基于混合動力液壓挖掘機系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的研究

董麗娟 朱哲煜

摘要：本文分析了我國對混合動力的液壓挖掘機系統(tǒng)的研究情況，以此探討工程機械中采用混合動力技術(shù)能否有效適用，在此基礎(chǔ)上對液壓挖掘機系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中混合動力技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行了相應(yīng)的探討，明確了基于混合動力液壓挖掘機系統(tǒng)在串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式上的運行原理，同時評價并對比了串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式下混合動力液壓挖掘機系統(tǒng)的性能、經(jīng)濟(jì)性及其節(jié)能效果。

Abstract： This article analyzes the research status of hybrid hydraulic excavator systems in my country， in order to explore whether the use of hybrid technology in construction machinery can be effectively applied， and on this basis， the specifics of hybrid technology in the optimal design of hydraulic excavator systems The application has been discussed accordingly， and the operating principles of the hybrid hydraulic excavator system based on the series and parallel modes are clarified. At the same time， the performance and economy of the hybrid hydraulic excavator system in the series and parallel modes are evaluated and compared. And its energy-saving effect.

關(guān)鍵詞：混合動力;液壓;挖掘機;優(yōu)化設(shè)計

Key words： hybrid power;hydraulic;excavator;optimized design

中圖分類號：TU621? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0055-02

0? 引言

近年來，我國現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，使得工程機械種類及數(shù)量得以逐年增加，當(dāng)然，人們在制造大量工程機械過程中也損耗了非常龐大的資源，而且更令人痛心的是工程機械在使用過程中會排放大量有害于環(huán)境的污染物，從而加劇了環(huán)境污染形勢?，F(xiàn)階段，人們愈發(fā)重視自然環(huán)境的保護(hù)，這也使人們對工程機械使用的節(jié)能性提出了更高的要求，以此更好促進(jìn)我國現(xiàn)代化社會的可持續(xù)發(fā)展。無論是國內(nèi)，還是國外，都日益關(guān)注和重視工程機械在使用過程中的尾氣排放及其噪聲污染問題，為了解決這些問題也出臺了許多具有約束力的規(guī)章制度，因此，這也將促使我國在工程機械領(lǐng)域發(fā)展中變得更加節(jié)能、環(huán)保。本文便對基于混合動力液壓挖掘機系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計工作開展深入的研究。

1? 我國對混合動力液壓挖掘機系統(tǒng)的研究情況

就目前來看，我國在研究工程機械的節(jié)能性及環(huán)保性等方面，正致力于使相關(guān)元器件具備更高的性能，并對液壓系統(tǒng)的構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，使動力和負(fù)載阻抗得以合理匹配，進(jìn)而起到節(jié)約能量輸出的作用。不過，國外也對上述內(nèi)容開展了許多具有成效性的研究，但無論是國內(nèi)還是國外，其研究效果都比較差強人意。除此之外，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，再加上節(jié)能環(huán)保理念正逐漸成為社會發(fā)展中的主流思想，使得更多先進(jìn)的驅(qū)動技術(shù)得以產(chǎn)生，例如，汽車數(shù)量的增多使得油價逐年上漲，而為了減少汽車的尾氣污染，同時降低汽車能耗，這也使人們開始致力于研究混合動力技術(shù)，該技術(shù)得以被成功應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，從而為汽車制造商創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益，并且也為整個社會發(fā)展的節(jié)能減排做出了巨大貢獻(xiàn)，更重要的是其他領(lǐng)域也能由此獲得啟發(fā)，并努力向著節(jié)能減排的方向進(jìn)行發(fā)展，在工程機械領(lǐng)域中也同樣如此，混合動力技術(shù)得以被進(jìn)一步應(yīng)用于該領(lǐng)域中。在工程機械領(lǐng)域中，由于液壓挖掘機在使用過程中的油耗較高，而且尾氣排放量大，因此必須要采取相應(yīng)的節(jié)能措施來降低其能耗，減少尾氣排放量，而混合動力技術(shù)則無疑是一種絕佳的解決途徑。

通過應(yīng)用混合動力技術(shù)，能夠使液壓挖掘機系統(tǒng)在運行過程中散發(fā)的熱量大大減少，而且可降低整機裝機功率，更為重要的是挖掘機動力系統(tǒng)將取得更高的運行效率，這對于改善其尾氣排放有著非常明顯的效果。現(xiàn)階段，越來越多的挖掘機研究機構(gòu)及相關(guān)企業(yè)都紛紛投入大力氣來研究混合動力技術(shù)在液壓挖掘機中的具體應(yīng)用，并且已經(jīng)取得了許多較為喜人的研究成果，這不僅使液壓挖掘機的能耗以及污染物排放得到有效降低，而且產(chǎn)品在市場中也將具備更強的競爭力，在市場發(fā)展中必將占得一席之地。不過，考慮到混合動力技術(shù)在應(yīng)用過程中需要攻克許多技術(shù)難關(guān)，而且技術(shù)應(yīng)用也比較復(fù)雜，因此我國對混合動力技術(shù)的研究還尚處于起步階段。

2? 液壓挖掘機的運行流程分析

對于液壓挖掘機來說，其是以發(fā)動機為驅(qū)動，以使液壓泵在發(fā)動機的作用下進(jìn)行工作，而液壓泵則會對多路閥組和控制回路進(jìn)行驅(qū)動，這樣液壓挖掘機的某項功能便可順利實現(xiàn)，例如挖掘機的行走、回轉(zhuǎn)、鏟半、動臂以及斗桿等等，從本質(zhì)上來說，液壓挖掘機屬于一種集機電液于一體化的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的構(gòu)造是比較復(fù)雜的，而且液壓挖掘機在運行過程中有著明顯的周期性特點，例如其在工作過程中需要完成一系列的動作，比如挖掘、動臂抬高、斗滿回轉(zhuǎn)、傾倒斗料、降低動臂高度、空半回轉(zhuǎn)便是一組挖掘動作，在上述動作執(zhí)行一次后便形成了一個周期，通過周期與周期間的不斷重復(fù)，以此確保液壓挖掘機最終完成施工任務(wù)。

3? 基于混合動力液壓挖掘機的適用性分析

基于混合動力的液壓挖掘機在應(yīng)用過程中還有部分技術(shù)難關(guān)需要攻克，這些技術(shù)難題可以借助于以下衡量指標(biāo)來體現(xiàn)：首先是混合動力技術(shù)在應(yīng)用以后所產(chǎn)生的節(jié)能效果，除此之外，該技術(shù)在應(yīng)用過程中液壓挖掘機運行前后的動力性變化情況以及成本經(jīng)濟(jì)性的高低。通過分析液壓挖掘機在運行時所產(chǎn)生的一系列動作，能夠了解到一般的液壓挖掘機之所以會出現(xiàn)燃油效率偏低的問題，其原因主要在于負(fù)載出現(xiàn)劇烈晃動，再加上動力無法有效匹配負(fù)載，致使液壓挖掘機中的發(fā)動機在工作時的狀態(tài)非常不穩(wěn)定，尤其是其不穩(wěn)定區(qū)域為高油耗區(qū)域，這便會對其燃油效率造成極大的影響。通過對混合動力技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，能夠使燃油效率偏低的問題得到有效地解決，在基于混合動力的液壓挖掘機中，通常需要對柴油發(fā)動機、蓄電池以及電動機進(jìn)行配置，而這三個零部件都能夠為挖掘機提供截然不同的動力源，通過對這三種動力源進(jìn)行相應(yīng)的組合與協(xié)調(diào)，即可驅(qū)動液壓挖掘機，這樣液壓挖掘機的動力及負(fù)載便可進(jìn)行合理的阻抗匹配，從而使液壓挖掘機在運行過程中取得更高的工作效率。

4? 基于混合動力的液壓挖掘機運行原理

在將混合動力技術(shù)應(yīng)用到液壓挖掘機以后，按照電路連接方式，可將其系統(tǒng)構(gòu)造劃分成兩類，一種是串聯(lián)型系統(tǒng)，而另一種則是并聯(lián)型系統(tǒng)，以下便分別探討這兩類系統(tǒng)。

在串聯(lián)型的以混合動力技術(shù)為核心的液壓挖掘機中，其運行原理可做出以下分析：該類型的液壓挖掘機將以柴油發(fā)動機作為主要的動力來源，當(dāng)柴油發(fā)動機啟動后，會使離合器連接到發(fā)電機上，以確保發(fā)動機所產(chǎn)生的機械能向著電動進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這些電能會被用于為發(fā)電機控制裝置提供電能，以確保發(fā)電機控制裝置能夠驅(qū)動電動機控制裝置，這樣電動機控制裝置便會通過驅(qū)動電動機與傳感器來實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制，由于電動機的調(diào)速性能較好，所以能夠利用電動機來對部分定量泵進(jìn)行驅(qū)動，以此確保液壓系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)速度得到高效的調(diào)控。在并聯(lián)型的以混合動力技術(shù)為核心的液壓挖掘機中，其運行原理則可作出以下分析：該類型的液壓挖掘機仍舊是以柴油發(fā)動機作為主要的動力來源，當(dāng)發(fā)動機被啟動以后，會使發(fā)電機或電動機能夠連接于離合器，由此便可使發(fā)電機或電動機所產(chǎn)生的機械能向著電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而使電動機控制裝置有足夠的電能進(jìn)行操控，這樣電動機在離合器及傳感器的直接帶動下，便可對液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制?？偠灾谝曰旌蟿恿夹g(shù)為核心的液壓挖掘機中，串聯(lián)型的挖掘機系統(tǒng)與并聯(lián)型的挖掘機系統(tǒng)在構(gòu)造上的最大不同，便是液壓系統(tǒng)與柴油發(fā)動機以及電動機有著截然不同的連接方式。

5? 基于混合動力技術(shù)的液壓挖掘機的各項性能變化分析

5.1 串聯(lián)式與并聯(lián)式液壓挖掘機系統(tǒng)的綜合性能? 在上文中提到的兩種類型的混合動力液壓挖掘機中，無論是串聯(lián)型，還是關(guān)聯(lián)型，其均有對應(yīng)的應(yīng)用優(yōu)勢，但也各自都有一些不足之處，以下便簡要分析這兩種類型的混合動力液壓挖掘機的綜合性能。在對比串、并聯(lián)兩種液壓挖掘機系統(tǒng)的綜合性能時，需要建立一個標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行參考，所以要想確保數(shù)據(jù)對比結(jié)果的可靠性，需要對一般的液壓挖掘機系統(tǒng)構(gòu)造做出相應(yīng)的改造，在此過程中需要采用混合動力技術(shù)，以便于按照串聯(lián)型和并聯(lián)型的構(gòu)造來改造與優(yōu)化普通的液壓挖掘機，其他結(jié)構(gòu)一致，在技術(shù)參數(shù)方面，則主要有發(fā)電機電流、電池電壓、電動機/發(fā)動機扭矩、工作電流、電動機電壓、系統(tǒng)目標(biāo)速度等等。事實上，在混合動力液壓挖掘機中，其技術(shù)指標(biāo)可能有許多影響因素，動力總成控制則是最為關(guān)鍵的影響因素，在本文中不做出贅述。電池組能夠為串聯(lián)型與并聯(lián)型兩種系統(tǒng)的部分控制器提供電能，當(dāng)電池組無法供電時，便會造成混合動力挖掘機無法工作。所以在篩選電池組容量時，需要制定出兩點準(zhǔn)則，其一是需要確保電池組容量能夠合理匹配電動機;其二是需要確保電池組具有較長的使用壽命。

5.2 節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性對比? 在對基于混合動力的液壓挖掘機進(jìn)行節(jié)能性及其經(jīng)濟(jì)性對比時，需要應(yīng)用到一項重要的衡量指標(biāo)，即節(jié)能效果指標(biāo)，通過采取仿真分析來對比節(jié)能效果，當(dāng)普通型、串聯(lián)型、并聯(lián)型這三種類型的液壓挖掘機在相同時間進(jìn)行工作時，三者的油耗分別為540g、362g與330g，相比于普通的液壓挖掘機系統(tǒng)，采用串聯(lián)型的液壓挖掘機系統(tǒng)可節(jié)省油耗178g，而采用并聯(lián)型的液壓挖掘機系統(tǒng)則可節(jié)省油耗210g，這說明在節(jié)能效果上，串、并聯(lián)兩種混合動力液壓挖掘機系統(tǒng)可分別提高36.1%與40.7%。當(dāng)然，在將混合動力技術(shù)應(yīng)用于普通的液壓挖掘機時，如果只是對其綜合性能、環(huán)保性以及節(jié)能效果進(jìn)行考慮是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，對于挖掘機制造商而言，對改造成本也是非常重視的，當(dāng)改造成本超過節(jié)能效果時，那么整個改造過程也便失去了意義。

在基于混合動力技術(shù)的液壓挖掘機系統(tǒng)設(shè)計中，影響系統(tǒng)制造成本的最關(guān)鍵部分便是其核心零部件在加工過程中所花費的成本，考慮到串聯(lián)式的混合動力液壓挖掘機系統(tǒng)在設(shè)計過程中需要應(yīng)用到更多的關(guān)鍵零部件，這勢必會大幅增加制造成本，因此在經(jīng)濟(jì)性方面，并聯(lián)式的混合動力液壓挖掘機要更具優(yōu)勢。對于混合動力挖掘機系統(tǒng)的日常維護(hù)來說，其維護(hù)成本的高低則主要取決于電池組是否更加經(jīng)久耐用。

6? 結(jié)語

綜上所述，本文對基于混合動力技術(shù)的液壓挖掘機系統(tǒng)設(shè)計方案開展了比較深入的研究，以此幫助機械工程人員能夠了解混合動力技術(shù)在液壓挖掘機中的適用情況，同時，將混合動力技術(shù)引入到液壓挖掘機系統(tǒng)設(shè)計中，還能有效解決普通液壓挖掘機存在的燃油效率偏低的問題，實現(xiàn)負(fù)載與動力的合理匹配，降低功率損失，雖然混合動力挖掘機需要花費更多的制造成本，不過卻能取得非常明顯的節(jié)能效果。

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