动力技术是工程机械节能的有效方式，特别是对于装载机，如果混合动力技术获得广泛的应用，每年可以节约的燃油、降低的排放将十分可观，这不但可以提升我国装载机的技术水平和市场竞争力，还能减少对环境的污染，同时获得可观的经济效益和社会效益。

    混合动力系统的使用，也会给传统装载机带来一 些新的问题，如再生系统的增加会增加整机重量，增加系统的协调控制难度，可能会增加系统的不稳定性，对辅助动力元件的寿命也提出了更高要求，这些是后续混合动力系统推广应用需要进一步研究与解决的问题。

  参考文献：

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