摘要：在工程施工的过程中，操作人员要频繁操作挖掘机，由于制动频繁，在工作过程中挖掘机会损耗大量的能量。将液压混合动力技术应用到挖掘机中，其回转系统的蓄能器能够回收制动回转过程中的能量。本文对液压混合动力的工作原理作出解释，并通过试验对挖掘机进行分析。液压混合动力能减少液压泵的损耗，降低液压马达的压力波动。并且能够实现高达75.86%的能量回收率，达到了节能的目的。
关键词：液压混合动力；挖掘机；应用
前言
液压蓄能器是液压混合动力的储能元件，它采用了新型混合动力技术。新型混合动力技术利用液压泵或者马达让蓄能器中的能源与车辆能源之间形成交互。就电动混合动力技术而言，液压传动混合动力技术具有更大的优势，因为它的功率密度更大，能存储更多能量，且在极短的时间完成能量释放。在负载频繁变化的环境中，新型混合动力技术的节能减排优势极其突出。也正是如此，国内外研究机构、生产企业大力研发新型混合动力技术。近年来，新能源汽车、公交、垃圾车等多种车型都运用了液压混合动力，据研究表明液压混合动力能够在一定程度上对燃油实现高效回收并利用。受工况的限制，液压混合动力在挖掘机上的应用研究较少。本文对液压混合动力的工作原理作出分析，并对其在挖掘机上应用的选型做出研究，希望能够对有关人员有所帮助。
1 液压混合动力的工作原理
液压泵-马达和液压储能器组成了液压混合动力系统的辅助动力装置，实现能量转换功能。车辆在制动过程中，元件泵和马达会以泵的工作形式动作，泵在车辆行驶过程中，在动能的作用下旋转，液压油被压入蓄能器中，车辆动能转换为液压能[1]。车辆启动或者加速过程中，需要足够的能量提供加速度，元件泵和马达将从泵的工作形式转化为马达的行驶工作，蓄能器快速释放高压油，提供足够的动能驱动马达工作。这一过程实现液压能转换为车辆动能。根据动力驱动方式，液压混合动力的动力传动方式可分为串联、并联、串并联。
1.1 串联式液压混合动力挖掘机
两种或两种以上的动力源为串联式液压混合动力挖掘机的动力传动系统同时或者单独提供动力。但在系统中，负载只受一种执行元件所驱动[2]。发动机、主减速、液压蓄能器、液压泵、马达组成了串联液压混合动力的传动装置。发动机和高压液压蓄能器为传动系统的两个动力来源。由于车辆制动和启动、加速需要保持动能和液压能的动态转换，因此两个液压泵/马达能够双向运行，其方向具备可逆性。连接主减速器的液压泵—马达是传动系统的执行元件，它驱动车轮的工作，连接与发动机的液压泵-马达传动系统的动力元件，它为系统提供动能。
1.2 并联式液压混合动力挖掘机
有两种或两种以上的动力源为并联式液压混合动力挖掘机的动力传动系统同时或单独提供动力。相对于串联式液压混合动力挖掘机来说，两个或两个以上相应的执行元件驱动并联式液压混合动力挖掘机的传动系统的负载[3]。发动机、主减速、液压蓄能器、液压泵-马达组成了并联式液压混合动力传动系统。在并联传动系统中，保留了挖掘机的动力传动链，并在原有基础上做出调整，增加了液压泵—马达以及液压蓄能器构成的辅助动力装置，实现能量再生，其驱动装置具备双动力。
2 液压混合动力挖掘机的工作原理
2.1方案的选择
在串联、并联、串并联驱动方式中，并联挖掘机的技术难度不高，传动装置结构简单，制造成本低廉。根据国内外的研究显示，串联以及串并联液压混合动力挖掘机的研究寥寥无几，在此次研究中，团队选择了并联驱动式[4]。并联式液压混合动力是对原有动力传动链进行改进，它是将液压回转装置以及液压能量再生装置进行并联。两个液压泵-马达和一个高压蓄能器构成了液压能量再生装置，挖掘机在刹车过程中的动能将由高压蓄能器存储或者释放。在并联式液压混合动力挖掘机中，其发动机和蓄能器的能量转换以及切换、驱动信号输出、刹车能量回收都由智能型中央电子控制器所控制。
3试验验证
挖掘机是作为工程车辆，其必须具备有多种功能。在工程中挖掘机常用于挖掘、挖沟、碎裂、填埋等多个工程。由于工程施工环境的多样性，工程土质各不相同，因此挖掘机的使用的方式和要求也存在偏差。为了有效控制油门开度和液压泵的排量，设计人员时常要根据挖掘机作业的工作环境和工程对挖掘机使用的要求，对发动机和液压泵进行优化。动力模式的选择要凭借动力模式开关，信号输入控制器，控制器对信号做出处理，再将控制电流信号输出。其动力模式不同，为了区别不同的模式，控制器输出电流值大小不同。只有这样电流值在经过电液比例压力阀时，输出的控制压力大小才会不同。本次实验模拟在重载模式下的20T挖掘机，实验内容如下：操作人员在五分钟内连续挖掘，以五分钟为一个周期，一共循环18个周期。记录下每个周期的参量变化。并对单个周期的参量变化进行分析便能获知整体情况。从技术人员记录的连续挖掘液压泵功率曲线图（图一）得知，在每个周期中，双泵的输出功率没有大幅度偏差，保持一致。
图一
单泵的输出功率在42 千瓦左右，双泵的输出功率在84千瓦左右。对各周期的功率损耗进行分析。从技术人员记录的单周期的输出功率曲线图（图二）中可以看出，在挖掘机启动阶段，液压系统输出功率变化剧烈；在满载动臂提升回转九十度的工况下，输出功率波动较为稳定；在卸载工况下，动力传动系统输出的功率波动较大；挖掘机在空斗回程状态下，输出功率不稳定，下降较快。对各项数据进行记录，并计算，最终得出蓄能器能量回收率可高达75.86%。
图二
结语
为了验证液压混合动力在挖掘机上应用效果，团队进行了试验。试验结果证明液压混合动力系统降低了功率损耗和压力波动。能量的回收率高达到75.86%，节能效果显著。
参考文献：
[1]董晗，刘昕，王昕，等.基于AMESim的液压混合动力系统节能特性[J].吉林大学学报（工学版），2013.43（5）：1264-1270.
[2]沈伟，姜继海.液压混合动力挖掘机的能量回收效率分析[J].华南理工大学学报（自然科学版），2012，40（1）：82-87.
[3]李军成，刘敬平，韩志玉——种液压混合动力车辆燃油经济性研究[J].中南大学学报（自然科学版），2011，42（1）：80-86.
[4]王冬云，潘双夏，林潇，等.基于混合动力技术的液压挖掘机节能方案研究[J].计算机集成制造系统.2009（1）：188-196.
论文作者:董春锋,崔新隆,魏贺,刘汉林
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/16
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