基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案研究_王冬云
液压挖掘机节能措施及混合动力系统方案
亿 公 升 的燃 油 ，相 当于 减少 了 ３ ６万 吨二 氧 化碳 的 排 ７
放 。目前 我 国挖 掘 机行业 面 临着 能源转 换效 率较 低 、 环
境污 染 严重 等 问题 ，这 给工 程机 械 行业 的节 能 降耗 带
１１ 发 动机—— 液 压 泵 匹配 节能控 制 系统 ．
时期 ，如何 通 过 发展 低 碳经 济 实 现生 产方 式 的转 变 已
成为 社会 各界 的共 识 。近年来 ， 随着基 础设施 建 设力 度 在全 国各地 的 日益 加 大 。中 国挖 掘 机 市场 进 入蓬 勃 发 展 阶段 。据 统 计 ， 目前 全 国挖掘 机 拥有 量 近 １０万 台 ， ０
一
已经 达 到 ３ ２亿 多 吨标 准煤 ， 原油 进 口对 外 依存 度 达 到
５ ％左右 。石 油 消费 主要领 域是 石油 化工 。 通运 输 和 ５ 交 工程 机械 等 。工 程 机械 。 特别 是挖 掘机行 业 的原 油消 费 是 不 可忽 视 的一 个 重要 方 面 。如 何坚 持 节 能 、 环保 、 低 碳 工程 、 用 新 的纯 净 绿 色可 再 生能 源 系统 ． 应 已经 成 为 挖 掘机 行业 发展 必须 面对 的课 题 。
程度 上抵 消 了采 用这种 技术 所能取 得 的节 能效 果 。
这 种 系统 的另 一个 缺点 是 ， 由于能 量转换 环 节 多 ， 导 致 系统 趋于 复杂 ．技 术要 求 也相 应提 高 ，如 电池 寿
是 指 采 用 这 种 措 施 可 以使 液 压 泵 按 负 载所 需 提 供 能 量 ，尽 量减 少 液压 泵输 出的多 余 能量 。 目前 主要 有 负 流 量 控制 、 流 量控 制 和 负 载敏 感 控 制 等 方 法 。 负 流 正
液压挖掘机节能措施及混合动力系统方案
液压挖掘机节能措施及混合动力系统方案
姜继海;于安才;沈伟
【期刊名称】《液压气动与密封》
【年(卷),期】2012(032)009
【摘要】针对挖掘机运行过程中所产生的各种功率损失,分析了现有挖掘机系统的优缺点,综述了挖掘机液压系统节能措施的现状.根据液压泵/马达四象限的工作特性和液压变压器的特点,提出了基于回转装置和基于CPR网络的液压混合动力挖掘机系统的设计方案,采用液压泵/马达回收挖掘机回转/旋转运动制动动能,采用液压变压器回收挖掘机直线运动势能,实现发动机——液压泵——负载之间的合理匹配,能够解决现有挖掘机的传动效率和能量利用率低的问题.
【总页数】4页(P75-78)
【作者】姜继海;于安才;沈伟
【作者单位】哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150080;哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150080;哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150080
【正文语种】中文
【中图分类】TH137.1
【相关文献】
1.液压挖掘机混合动力系统控制策略研究 [J], 张大庆;陶海军;龚俊;刘昌盛;赵喻明
2.液压挖掘机并联混合节能动力系统多目标优化控制策略 [J], 崔宁;秦四成;赵丁选
3.液压挖掘机混合动力系统优化控制策略 [J], 敬奇锋;谭业发;高立;董贵杨;杨自双;何家周;雷建成
4.一种液压挖掘机并联式混合动力系统结构及控制策略 [J], 何清华;刘昌盛;龚俊;张大庆;赵喻明
5.液压挖掘机混合动力系统节能特性及试验研究∗ [J], 刘昌盛;何清华;龚俊;赵喻明因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
节能技术在挖掘机液压系统上的应用分析解读
节能技术在挖掘机液压系统上的应用分析Energy savings technology on excavator hydraulic system王玉林1，黄鸣辉1，张军2WANG Yu-lin, HUANG Ming-hui, ZHANG Jun（1. 常林股份有限公司，江苏常州 213002；2.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安 710054）液压挖掘机属于高能耗的工程机械，大部分功率损失于液压元件的节流和溢流调节，因此节能研究成为挖掘机研究的热点。
电子节能及控制技术成为液压挖掘机技术发展的主要方向，一方面围绕挖掘机各重要环节，采用混合动力、电喷发动机、正流量控制、负流量控制等技术提高动力源、传动系统和执行机构三个环节的效率；另一方面围绕液压挖掘机整机的性能匹配进行展开，根据工作装置和用途的不同采用分工况、分功率控制的方法，提高整机的动力性、经济性和操作性。
挖掘机主要由发动机、液压系统、控制系统和工作装置构成，其中工作装置的国产化已基本完成，而发动机和液压系统均采用进口产品，因此各主机厂的节能研究主要是采用相关技术提高发动机以及发动机与液压系统匹配的利用率。
目前市场上主流的中型挖掘机仍然以机械调速发动机和负流量的液压系统为主，探讨在此基础上的节能研究具有较大的现实意义。
本文以福马公司近年新开发的21t挖掘机ZG3210-9C为对象分析其节能技术的应用。
该机采用康明斯6BTAA5.9-C150发动机和川崎公司KMX型多路阀和K3V液压泵组成的液压系统，通过降低发动机能耗、改进控制系统性能、改善发动机与液压系统的功率匹配等方法，积极开展节能减排的研究，经整机试验发现比普通机型节省燃油消耗15％左右，取得了良好的效果。
1控制系统功能改进1.1设定经济挡位，充分利用发动机低油耗区发动机工作在高转速时，由于曲轴高速旋转，活塞与气缸的磨损加剧，将有更多的能量消耗在摩擦上，导致能量利用率较低。
基于混合动力液压挖掘机的特点及其实际应用研究
随着 石 油 资 源 的 日益 紧 缺 以及 电 力技 术 的 日益 进 步 ， 目前 ， 油 电混 动 力 液 压 挖 掘 机 ， 并联混合动力液压挖 掘机具有系统 简单、 耗 费 成 本 低 合 技 术 得 到 了越 来 越 Ｊ 泛 的认 可 。尤 其 在 大 型 工 程 机 械 设 备 中 ， 油 电混
【 文章编号 】 １ ０ ０ ４ — ７ ３ ４ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ — ０ ３ ０ １ — ０ ２
基于混合动力液压挖掘机的特点及其实际应用研究
刘 和 余
［ 日立建 机 （ 中 国） 有 限公 司 安徽 合肥 ２ ３ ０ ０ ０ ０ ］
摘
要： 混合动力是 指油 电混合或者 油液混合作 为动 力。但 在大部分情况 下， 混合动力是 指油 电混合 。目前大多数混合动 力液压
挖掘机使 用的都是油 电混 合技术 。混合 动力液压挖掘机 的类型Байду номын сангаас要包括 并联混合动 力液压挖 掘机 、 串联混合动力液 压挖掘机 以及混 联混合动 力液压挖掘机 。混合动力液压挖 掘机与普通挖 掘机相 比， 具有 动力足 、 节 能性 好、 更环保 、 效率高、 性能强 、 噪音 小等特 点 。正 是这些特 点使得混合动 力液压挖掘机在 实际应用 中越 来越 广泛 ， 例如 神钢液压挖 掘机 以及 小松 混合动 力液压挖掘机 等。本文主 要分 析通过 并联、 串联 式 以 及 混 联 式 三 种 混 合 动 力 液 压 挖 掘 机 的 特 点及 实 际 应 用 来 研 究 基 于 混 合 动 力 液 压 挖 掘 机 的 特 点 及 其 实 际应 用 。
ｌ 混合 动力 液压 挖掘机
混合动力液压挖掘机节能的研究
发了Ｅ Ｏ ｘ７ Ｂ混合 动 力挖 掘机 ，其节 能 效 果在 ２ ％ ５
～
４ ％ 之 间 。２ ０ ０ ０ ６年 和 ２ １ ０ ０年 日本 神 钢 分 别 开
发了 Ｓ ０ Ｋ７ Ｈ试 验机 和 Ｓ ８ Ｈ 混合 动力挖 掘机 ，据 Ｋ０
验。
目前 国 内外 很 多 挖 掘 机 厂 家 和 科 研 单 位 都 对 混合 动力挖 掘机 进行 了研 究和开 发 ，并 且有 一部 分 厂家 已经 推 出了相关 机型 。
随着 同外 混 合 动 力 挖 掘 机 的推 出 ，国 内厂 家 和科研单 位也 纷纷加 入 了混 合动 力系统 的研究 ，有
型 混 合 动力 挖 掘 机 ，其 节 能效 果 ２ ％左 右 ； 工 ０ 柳
推 出 了 ９ ２ ｈ ｂｉ 混 合动 力挖 掘机 ，其 节 能效 ２ Ｄ ｙ ｒ ｄ型 果 为 ３ ％ 左 右 。另 外 德 尔 重工 （ 州 恒 天 ）还 推 ０ 徐 出 了 Ｄ Ｒ ２ — Ｈ 型油 液混 合动 力挖 掘机 ，利用 蓄 Ｅ ３３ ８
Ｓｔ ｙ ｏ ａ ｉ ｎｅ ｇ ｆｈｙ ｒ ｄ ｈｙ ａ ｌｃｅ ｃ ｖ ｔ ｒ ｕｄ ｎ ｓ ｖ ｎｇ ｅ ｒ ｙ ｏ ｂ ｉ ｄｒ ｕ ｉ ｘ ａ ａ ｏ
ｗ Ｕ Ｗｅ — ａ ，ＫＥＪａ ，Ｌ ｅ，ＱＩ Ｊａ ｎｈｉ ｉｎ Ｉ ｉ Ｐ Ｎ ｎ ｉ
我 国科 技 部 ２ ０ ０ ８年 组 织 了 “ 十一 五 ”８ ３计 ６
９ ０
建荒 缸娥
２ 主 要 原 理
混合 动力 挖 掘机 按 动力 混合 的种类 有油 电混合 和油液混合两类 ，油电混合动力 为发动 机和 电池 （ 或 超级 电容 ）提供动力 ； 液混合动力 以发 动机 和蓄能 油
液压挖掘机节能控制系统设计与研究
ｏ ｆ ｅ ｘ ｃ ａ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ， ｔ ｈ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｙ ｇ ｓ ａ ｖ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｅ ｘ ｃ ａ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｊ Ｒ ＣＣ ３ ０ ０ ｃ ｏ ｎ —
ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｉ ｓ ｖ ｅ ｒ ｙ ｌ ｏ ｗ ｅ ｒ ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｓ ａ ｈ ｕ ｇ ｅ ｗａ ｓ ｔ ｅ ｏ ｆ ｅ ｎ ｅ ｒ ｙ． ｇ Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｙ ｇ ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ
ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｂ ｙ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｙ ｒ ｏ ｆ ｗｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｎｄ ｄ ｉ ｅ ｓ ｅ ｌ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ — ｐ ｕ ｍｐ ｍａ ｔ ｃ ｈｉ ｎｇ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ １ ． Ｔｈ ｅ ｓ ｙ ｓ — ｔ ｅ ｎ ｒ ｈａ ｓ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｔ ｈ ｒ ｏ ｔ ｔ ｌ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｅ ｓ ｅ ｌ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ — ｐ ｕ ｍｐ ｍａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ １ ． Ｉ ｔ ｈ ａ ｓ
・
９ ０・
《 测控技 术） ２ ０ １ ３ 年第 ３ ２卷第 ｌ ２期
液压挖掘机节能控制方案的组合优化
混合动力液压挖掘机液压
。
中图分类号：ＴＨｌ３７
将电能储存在电池或电容当中。
Ｕ 日【Ｊ舌厂丑
液压挖掘机在工作过程中，动臂、斗杆和铲斗 的上下摆动以及回转机构的回转运动比较频繁，又 由于各运动部件惯性都比较大，所以减速制动时会 释放出大量的能量。这部分能量通常都消耗在液压 阀的阀口上，不仅浪费了能量，还会导致系统发热 和元件寿命的降低。为了减少能量损耗和系统发热 量，提高元件的寿命，能量回收成为液压挖掘机节
如图８虚线所示，马达回收的操控性能受三方 面因素的影响：液压执行元件的外部载荷、液压执 行元件和回收马达的泄漏以及发电机的速度刚度。
马达回收的操控性能主要体现在速度控制性 能和抗干扰性能两个方面。 ３．２．１速度控制性能
速度控制性能是指执行元件运行速度与控制 系统目标速度的符合程度。一方面表现在执行元件 对缓变信号的跟随性能，另一方面表现在执行元件
机，与发动机共同驱动负载的工作
电流
Ｃ——节点容量
厶＝（％一玑）／‰
（５）
式中魄和‰分别为电池的开路电压和内阻，是荷
图３液压马达能量回收仿真系统图
如图３所示，左侧为双泵驱动的混合动力液压 挖掘机简化系统，其４个执行元件的回油没有直接 回油箱，而是接到图右下方马达能量回收系统中液 压马达的进油口。马达经减速器Ｒ带动发电机Ｇ发 电，其电能经变频器１２整流并储存在电池当中，系 统需要时，电池中的电能释放出来经变频器输送给 电动机Ｇ／Ｍ，为发动机Ｅ提供辅助动力。
能量回收的仿真模型，对各执行元件的可回收能量所占比重和系统的节能效果进行仿真计算。搭建混合动力液压
马达能量回收试验台，进行能量回收过程中的能量转化效率和操控性能的试验研究。试验和仿真结果表明，在混
合动力液压挖掘机系统中采用马达能量回收和发电机转速控制执行元件运动速度的节能方案是可行的。
一种液压挖掘机最优能耗的轨迹规划方法
2024年第48卷第3期Journal of Mechanical Transmission一种液压挖掘机最优能耗的轨迹规划方法张韵悦孙志毅孙前来王银杨江涛（太原科技大学电子信息工程学院，山西太原030024）摘要为了降低液压挖掘机的运动能量消耗，实现各关节的合理有效作业，提出了基于T型速度曲线的关节插值方法，以实现液压挖掘机最优能耗轨迹规划。
该方法将各关节的速度设定为匀加速、匀速和匀减速的形式以保证液压挖掘机在作业过程中的平稳性，以关节角度、角速度和角加速度为约束条件，利用改进的自适应遗传算法优化求解各关节的匀加（减）速和匀速运动时间，获得了各关节最优运动曲线，实现了液压挖掘机最优能耗轨迹规划。
对基于T型速度曲线的插值规划方法进行仿真实验，并在相同条件下与四次多项式插值结果进行了对比。
结果表明，该方法规划的轨迹能耗低，避免了各关节产生不必要的运动，有效减少了摩擦损耗，使得挖掘机可平稳、低能耗地完成作业。
关键词液压挖掘机T型速度曲线轨迹规划最优能耗A Trajectory Planning Method for Optimal Energy Consumption of theHydraulic ExcavatorZhang Yunyue Sun Zhiyi Sun Qianlai Wang Yin Yang Jiangtao(School of Electronic Information Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)Abstract In order to reduce the movement energy consumption of the hydraulic excavator and realize the reasonable and effective operation of each joint, a joint interpolation method based on a T-type velocity curve is proposed to realize the optimal energy consumption trajectory planning of the hydraulic excavator. In this meth‑od, the speed of each joint is set as uniform acceleration, constant velocity, and uniform deceleration to ensure the stability of the hydraulic excavator in the operation process. Under the constraint conditions of the joint an‑gle, angular velocity, and angular acceleration, the improved adaptive genetic algorithm is used to optimize the uniform acceleration (deceleration) and constant velocity motion time of each joint, obtain the optimal motion curve of each joint, and realize the optimal energy consumption trajectory planning of the hydraulic excavator. The interpolation programming method based on the T-type velocity curve is simulated and compared with the interpolation results of the quartic polynomial under the same conditions. The experimental results show that the trajectory planned by this method has low energy consumption, avoids unnecessary movement of each joint, ef‑fectively reduces friction loss, and makes the excavator complete the operation smoothly and with low energy consumption.Key words Hydraulic excavator T-type velocity curve Trajectory planning Optimal energy con‑sumption0 引言液压挖掘机作为应用广泛的工程机械，在抢险救灾、交通运输以及土木建筑等行业发挥着极其重要的作用。
基于混合动力液压挖掘机系统优化设计的研究
Internal Combustion Engine &Parts0引言近年来，我国现代工业的飞速发展，使得工程机械种类及数量得以逐年增加，当然，人们在制造大量工程机械过程中也损耗了非常庞大的资源，而且更令人痛心的是工程机械在使用过程中会排放大量有害于环境的污染物，从而加剧了环境污染形势。
现阶段，人们愈发重视自然环境的保护，这也使人们对工程机械使用的节能性提出了更高的要求，以此更好促进我国现代化社会的可持续发展。
无论是国内，还是国外，都日益关注和重视工程机械在使用过程中的尾气排放及其噪声污染问题，为了解决这些问题也出台了许多具有约束力的规章制度，因此，这也将促使我国在工程机械领域发展中变得更加节能、环保。
本文便对基于混合动力液压挖掘机系统的优化设计工作开展深入的研究。
1我国对混合动力液压挖掘机系统的研究情况就目前来看，我国在研究工程机械的节能性及环保性等方面，正致力于使相关元器件具备更高的性能，并对液压系统的构造进行优化与改进，使动力和负载阻抗得以合理匹配，进而起到节约能量输出的作用。
不过，国外也对上述内容开展了许多具有成效性的研究，但无论是国内还是国外，其研究效果都比较差强人意。
除此之外，科学技术的飞速发展，再加上节能环保理念正逐渐成为社会发展中的主流思想，使得更多先进的驱动技术得以产生，例如，汽车数量的增多使得油价逐年上涨，而为了减少汽车的尾气污染，同时降低汽车能耗，这也使人们开始致力于研究混合动力技术，该技术得以被成功应用于汽车领域，从而为汽车制造商创造了极大的经济效益，并且也为整个社会发展的节能减排做出了巨大贡献，更重要的是其他领域也能由此获得启发，并努力向着节能减排的方向进行发展，在工程机械领域中也同样如此，混合动力技术得以被进一步应用于该领域中。
在工程机械领域中，由于液压挖掘机在使用过程中的油耗较高，而且尾气排放量大，因此必须要采取相应的节能措施来降低其能耗，减少尾气排放量，而混合动力技术则无疑是一种绝佳的解决途径。
液压挖掘机节能控制技术的研究
液压挖掘机节能控制技术的研究一、概述液压挖掘机作为现代工程机械的重要代表，广泛应用于建筑、矿山、水利、交通等多个领域。
随着能源紧缺和环保要求的日益严格，液压挖掘机的节能控制技术成为了行业关注的焦点。
本文旨在探讨液压挖掘机节能控制技术的研究现状、发展趋势及应用前景，为液压挖掘机的高效、节能运行提供理论支持和实践指导。
液压挖掘机节能控制技术的研究涉及多个方面，包括发动机与液压系统的匹配优化、能量回收与再利用技术、智能控制策略等。
通过优化发动机与液压系统的匹配关系，可以减少功率损失，提高整机效率能量回收与再利用技术则可以将挖掘机在作业过程中产生的多余能量进行回收并再利用，从而降低能耗智能控制策略则可以根据挖掘机的实际工况和作业需求，实时调整挖掘机的工作参数，实现节能降耗。
目前，国内外学者在液压挖掘机节能控制技术方面已经取得了一系列的研究成果。
由于液压挖掘机作业环境的复杂性和多变性，以及不同用户对挖掘机性能需求的差异性，液压挖掘机节能控制技术仍面临诸多挑战和问题。
深入研究液压挖掘机节能控制技术，对于提高挖掘机的能效、降低运行成本、促进工程机械行业的可持续发展具有重要意义。
本文将从液压挖掘机节能控制技术的理论基础、关键技术、应用实践等方面展开论述，以期为液压挖掘机节能控制技术的发展提供有益的参考和借鉴。
1. 液压挖掘机在工程机械领域的重要地位液压挖掘机在工程机械领域的重要地位不可忽视。
作为现代工程机械的重要代表，液压挖掘机以其高效、灵活、适应性强等特点，在土方挖掘、矿山开采、道路建设、水利工程等众多领域发挥着关键作用。
液压挖掘机的高效性是其显著优势之一。
通过精确的液压传动系统和先进的控制系统，液压挖掘机能够实现快速、准确的挖掘动作，大大提高了工作效率。
同时，其强大的挖掘力和良好的稳定性，使得液压挖掘机能够轻松应对各种复杂工况和恶劣环境。
液压挖掘机的灵活性也是其受欢迎的重要原因。
液压挖掘机具有多种工作装置和附件，可根据不同的工作需求进行更换和组合，从而满足多样化的作业需求。
液压挖掘机混合动力系统其控制策略
液压挖掘机混合动力系统及其控制策略研究【摘要】液压挖掘机混合动力技术是降低挖掘机能耗和改善排放的有效技术方案，本文针对混合动力液压挖掘机的动力系统根据其典型工况运用控制策略进行研究，优化了混合动力液压挖掘机动力系统的工作性能和燃油经济性。
【关键词】混合动力；并联式；工作点；控制策略液压挖掘机是一种典型的工程机械，广泛应用于各种土石方作业。
常见的工程机械如液压挖掘机、推土机、装载机、起重机械以及路面机械中，挖掘机在使用频率和工作量上都居于前列。
然而，随着全球对节能环保的愈加重视，工程机械的能耗和排放已成为国家重点关注的内容，液压挖掘机等工程机械作为耗油大户，为其节能、减排成为一项主要任务。
为实现这个目标，使用混合动力系统是目前行之有效的方法。
混合动力系统由多个动力源组成，通常以发动机作为主动力源，其他装置作为辅动力源，通过主、辅动力源的配合，使发动机工作在高效燃油经济区内，从而在根本上降低油耗，减少废气排放。
目前应用的混合动力系统有混联式、串联式和并联式三种。
混联式混合动力系统较为复杂，对可靠性和控制策略都提出了很高的要求；并联式和串联式混合动力系统相对简单，但串联式系统发动机的能量要经历两次以上的转换环节，期间的能量损失很大；与串联式相比，并联式系统在减少燃油消耗、改善发动机工况、降低装机功率等方面都更有优势，因此可选择并联式为液压挖掘机混合动力系统的驱动方式。
液压挖掘机混合动力并联式系统中，柴油发动机和电动/发电机共同驱动负载，平衡外负载扭矩。
普通液压挖掘机中，由于外负载波动大，而柴油发动机作为唯一的动力源，其转速和扭矩也不断产生大的波动；并联式混合动力挖掘机中，柴油发动机和电动/发电机都是动力源，其中柴油机是主动力源，电动/发电机是辅动力源。
由于电动/发电机工作效率高，响应速度快，所以电动/发电机主要用于平衡外负载的波动，让柴油机所受负载平稳，工作在高效燃油点，从而达到节能减排的目的。
混合动力并联式系统控制策略主要由动力系统总控制、柴油机控制、电动/发电机控制以及镍氢电池组估算组成，其作用是在外负载扭矩高于柴油机高效工作点扭矩时，控制电动/发电机作为电动机来用，消耗电能来驱动外部过大负载；在外负载扭矩低于柴油机高效工作点扭矩时，控制电动/发电机作为发电机来使用，此时，柴油机过剩能量通过发电机存储于电池组中。
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第15卷第1期计算机集成制造系统Vol.15No.12009年1月Computer Integrated M anufacturing SystemsJan.2009文章编号:1006-5911(2009)01-0188-09收稿日期:2008-01-22;修订日期:2008-06-18。
Received 22Jan.2008;accepted 18June 2008.基金项目:浙江省重大科技攻关资助项目(2006C11148,2007C21060)。
Founda tion item:Project supported b y the Key Technologies R&D Pro-gram of Zhejiang Province,China(No.2006C11148,2007C21060)。
作者简介:王冬云(1981-),男,江西吉安人,浙江大学机械与能源工程学院博士研究生,主要从事混合动力工程机械节能的研究。
E-mail:zdw dy@ 。
基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案研究王冬云,潘双夏,林 潇,管 成(浙江大学机械与能源工程学院,浙江 杭州 310027)摘 要:为进一步提高液压挖掘机的节能效果,提出了以混合动力源代替单一柴油机动力系统的新型节能方法。
通过分析液压挖掘机的工况特点和发动机工作点波动情况,证明了混合动力技术在液压挖掘机节能中的必要性和可行性。
建立了5t 级串、并联混合动力挖掘机的仿真模型,并以采集的同等级动力配置的液压挖掘机工作负载作为仿真的载荷谱。
以模型仿真和试验测试为研究手段,对比分析了原型系统和串/并联混合动力系统的节能效果、系统成本和动力性能,得出了并联式混合动力系统是目前最适合液压挖掘机的节能方案的结论。
仿真和试验结果表明,该方案能进一步提高液压挖掘机的节能效果。
关键词:混合动力技术;串联/并联;挖掘机;液压系统;节能中图分类号:T H 137 文献标识码:AEnergy saving scheme of hydraulic excavators based on hybrid power technologyW A NG D ong-yun,PA N Shuang-x ia,L I N Xiao,GU A N Cheng(Colleg e of M echanical &Energ y Engineering ,Z hejiang Unive rsity ,H ang zho u 310027,China)Abstract:To further improve fuel efficiency of hydraulic excavators,a new energy saving scheme w hich used the hybrid pow er source to replace the conventio nal single diesel engine was proposed.By analyzing the load co ndition of the hy draulic excavators and the distribution of the engine w orking point,the necessity and feasibility of hybrid technolo gy for hy draulic excavators were revealed.M atlab /Simulink models of the two kinds of hybrid excavator s were co nstructed which used the load data collected from a real 5t excav ato r as the load input.The energy saving effect,sy stem cost and po wer perfo rmance of the three kinds of power train sy stems were compared through simulation and parison results showed that the parallel configuration was the most suitable technology for hydraulic excavator s energy saving.It could improve en-erg y saving for hy draulic excavators.Key words:hybrid pow er techno lo gy ;series and par allel;e xcavato rs;hy dr aulic system;energ y saving0 引言挖掘机的传统节能方法主要集中于液压系统的改进,以及发动机与负载的功率匹配两个方面。
其中液压系统改进主要通过电液比例控制技术,提高液压系统性能,实现节能目标。
这类节能方案前后出现过正流量控制系统、负流量控制系统、负荷传感控制系统等。
日本小松用于其著名的PC 系列挖掘机上的开式中心负荷传感系统[1](Open Center Lo ad Sensing Sy stem ,OC LSS)即是负流量控制系统的典型应用。
OCLSS 的典型产品有Linde 公司的VW 系列同步控制阀和Rex ro th 公司的负载敏感多路阀(Load-independent throughput Distribu-tion V alve,LDV)[2]。
随着电液比例控制技术的进步,液压挖掘机的节能效果得到了显著的提高,目前液压系统效率已经高达80%。
但是其整机效率仍DOI ：10.13196/j.cims.2009.01.190.wangdy.004第1期王冬云等:基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案研究然很低,并且已很难通过调整液压系统来进一步提升工作效率。
发动机与负载的功率匹配研究[3]是很有前景的研究方向,主要通过调节发动机油门和液压泵排量来实现功率匹配,从而实现节能。
然而,由于传统挖掘机的固有动力结构很难实现全局功率匹配,要进一步大幅提高整机燃油效率,必须重新审视挖掘机的动力结构。
近年来,汽车节能控制领域兴起了采用混合动力的设计方法,并已经生产出了民用化的混合动力汽车。
其典型代表有本田的insig ht,丰田的prius 。
尤其是本田insight,其手动五档变速车创造了3L 汽油行驶105km 的纪录。
混合动力技术在汽车上的成功应用,给各个领域的节能和环保研究注入了新的生机。
尤其在工程机械领域,传统的液压挖掘机节能技术遇到瓶颈,应用传统的节能方法已很难在节能效果上取得突破。
国外多家大型挖掘机研究机构和制造厂商已经开展了一系列有关混合动力液压挖掘机的研究,并在系统结构、控制策略、整机配置上取得了一定的进展[7-10]。
而国内由于受到相关技术的制约,基于混合动力设计方法研究液压挖掘机的节能控制尚处于起步阶段[10]。
本文重点研究混合动力技术在液压挖掘机上的适用性,提出了串/并联混合动力结构,并对其节能效果、系统成本和动力性能进行了深入对比研究。
1 液压挖掘机工况分析及混合动力技术适用性研究111 液压挖掘机工况分析液压挖掘机由行走机构、回转平台、动臂、抖杆、铲斗、行走马达等工作装置组成,是一种集机、电、液和控制于一体的复杂系统。
原型系统连接结构如图1所示。
挖掘机工作呈现循环往复的周期性特点,如挖掘过程由挖掘、动臂提升、满斗回转、卸料、动臂下降,空斗回转等动作组成,每个动作又由多个关节复合完成。
表1所示为挖掘机一个典型工作循环作业过程,其中黑色阴影表示关节处于工作状态,白色表示处于停止状态,它不仅给出了一个挖掘循环中的时间分配,而且反映了各关节复合工作的全过程。
由于各关节工作所需的功率相差很大,且挖掘时土壤情况复杂,挖掘机工作时泵的出口压力波动剧烈,导致柴油发动机输出的功率波动范围很大,如图2所示。
图2为采集的5t 液压挖掘机在挖掘和平整两种工况下泵出口压力的波动曲线。
由于发动机与液压泵直接机械联接,泵出口压力的波动将直接导致发动机工作点的变化。
图3所示为两种工况对应的发动机输出功率波动曲线。
图4为普通5t 挖掘机发动机转速波动曲线,重载挖掘时设置发动机在重载工作模式,场地平整时设置发动机工作在中载模式。
图5为ZN485Q 柴油发动机的万有特性曲线,其中的调速曲线A A c ,189计算机集成制造系统第15卷BB c,CC c,DD c分别对应普通挖掘机的重载、中载、轻载和怠速四种工作模式,ge为柴油机的最经济油耗曲线,a,b,c三点分别对应相应工作模式下的最经济油耗点。
以重载模式为例,重载挖掘时,由于发动机本身的调速特性,其工作点分布于AA c上,从图3a中发动机输出功率波动情况和图4a中发动机转速波动情况可知,发动机的大部分工作点位于油耗率较低的A c附近(油耗率为300~350g/kWh之间)。
如果发动机工作点被控制在a点附近,油耗率为230g/kWh 左右,燃油效率将明显提升。
112液压挖掘机混合动力技术适用性研究采用何种节能控制方法提高发动机实时工作点与最经济油耗线的拟合度,是液压挖掘机节能研究的一个重要方向。
混合动力技术是否适用于液压挖掘机,主要从以下几个方面衡量:¹节能效果;º挖掘机的动力性能;»成本增加幅度。
这里首先对混合动力挖掘机节能的可行性进行初探。
由上一节对挖掘机的工况分析可知,普通挖掘机的燃油效率低主要是因为负载的频繁剧烈波动,导致发动机工作点不稳定且大多分布于高油耗区域。
混合动力技术通过多动力源组合,特性不同的各个动力源相互弥补,实现高效的整体工作特性。
混合动力挖掘机采用柴油发动机、电动机和镍氢电池(NIM H)组三者作为动力源。
采用电动机与动力NIM H电池组的辅助动力源具有功率密度高、速度特性好的优点,能弥补柴油发动机速度剧烈波动时效率低、动力特性欠佳的缺点,在发动机与负载之间起削峰填谷作用,可以缓和发动机负载的波动,稳定其转速。
图6所示为试验台采集的5t串、并联混合动力挖掘机在重载挖掘工况下发动机的速度波动曲线。
可见采用混合动力技术将发动机的转速波动限制在很小的范围,在较大程度上稳定了发动机的工作点,发动机工作点的稳定,以及转速波动的减少将大幅度提高发动机的燃油效率。
另外,需要说明的是由于混合动力系统增加了电动机和动力电池组的能量转换环节,这将影响整机燃油经济性,但是随着材料科学和电力电子技术的进步,电池组和电机的能量转换效率都达到很高的水平,根据合作单位提供测试数据动力190第1期王冬云等:基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案研究NIM H 电池的充电效率达到72%,而电机的效率更在90%以上。