混合动力挖掘机节能系统

混合动力挖掘机节能系统
文章对传统液压挖掘机的系统能耗进行了分析，并在此基础上结合目前先进的节能技术，提出了一种油电、油液混合动力系统，这种动力系统能够实现对能量的回收。

对23t传统液压挖掘机的参数配置进行分析后，建立了关于传统液压挖掘机以及油电、油液混合动力挖掘机回转机构的数学模型，并对三种动力系统的节能效果进行了分析对比。

标签：液压挖掘机；能量回收；节能系统；回转机构
Abstract：In this paper，the energy consumption of traditional hydraulic excavator is analyzed. On the basis of this，as well as the advanced energy saving technology，a hybrid power system of electricity and oil is put forward. This kind of power system can realize the recovery of energy. After analyzing the parameter configuration of 23t traditional hydraulic excavator，the mathematical models of the rotary mechanism of conventional hydraulic excavator and electricity and oil hybrid excavator are established，and the energy-saving effects of the three power systems are analyzed and compared.
Keywords：hydraulic excavator；energy recovery；energy saving system；rotary mechanism
引言
传统挖掘机节能效果的实现只能依赖于动力系统的改进，并对挖掘机运行过程中浪费的能量进行有效的回收，而混合动力挖掘机就能实现回收能量的目的。

日立建机在2003年的时候研发出了世界上首台混合动力轮式装载机，这种混合动力在工程机械车辆的运用是一种划时代的举措。

而后日本小松充分借鉴了这种成功经验研发出了首台混合动力的挖掘机，实现了节能28%的目的[1]。

1 油电混合和油液混合动力系统对比
1.1 油电混合动力
在混合动力系统运行的过程中，如果驱动液压泵的能量不超过发动机实际的输出能量，那么发动机就会带动液压泵进行运转，而多余的能量会经过ISG电机的转化后对超级电容进行充电，而当液压泵运行时需要的能量过大，发动机不能满足能量需求的时候，超级电容就会与发动机共同来为液压泵的运行提供能量。

挖掘机的整个回转系统由原来的回转马达改造成了ISG电机驱动，这样在回转系统进行制动操作的时候，ISG就能将制动能量转化成超级电容的充电电能。

挖掘机的动力臂从高位下降产生的势能将通过液压马达以及电机系统进行回收，然后将转化后的能量在超级电容中进行储存。

改造后该混合动力系统最大的特点就是当系统实际需要的负载功率较大时，ISG电机就能对发动机形成辅助，
减轻了发动机的功率输出压力，这样发动机的燃料消耗就会始终处在合理的位置。

而在系统负荷功率要求低的时候，通过ISG电机会将多余能量进行回收，并对超级电容形成充电效果，这样电机的运行也实现了最优运行效果[2]。

1.2 油液混合动力
挖掘机的回转系统在制动的时候，液压马达会出现溢流发热现象，导致能量损失，因此，可以合理的使用蓄能器将溢流能量进行回收储存。

这样在系统实际运行需要的功率较大的时候，就可以通过蓄能器的回收能量来进行补充，而动力臂从高位下降的过程中也会产生一定的势能，从而引起动臂液压缸回油口的油液上升，这时候就可以将带压的部分油液通过蓄能器进行回收，当系统运行需要的油液量大时再将回收的油液补充给液压系统。

2 回转系统分析
回转系统是挖掘机中非常重要的结构部分，在挖掘机运行的过程中，回转系统是运行时间最长的机构，同时也是能耗最大的，其能耗占到挖掘机总能耗的25%-40%，因此，挖掘机节能系统的改造核心内容就是回转系统的改造。

2.1 传统液压回转系统
传统的回传系统动力源主要是柱塞泵，动力源提供的压力油经过伺服阀传递到回转马达，这样就会在回转马达的进出油口形成压力差，在压力差的作用下实现转动。

而转动的控制则主要是有伺服阀来实现。

2.2 油电混合动力回转系统
该回转系统主要是由超级电容来提供能量，通过电机和变速箱来带动转台转动，回转系统的转动控制是由操控台的控制器来进行控制，操控台在给出转动指令后，由解码器进行解码并将指令下达给电动机，从而实现电机扭矩的输出。

2.3 油液混合动力回转系统
该回转系统主要的能量则是由蓄能器和液压泵来共同提供，而液压马达是执行元件，液压马达在油压的驱动下通过变速箱将能量传递给转台，从而实现了转台以及其余工作装置的转动，回转系统在刹车的过程中多余能量由蓄能器进行回收，该回转系统的控制实现与油电混合动力回转系统完全相同。

3 回转系统仿真分析
为保证液压、油液混合动力回转系统能够实现正常运转，因此在仿真过程中选择的液压马达为KMF90AB-3型，该液压马达的排量为88.6mL/r，额定转速达到了2350r/min，通过对回转系统的精确计算最终将蓄能器的容量确定为10L。

而为保证油电混合动力回转系统能满足实际的回转功率需求，将电动机的型号选定为Y180M-2型，该电机的额定功率为30kW，额定转速能够达到1870r/min。

本次仿真使用了AMEsim软件，整个回转系统仿真的工况设置为回转90°位置后停留4s，然后将转台回转到初始位置。

通过对三种回转系统仿真角位移、角速度、能耗性能曲线的分析可以得出。

当信号输入相同的条件下，两种混合动力回转系统回转过程中的角位移基本一致，能够快速的做出反应并完成回转，而传统液压回转系统的相应有非常明显的滞后现象，但能够完成指定的回转命令。

由此可见，混合动力回转系统与传统液压系统相比较相应更加精确、迅速。

而三种回转系统的角速度走向基本一致，但是角速度的加速以及减速响应仿真中，两种混合动力回转系统的响应更加快速，由于油液混合动力的蓄能器在释放油液的时候产生的超调量比较大，而传统液压式系统存在变量因素导致两者的运行平稳性与油电混合动力系统存在一定的差距。

通过对三种回转系统的功率消耗的积分处理后得出其能量消耗曲线，如下图1所示。

由能耗曲线可知，在回转系统的一个工作行程内，油电混合动力的能耗最少，仅仅为65kJ，而油液混合动力能耗为81kJ，传统液压系统能耗最大，为112kJ，可见，油电混合动力能够实现技能42%，而油液混合动力的节能效果稍差为28%。

4 结束语
通过对23t挖掘机的3种回转系统的分析后进行了仿真分析，对其系统性能以及节能效果进行了分析，发现混合动力的运行更加平穩，节能效果良好，油气是油电混合动力系统，不仅反应快速，运行稳定，而且能够实现技能42%的效果。

参考文献：
[1]吴文海.并联式混合动力液压挖掘机能量回收与动力匹配技术研究[D].西南交通大学，2015.
[2]姚明星.复合动作工况下液压挖掘机动臂与转台节能技术研究[D].西南交通大学，2017.。