混合动力挖掘机

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:为了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传统单一柴油机动力系

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、串/并联混合动力系统的节能效果、系统成本和动力性

能，提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;串联/并联;液压挖掘机;节能

中图分类号:TH137 文献标识码：A

Research on the energy saving scheme of hydraulic excavator based on hybrid technology

WANG Dong-yun,PAN Shuang-xia,LIN Xiao,GUAN Cheng

(Mechanical and Energy Engineering School, Zhejiang University, Hangzhou, 310027,China)

Abstract: In order to further improve fuel efficiency of hydraulic excavators, a new energy saving scheme that the hybrid power source replaces the conventional single diesel engine is proposed. After the load condition of the hydraulic excavators and the distribution of the engine working point were studied, the necessity and feasibility of hybrid technology for hydraulic excavator are demonstrated. The matlab/Simulink Models of the two kinds of hybrid excavators are developed which use the load data collected from a real 5t excavator as the load input. Based on the simulation and experiment methods , the energy saving effect ,manufacture cost and power performance of the three kinds of power train systems are compared. The results show that the parallel configuration is the most suitable technology for hydraulic excavator energy saving. It can achieve the goal of higher fuel efficiency and better system performance.

Key words: hybrid power train; series and parallel; hydraulic excavator; energy saving

0引言

伴随温室效应带来的全球升温现象，节能减排已经成为工程机械领域研究的迫切问题。传统的节能方法主要集中于液压系统的改进和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。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OLSS[1](open center load sensing system)系统即是负流量控制系统的典型应用。负荷传感控制系统的典型产品有Linde公司的VW系列同步阀[2]和Rexroth公司的LUDV阀[3]。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%。但是其整机效率仍然处于瓶颈之中，并且已

很难通过调整液压系统来进一步提升工作效率。发动机与负载的率匹配研究[4]是很有前景的研究方向，主要是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，必须对挖掘机的动力结构做重新审视。

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insight，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[8-12]。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[11]。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、系统成本以及动力性能进行了深入对比研究。文章第2部分研究了混合动力技术在挖掘机上的适应性，第3部分研究了混合动力结构，第4部分以台架试验和仿真研究为基础对串、并联混合动力结构与普通挖掘机三者进行了对比研究，第5部分是结论。

1液压挖掘机工况分析及混合动力技术适用性研究

1.1 液压挖掘机工况分析

本节重点阐述混合动力技术在液压挖掘机上的适用性。液压挖掘机由行走机构、回转平台、动臂、抖杆、铲抖、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、满抖回转、卸料、动臂下降，空抖回转等动作组成，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，而且反映表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，所以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，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供工作点的变化，如图 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 5 t 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AA’, BB’ CC’,DD’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’上，从图3(a)中发动机输出功率波动情况和图4(a)中发动机转速波动