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装载机液压节能系统设计及仿真 吕其惠 广东交通职业技术学院广州5 1 0 6 5 0 摘要以装载机节约能耗为研究 目标 ，设计了装载机混合动力系统和液压能量再生系统。通过混合动力 技术和动臂液压缸重力势能回收系统的应用 ，降低了装载机发动机装机功率。建立了混合动力装载机 A d v i s o r 软 件模型，仿真结果表明，设计方案降低了油耗 ，减少了排放，具有较好的经济和环保效益。 关键词装载机；节能；能量回收；仿真 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 3 0 80 0 6 0 0 4 A b s t r c t Wi t h t h e e n e r g y c o n s e r v a ti o n o f t h e l o a d e r a s a s t u d y o b j e c t ，t h e h y b r i d p o w e r s y s t e m a n d h y d r a u l i c e n e r g y r e g e n e r a t i o n a r e d e s i g n e d f o r the l o a d e r ． T o u s h a p p l i c a t i o n o f h y b ri d p o we r t e c h n o l o g y a n d g r a v i t a t i o n a l pot e n t i a l e n e r g y r e c o v e r y s y s t e m of mo v a b l e - a r n l h y d r a u li c c y l i n d e r ，the i n s t a l l e d p o we r o f l o a d e r e n g i n e i s r e d u c e d ． T h e Ad v i s o r mo d e l f o r h y b ri d p o w e r l o a d e r i s e s t a b li s h e d，a n d the s i mu l a ti o n r e s ult s h o ws tha t the d e s i gn s c h e n l c a n r e d u c e o i l c o n s u mp t i o n a n d e mi s s i o n，o w n i n g g r e a t e c o n o mi c and e n v i r o n me n t al b e n e f i t s ． Ke y wo r d s l o a d e r ； e n e r gy - s a v i n g；e n e r gy r e c o v e r y；s i mu l a ti o n 0 引言 装载机是我 国产量较大 的工程机 械产品。由 于装载机耗油量大 ，能源使用成本居 高不下 ，开 发节能环 保产品 已逐渐 得到重视。 目前使用 的装 载机液压系统采用柴油机 一液压泵 一多路 阀 一执 行元件驱动方案，柴油机按峰值功率进行匹配。 柴油机在大负荷工况具有较好的功率匹配；在空 驶返回等小负荷工况时会严重脱离经济区，大部 分时间功率偏大 ，燃油 经济性差 ，排 放大 ；如果 按平均功率选择柴油机，则发动机过载和过热， 不能实现全局功率的匹配 J 。本文 以常用的 Z L S O 装载机为研究机型，探讨在装载机动力系统中引 进油电混合动力技术 和液压能量再 生技术优化装 载机柴油机 、传动 系统和液 压系 统 的功 率 匹配， 提高柴油发动机的工作效率，改善废气排放质量， 节约能耗。 1 装载机混合动力系统方案设计 1 ． 1 辅助动力系统方案选择 装载机采用混合动力技术的目的是为了降低 能耗 ，优化发动机与传 动系统、液压 系统的功率 匹配 ，减少排放。在油 电混合动力 系统设 计方案 中 ，以柴油发动机作为整机 的主动力源 ，在柴油 一 60 一 机动力输 出单元 中加装 I S G发 电电动一体机 以 下简称电动机 ；电动机和储能装置组成辅助动力 系统。柴油机与 电动机 的连接有 串联、并联和混 联 3 种混合动力系统方案。串联方案全部能量需 要经历 “ 动能 一电能 一动能” 的多次 能量转换 ， 节能效果不 明显 ；混联 系统结 构复杂 ，装机成本 高，实现难度较大 j 。从能量转换效率、实现的 复杂程度等综合考虑，选择柴油机与电机并联的 混合动力系统方案。 1 ． 2 装载机并联混合动力系统驱动方案设计 并联式 油 电混 合 动力 装 载机 动力 传 动 系统 如图 1 所示 主要 由混合动力系统、底盘传动系 统 液力变矩器、变速器 、后桥 和液压 系统 组 成。液压 系统包 括工作装 置液压 系统 液压 泵、 控制阀、动臂液压缸、转斗液压缸 和转 向液压 系统 液压 泵、转 向 阀、转 向液压 缸 两部 分。 混合动力 系统包括主动力源和辅 助动力 系统两部 分。柴油机作 为主动力 源向动力 系统提供大部分 的动力支持；辅助动力系统由超级电容器、变频 器和电动机组成 ，对动力系统起补充 作用。柴油 机与 电动机 并联共 同驱动装载机 底盘行驶 系统 、 工作装置液压 系统 和转 向液压 系统 ；柴油机与 电 动机通过装 载机 电控 系统进行合理 功率匹配。根 据装载机作业条件恶劣、负载 波动大的特点 ，选 起重运输机械 2 0 1 3 8 电电流 J ， 1 一 灿 一 k m o J 二T t o ／ U 式中 J 、k 分别为回收马达和发电机的总转 动惯量及粘性阻尼系数，u为电容的工作电压， 为摩擦力矩。 I ， b I g l m d t U L 一 一 b 一 式中 ， b 为 电容 的放电 电流 ，， 瑚为发动机辅 助动力电机驱动负载的电流 ，C为容量。 3 混合动力装载机动力系统能量仿真分析 3 ． 1 混合动力系统能量分析 混合动力装 载机作业 过程 中，发 动机 与 I S G 电动机共 同为装载机提供驱动力。驱动力一部分 用于维持运转及驱动底 盘行驶装置 ，克服行驶阻 力 ，实现装载机 的行走 ；另一部分 用于驱动装载 机工作装置液压系统克服作业阻力，完成装载机 的循环作业过程。混合动力装载机功率平衡控制 取决于电控系统控制策略。控制器根据操作信号 和传感器检测信号，按照控制策略分配柴油发动 机、I S G电动机的功率和转矩来共同驱动传动系统 和液压系统实现功率合理匹配。装载机功率分配 情况如下 Pf PdP P Ph 式中P 为发动机功率，P 为电动机功率， P 为行驶驱动功率，P 为附件消耗功率，P 为液 压系统驱动功率 。 装载机行驶 工况需 要克服滚动 阻力 、坡道阻 力 、空气阻力和加速度阻力，消耗驱动功率 式中 为传动效率，m为整机质量， 为行驶 速度， ，为滚动阻力系数 ，i 为坡道阻力系数， 为重 量转换系数 ，k为空气阻力系数，A为迎风面积。 以液压系统工作液压缸、回收液压马达的实测 压力P和体积流量 Q为输入， 输出为液压系统驱动 功率 P ， 和回收的功率 P 2 ，P P 2 计算如下 p一 卫 垒 已 Q 垒 Q 2 叼 P 2 p l Q l 7 ／ 一 6 2 一 式中P 、Q 分别为动臂液压缸驱动时 的压 力和流量，△ p 、A Q分 别为控制 阀的压力 和流量 损失。 3 ． 2 混合动力系统仿真分析 以常用的 Z L S O装载机为研究对象 ，建立混合 动力装载机 A d v i s o r 软件仿真模型，如图 3所示。 A Iv i s o r 软件是 由美国可再生能源混合实验室在 M a t l 软件环境下开发的混合动力设备仿真平台， 可实现对发动机的转矩 、油耗等性能参数的仿真。 广 - 1 变 量 泵 排 量 发 动 机 转 矩 j i ． {工 作 模 式 发 动 机 转 速 ‘_ - 叶 发动机转矩 荷电状态 电动转矩 一 I 皇 垫 堑 丝皇 盟 回 生 整 蕉 L 亡 荷 电状态 供给功 率 需求功率 电阻 发电机 电流 图 3 混合动力装载机动力系统模型 混合动力装载机动力单元主要有 4种工作模 式 1 柴油机单独驱动模式平均负荷工况柴油 机输 出转矩 能够匹配外负载，且 不需要 向电容充 电；2 柴油机与电机联合驱动模式重负荷工况 柴油机与 I S G电动机共同输出转矩匹配外负载； 3 柴油机驱动外负载和 I S G电动机轻 负荷工况 柴油机输出转矩驱动外负载和 I S G电动机发 电并 向电容充电；4 动臂势能回收模式装载机动臂 下降阶段 ，回油驱动 回收马达带动发 电机发电并 向电容充电，实现动臂势能的回收 。仿真时把 柴油机的调速 曲线转换 为数值模型 ，运用插值原 理获取 4种工作模 式的理论转速 、转 矩_ 8 J 。启动 A d v is o r 软件进入整机参数输入窗口，在 A d v i s o r 图 形界面 G U I 下选择设置机型 ，在 已选择机 型内部 的 m文件 中对各柴油机、液压部件 、电机 、电容 参数模型等进行设定和修改。 仿真结果 如图4 表明 混合动力装载机柴 油机装机功率降低了2 1 ％，可降低油耗 9 ． 2 ％；通 过能量回收装置及对混合动力系统动力参数的匹 配、控制策略的优化，可以使柴油发动机始终工 作在高效区或怠速区，降低油耗 1 2 ． 9 ％，整机耗 油率降低 2 2 ． 1 ％。耗油率保持在较低水平，具有 起重运输机械 2 0 1 3 8 署一 耗率矩 消功转 油出出 燃输输 令 令 指 指 矩 速 转 转 速令量 一一 颧 一 转指电 一一 腊 一 步速容 一一 一 同转电 一 几 一 一 机机级 一 一 一 叽 电电超 一 叫 一 ．． ， 一 辑 恽 1一 一 捧 一一 胡 一 肚 抟一一 a 一 ～ 很好 的节能效果 ，排放也显著降低。 起 1 ．普通装载机2 ．混合动力装载机 图4 柴油机油耗对比曲线 4 结语 根据装载 机作业工况具有 周期性 和波动大 的 特点 ，提出了混合 动力装载机动力驱 动和液压 能 量回收的设 计方案。混合动力装载机按 平均输 出 功率配 置柴油 发动 机 ，降低 了柴油 机 配置成 本 ； 通过对主动力源与辅助动力系统控制策略的优化， 降低了柴油机的油耗，减少了排放，经济性得到 显著提高 。混合动力技术在装 载机上 的应 用仍处 于试验阶段 ，能源 的紧张和环境污染 的加 剧必将 加速混合动力设备关键部件 电机、能量储存装 置等 的改进和技术进 步，推动混合 动力装载机 更好地为工程建设领域服务 。 参考文献 [ 1 ]姜继海，于安才，沈伟 ，等 ．基于 C P R网络的全液压 混合动力液压挖掘机 [ J ] ． 液压与气 动，2 0 1 0 9 4 4 4 9． [ 2 ]姚永明，刘顺安 ．基于恒压液压系统的装载机节能技 术[ J ] ． 吉林大学学报 ，2 0 1 1 1 1 1 71 2 1 ． [ 3 ]邹乃威 ，章二平，戴群亮，等 ．并联混合动力装载机 建模与仿真研究 [ J ] ．工程机械，2 0 1 1 1 1 ． [ 4 ]刘刚，宋德朝，陈海明，等 ．并联混合动力挖掘机系 统建模及控 制策略仿真 [ J ] ． 同济大学 学报，2 0 1 0 7 7 9 8 4 ． [ 5 ]张延廷 ，王庆丰，肖清，等 ．混合动力液压挖掘机液 压马达 能量 回收 的仿真与试验 [ J ] ． 机械工程学报 2 0 0 7 8 2 1 82 2 2 ． [ 6 ]林潇，管成 ，潘双夏 ，等 ．并联式混合动力液压挖掘 机参数 匹配 方法 [ J ] ．农 业 机械学 报，2 0 0 9 6 2 831 ． [ 7 ]宋德朝 ，刘刚，罗军 ，等 ．混合动力挖掘机动力系统 方案设计与仿真研究 [ J ] ． 机电一体化，2 0 0 9 8 8 891 ． [ 8 ]肖清，王庆丰，付强，等 ．液压挖掘机混合动力建模 及控制 策略研究 [ J ] ． 浙江 大学学 报，2 0 0 7 3 48】一48 3． 作 者 吕其惠 地 址 广州市天河区天源路 7 8 9号广东交通职业技术 学院汽车学院 邮 编 5 1 0 6 5 0 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 2 1 稳当前利长远打造中国经济升级版 “ 下限”就是稳增长、保就业，“ 上限”就是防范通货膨胀。当经济运行逼近上下限时，宏观政策要侧重稳增 长或防通胀 ，与调结构、促改革的中长期措施相结合 ，使经济运行保持在合理区间。既不能因经济指标的一时变 化而改变政策取向，影响来之不易的结构调整机遇和成效；也不能对经济运行可能滑出合理区间、出现大的起伏 缺乏警惕和应对准备。当前我国经济发展既有许多有利条件 ，也面临多年未有的错综复杂局面。全球经济复苏艰 难，国内经济发展中的 “ 两难”问题增多。应对这一局面，需要智慧和勇气，用新视角和新思路，正确认识发展 大势，坚持稳中有进 、稳 中有为、稳中提质 ，把握好 、运用好宏观政策，统筹施策，保持经济平稳运行。 我国经济已步入新的发展阶段，必须更加注重依靠转型升级。在这种情况下，使经济运行保持在合理区间， 不仅要继续用好已有的行之有效的办法，还要适应新形势，创新思路运用新举措，统筹考虑稳增长、调结构、促 改革，形成科学的宏观政策框架，给市场以稳定预期 ，为发展营造 良好环境。当经济运行保持在合理区间内，要 以转变经济发展方式为主线，以调结构为着力点，释放改革红利，更好发挥市场配置资源和 自我调节的作用，增 强经济发展活力和后劲 ；当经济运行逼近上下限时 ，宏观政策要侧重稳增长或防通胀，与调结构、促改革的中长 期措施相结合，使经济运行保持在合理区间。 起重运输机械 2 0 1 3 8 一6 3一 等 1等．