论行走工程机械的液压混合动力技术

杨超

摘要：对比了行走工程机械与公路车辆的作业特点，分析了行走工程机械的节能潜力。针对其频繁起停、往复运动的作业特点，提出液压混合动力系统的节能方案，设计了再生制动策略和能量利用策略，开发了混合动力装载机和混凝土搅拌车样车。试验结果表明，行走机械液压混合动力系统能够实现各种工作模式的合理切换，有效地回收和再利用整机的制动动能，降低燃油消耗，提高整机的动力性能。

关键词：工程机械；液压混合动力；能量回收；液压泵/马达

液压混合动力作为混合动力技术的一个重要分支，具有功率密度大、可靠性高、容易实现正反转等优点，因此在工程机械的行走装置和军用车辆的驱动系统中显示出较强的可应用性。2004年，美国环保署(EPA)立项支持福特公司与Eaton等公司完成了首辆基于液压混合动力技术的运动型多用途车。由于液压混合动力技术带来的良好经济性、环保性及工程化推广的可行性，EPA正在将该项技术推广应用到其他种类的车辆上。2003年，日立建机生产出了世界上第一台混合动力驱动的轮式装载机，2008年沃尔沃研制出L220F型混合动力轮式装载机。为了提高下一代产品的竞争力和市场占有率，世界各大工程机械制造商纷纷开展了混合动力系统在工程机械上的应用研究。

行走工程机械的作业过程中存在频繁起停和往复运动，由于整机重量大，所以减速制动时会释放出大量的能量，这部分能量通常被转化为热能浪费掉，同时还会导致系统发热和元件寿命的缩短。因此，采用混合动力技术回收传统工程机械浪费掉的制动动能和重物势能成为节能降耗的一项有效措施。本文针对行走工程机械的作业特点，提出不同的液压混合动力节能方案，针对液压混合动力系统功率密度大的特点，提出了再生制动策略和能量利用策略，最后通过试验验证其有效性，为液压混合动力工程机械的研制和开发奠定基础。

1行走工程机械的作业特点

行走工程机械在运行的过程中，不仅使用频率高，而且还要持续往复运动。行走工程机械的整机重量是非常大的，当对行走工程机械进行制动的时候，就可以有大量的能量释放出来。这些所释放的能量会被转化为热能，还可以造成系统发热，由此而导致行走工程机械的各个部件使用寿命缩短。所以，对于行走工程机械设备采用混合动力技术，可以将传统的工程机械设备运行中所浪费的制动动能进行有效回收，重物势能也得到了节约，从而起到了节约能源，降低能源消耗的作用.

与普通的公路车辆相比，行走工程机械有属于其自身的作业特点，特别是在作业循环上有所不同。通常而言，轮式装载机的作业循环作业的时候，速度是比较低的，叉车的作业速度也相对较低，都没有超过20公里/小时。从作业周期上来看，两者的作业周期都是非常短的，但是，制动的频率非常高，而且制动的周期会不断地变化着。当轮式装载机处于高速运转状态的时候，其处于最大速度，制动减速度就可以达到3米/秒。

2液压混合动力系统

根据行走工程机械传动装置的特点，可以采用不同动力配置的液压混合动力系统。串联式液压混合动力叉车主要由发动机、液压泵马达、蓄能器和液压泵组成，。串联式结构实现了发动机与车轮间无直接机械连接，可保证发动机始终工作于最佳燃油经济区，发动机输出功率与整机需求功率的差值由液压混合动力系统来提供或者吸收。通过控制液压泵马达的排量可实现轮边独立驱动，制动或下坡时可回收叉车的惯性能。

并联式液压混合动力装载机主要由发动机、液力变矩器、变速箱、液压蓄能器、耦合器和液压泵/马达等组成。发动机的动力一部分通过液力变矩器和变速器驱动行驶机构，实现装载机行驶，另一部分通过液压油泵驱动液压油缸，实现转向和装载工作。液压泵/马达、液压蓄能器和耦合器等构成液压再生系统，与发动机一起形成双动力驱动系统。在装载机制动时，变速器后离合器断开，液压泵/马达工作于泵工况，回收车辆的制动能，并将其存储于高压蓄能器中。在装载机起动时，液压泵/马达工作于马达工况，利用回收的能量为装载机提供辅助功率，实现余能的再次利用。在装载机铲掘时，液压泵/马达工作于马达工况，为装载机提供辅助牵引功率，有效抑制发动机掉转现象，保证使发动机工作于最佳燃油经济区，减少液压工作系统的溢流损失。

3能量控制策略

混合动力工程机械的控制策略包括再生制动和能量利用策略。再生制动通过控制混合动力系统的动力元件，将制动时耗散的动能进行回收；能量利用策略负责整机能量分配和动力系统的控制。

3.1再生制动策略

液压混合动力工程机械的制动转矩分为液压泵/马达提供的液压再生制动转矩和传统的制动器提供的摩擦制动转矩两部分，两者之和为总的制动转矩。在制动过程中，液压泵/马达工作在泵工况，把整车动能转换成液压能存储于液压蓄能器中，实现整车能量回收，同时通过传动系统对车轮产生制动力(再生制动力)，整机的制动力Fｂ可表示为

(1)

式中:Fｈｙｄ为液压再生制动力；Fｆｒｉ为摩擦制动力；j为制动减速度。

3.2能量利用策略

混合动力工程机械启动的时候，可以根据存储能量的方式操作液压蓄能器向混合动力工程机械提供能量，以提高传动系统的运行效率。当混合动力工程机械处于空载运行状态的时候，就可以对发动机的运行状态进行调整，时期处于最佳燃油经济。当发动机运行中释放出多余的能量的时候，就可以使用液压蓄能器对这些能量进行回收。从而使得整机的工作效率有所提高，同时还提供辅助功率使得发动机的云状速度加快。当混合动力工程机械为全动力驱动的时候，液压蓄能器就会将辅助牵引功率提供出来，以对发动机运转中所使用的能量予以补充，同时还可以确保发动机在最佳燃油经济区运行。

4试验

试制液压混合动力装载机和液压混合动力混凝土搅拌车两种样机，进行制动能回收和再利用试验研究，混合动力装载机平均制动车速较低(10km/h)，路阻大，再生制动过程中，蓄能器压力仅由13MPa升高到14.2MPa，压力变化幅度小；混合动力混凝土搅拌车平均制动车速较高(35km/h)，路阻小，再生制动过程中，蓄能器压力由17.8MPa升高到26.4MPa，压力变化幅度明显，能量回收率高。不同车速下的装载机制动能回收的曲线表明:制动速度高，整机可回收能量大，同时液压泵/马达又处于高效区，制动能回收率较高，蓄能器压力变化明显。制动速度低时(低于5km/h)，液压泵马达处于低效率区，同时由于路阻较大，制动能回收效率很低，虽然处于再生制动模式，但蓄能器压力基本不变。

储存时间越长，蓄能器压力下降幅度越明显，证明能量损失增加。蓄能器的保压时间长短决定了能量利用效率的高低，为了提高能量利用效率，回收的能量应在短时间内迅速应用，同时也可通过向蓄能器中添加泡沫的方法降低蓄能器存放能过程中的热损失，提高蓄能器的能量存储效率。

结束语

分析了行走工程机械的节能潜力，根据主机产品特点设计不同配置方式的液压混合动力系统，结合液压系统功率密度大的特点，设计了液压再生制动策略和能量利用策略，实时地控制混合动力系统的能量分配和制动能量的回收，实现混合动力系统的不同工作模式及模式间的动态切换。试制行走工程机械液压混合动力样机，对制动能回收进行了试验验证，重点分析了能量保存时间、车速等对节能效果的影响。试验研究表明，将液压混合动力技术应用于行走工程机械，可有效地回收整机的制动动能，降低燃油消耗，提高整机动力性能。

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