基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案研究

费树辉（徐工挖掘机械,江苏 徐州 221100）

基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案研究

费树辉
（徐工挖掘机械,江苏 徐州 221100）

摘 要：本文首先对液压挖掘机的工况进行了分析，以及探讨了混合动力技术在工程机械上的适用性，接着简要介绍了混合动力技术在液压挖掘机上的应用，具体包括其串、并联系统的工作原理，最后对基于混合动力技术的液压挖掘机的相关性能进行了评价，包括串、并联系统的综合性能分析、节能效果的对比和成本的对比。

关键词：混合动力技术；液压挖掘机；节能

0 引言

随着工程机械品种和数量的日益增加，工程机械消耗了极大的资源，并且其排放的污染物对环境造成了难以估计的影响。如今，环保节能受到了重视，为了实现可持续发展，国内外对工程机械的尾气排放和噪声问题日益重视，并提出了很多约束的管制，所以对于工程机械来说，研究节能环保的新型工程机械是大势所趋。目前对工程机械节能环保方面的研究，主要着眼于提高相关元器件的性能、改进液压系统的结构，以及动力与负载的阻抗匹配，以实现更好的能量输出等。但是这些方面的探索国内外已经进行了很多的研究，虽然获得了一定的成果，但是效果却差强人意。另一方面，随着科学技术的进步和节能环保理念的普及，现在出现了新的驱动技术，比如，随着油价的上升，汽车节能领域出现了混合动力技术，并成功应用于民用汽车上。汽车领域通过混合动力技术获得了很大收益，对节能环保也做出了巨大贡献，给其他领域带来了发展的方向，于是，混合动力技术在工程机械上的应用也就随之而来。

工程机械中，液压挖掘机的用量大、油耗高、排放差，为了降低液压挖掘机的油耗、提高尾气排放的质量，应用混合动力技术来解决这些问题就刻不容缓。混合动力技术的应用，有助于降低液压挖掘机系统的发热过大和整机的装机功率，而且在提高挖掘机动力系统效率和改善尾气方面具有显著的效果。我国多家挖掘机研究机构和企业，已经将混合动力技术的应用作为重点研究对象，目前也已经取得了一定的成果，降低了能耗和污染物的排放，提高了产品的竞争力，拥有一定的未来市场占有率。但是由于混合动力技术较为复杂，依旧有很多瓶颈问题没有得到解决，所以我国的相关研究还只是初步阶段。

本文浅析了混合动力技术在液压挖掘机上的应用，对其综合性能、节能效果及成本进行了探讨。

1 液压挖掘机工作过程的介绍

液压挖掘机是通过发动机带动液压泵工作，然后通过液压泵来驱动多路阀组及控制回路来实现某项功能的，如回转、行走、动臂、斗杆和铲斗等，结构原理图如图1所示，是一种集机电液为一体的复杂系统。挖掘机的工况具有周期性，如挖掘过程包括挖掘、提升动臂、斗满回转、卸料、动臂下降、空斗回转等，这一组动作为一个周期，这个周期的动作完成后继续重复下一个周期的动作。

2 混合动力技术应用于液压挖掘机的可行性研究

混合动力技术在液压挖掘机上应用有一些瓶颈问题，主要的衡量指标体现在以下几个方面：采用混合动力技术的节能效果、采用混合动力技术之后液压挖掘机的动力性能、成本增加的幅度。因为液压挖掘机工况的动作，可以分析出普通液压挖掘机燃油效率低的主要是因为负载的晃动引起的，动力与负载的不匹配导致发动机工作极不稳定，而且这种不稳定大都发生在油耗高的区域，而混合动力技术有效地解决了这个问题。混合动力的液压挖掘机一般配备柴油发动机、电动机和电池这三种不同的动力源，通过不同动力源之间的组合协调来对液压挖掘机进行驱动，实现较好的动力和负载之间的阻抗匹配，极大地提升了工作效率。

图1 传统液压挖掘机的结构原理图

3 混合动力液压挖掘机的工作原理介绍

混合动力液压挖掘机主要分为串联系统和并联系统两大类型，下面分别进行简要的介绍。

串联混合动力挖掘机的工作原理主要是：柴油发动机作为液压挖掘机的主要动力源，在发动机工作时，通过离合器与发电机相连，这样就可以将机械能转化为电能，发电机将提取的电能可用来给发电机控制器供电，然后发电机控制器再去控制电动机控制器，进而通过传感器和电动机来控制液压系统。因为最后驱动的电动机具有较好的调速性能，因此可用来驱动一些定量泵，进而实现液压系统高性能的调速。

并联混合动力挖掘机的工作原理主要是：柴油发动机还是液压挖掘机的主要动力源，在发动机工作时，通过离合器与发电机/电动机相连，这样就可以将机械能转化为电能来控制电动机控制器，进而通过传感器和离合器直接带动的电动机来控制液压系统。

综上所述，在混合动力液压挖掘机的结构研究中，串联系统和并联系统最大的不同点在于柴油发动机、电动机和液压系统之间的连接方式不同。

4 混合动力液压挖掘机的相关性能评价

4.1 串、并联系统的综合性能分析

目前研究的混合动力液压挖掘机主要就包括串联系统和并联系统，这两种系统有各自的优缺点，这里主要对其的综合性能进行简要的分析。

其中对综合性能的比较需要一个参考标准，因此为了保证比较数据的可靠，可直接对当前普通的液压挖掘机进行改造。应用混合动力技术，将普通液压挖掘机的系统改造成上述的串联系统和并联系统，其他的结构保持一致，这样就保证了液压挖掘机工作时的技术参数较一致。其中，混合动力液压挖掘机的技术参数包括：发电机的电流，电动机的电压，发动机/电动机的扭矩，系统目标的速度，电池电压，工作电流等。

影响混合动力液压挖掘机各项技术指标的因素较多，其中尤为重要的是动力总成的控制策略，这里就不再赘述。

串联系统和并联系统中的许多控制器都是通过电池组供电的，若是电池组供电出现问题，混合动力挖掘机也就随之瘫痪。因此，电池组容量的选择要遵循以下标准：

（1）电池组的容量与电动机要形成较好的匹配；

（2）电池组的使用寿命要得到保证。

4.2 节能效果与成本的比较

节能效果作为衡量混合动力液压挖掘机的一项重要指标，这里对其进行了一些探讨。这部分的比对主要是相关研究人员进行仿真得出的结果，如在同一时间内工作时，普通液压挖掘系统的油耗为540g，而串联系统的油耗才362 g，并联系统的油耗更是降低至330 g。从相对百分比的角度来说，对于普通液压挖掘系统而言，串、并联系统在节能效果上分别提升了36.1%和40.7% 。

采用混合动力技术对普通液压挖掘机进行改造，仅考虑综合性能、节能效果和环保意义是不够的，相关挖掘机生产厂家更注重的是改造的成本。试想，如果改造的成本远远大于节能的效果，即使政府大力提倡节能环保，相关挖掘机生产厂家也会无动于衷。因此这里探讨了混合动力液压挖掘机的改造成本和使用成本的问题，为相关厂家提供一些参考。

对于混合动力液压挖掘机，其制造成本主要是一些关键零部件的加工成本，而串联系统相比于普通液压挖掘机系统和并联系统，其关键零部件增加很多，大大增加了制造的成本。而在混合动力挖掘机的维护上，电池组的使用寿命是决定性因素。

5 结论

本文主要介绍了基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案的研究概况，首先对液压挖掘机的工况和混合动力技术在工程机械上的适用性进行了分析，接着简要介绍了混合动力技术在液压挖掘机上的应用，采用混合动力技术的液压挖掘机可以实现不管负载怎样变化，都能输出较为稳定的平均功率，解决了由于负载和动力不匹配带来的功率损失。最后，对基于混合动力技术的液压挖掘机的相关性能进行了评价，包括串、并联系统的综合性能分析、节能效果的对比和成本的对比。结果表明，与普通液压挖掘机相比，混合动力挖掘机虽然制造成本增加，但是在节能效果上具有明显优势。

参考文献：

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[2]张彦廷,雷西娟,王庆丰,肖清.混合动力液压挖掘机多泵驱动系统节能效果的仿真评价[J].工程机械,2008(02).

[3]刘昌盛,张大庆,蒋苹,谭青.工程机械混合动力技术的发展与应用[J].专题论述,2009(05).

[4]车明哲,佟琨,梁东伟,宋锦春.混合动力液压挖掘机节能液压系统仿真分析[J].冶金设备,2012(02).

[5]张大庆,陶海军,龚俊,刘昌盛,赵喻明.液压挖掘机混合动力系统控制策略研究[J].专题研究,2011(12).

作者简介：费树辉（1978-），男，江苏徐州人，中级工程师，研究方向：液压传动。