泰安市山立机械设备有限公司 山东泰安 271000
摘要：轮式装载机是典型工程机械机型之一，因操作灵活、作业效率高等优点被广泛应用。但传统装载机存在传动效率低、能耗高等缺点。目前混合动力技术是公认的解决装载机节能减排的有效措施之一。并联式混合动力装载机仍保留液力变矩器，导致传动系统的传动效率提高幅度较少。串联式混合动力装载机利用驱动电机的无级变速特性去除液力变矩器，使整体传动效率得到提高；且发动机与液压系统和传动系统无直接机械连接，可实现发动机长期处于高效区运行。本文基于快速控制原型对串联式混合动力装载机动力系统进行研究，为串联式混合动力装载机的整车开发做前期研究基础。
关键词：装载机；串联式油电混合；动力系统；试验平台
引言
随着整个世界范围内能源短缺和环境污染问题日趋严重，节能减排与绿色环保是当今工业发展的主流。各国政府不断出台政策法规以提高对机动车辆的排放指标限制，装载机节能减排问题的改善将是其生存和发展的前提条件之一。目前混合动力技术被公认为是解决能源短缺和环境污染问题的有效措施之一。目前，混合动力技术已经在汽车等领域取得了成功的应用，为工程机械技术革新提供了宝贵的借鉴经验。随着电力电子技术快速发展，串联式混合动力装载机技术可以通过控制驱动电机实现无级变速，从而去除液力变矩器，使整体传动效率得到提高。串联式混合动力装载机还可以实现发动机与液压系统和传动系统无直接机械连接，可以保证发动机一直处于高效区运行；另外若利用独立的电机分别驱动前后桥和液压系统工作，可以减少打滑现象的可能。因此接下来就串联式混合动力装载机动力系统的试验平台进行了研究。
1、混合动力装载机产品的国内外研究现状
1.1、国外研究现状
2003年，日立建机将混合动力系统首次运用到轮式装载机上，是世界上第一台混合动力装载机，但没有真正投入批量生产。然而，在2014年推出的ZW220HYB-5型装载机。发动机驱动一台电机和液压泵，行驶系统马达与作业机械的油压泵各自独立工作，通过油门踏板控制行驶系统，用操作杆控制工作装置的作业速度，实现分别控制。因此，与原来的机型相比，能够实现以较低速度行驶同时，工作装置以较快的速度进行作业。
2011年，美国的约翰·迪尔(JohnDeere)也在美国拉斯维加斯国际工程机械展会上展示了两款混合动力装载机，用于工程的约翰迪尔644K以及用于工程和采石场的944K型油电混合动力轮式装载机样机。644K混合动力装载机，其柴油发动机通过其控制策略可以实现发动机的恒转速运行，不但提高了效率，而且可以降低整机的磨损；采用三速变速器比传统机型少一个齿轮，无反转，采用电机正反转来实现装载机前进与后退；但是没有储能原件，多余电能通过电阻消耗。944K采用了双发电机和四个电动机的构型，具有四轮独立驱动及独立转向控制系统。在性能相同的条件下与传统轮式装载机相比，644K型混合动力轮式装载机可以降低油耗高达25%，944K型有望提高30%左右。644K型混合动力装载机于2013年开始销售，944K型混合动力装载机2013年开始研制。
1.2、国内研究现状
柳州重工是目前国内是发展混合动力工程机械的较早的企业之一，其自主研制的CLG862-HYBRID型混合动力装载机是我国首台自主研制的混合动力装载机，并于2010年的宝马展上首次亮相。该装载机所采用的混合动力构型是并联式油电混合，其发动机产生的机械能以及超级电容中所存储的电能通过ISG电机进行耦合，这款产品相对于传统的轮式装载机有着极其明显的节油效果。与此同时，徐工集团在2010年宝马展上推出了首台液压混合动力装载机。该设备具有能量回收系统，可以回收制动能量和动臂下降能量，其中制动能量回收，可高达75%。
由于国内工程机械相比于国外研究的比较晚，所以国内对工程机械相关元件和技术研究积累较少，传统工程机械的核心技术大部分掌握在国外一些企业。然而，混合动力作为新兴技术，特别是混合动力装载机国内对其技术的研究不比国外晚太多，并且从现在来看，差距也很小。尽管混合动力汽车技术已经较为成熟，且已有产品被推向市场，但是目前国内外混合动力装载机技术仍然处于研发阶段，各大厂商所推出的样机依旧有不完善的方面存在。也就是说，从全球的角度来看，各国对于混合动力装载机的研究均处于起步阶段，由此可见，只要把握住此次机遇，对于缩小我国与国外工程机械产品技术差距，同时提高国内产品的竞争力是一次绝好的机会。
2、串联式混合动力装载机动力系统设计与参数匹配
2.1、串联式混合动力装载机动力系统设计
2.1.1、混合动力装载机系统研究
混合动力装载机系统有很多分类方式。按照混合方式的不同可以分为：串联式、并联式和混联式混合动力；按动力耦合系统数学模型可分为：转矩耦合、转速耦合和功率耦合混合动力。按照动力源的不用可以分为：油电混合（发动机与蓄电池或超级电容混合）、油液混（发动机与蓄能器混合）、机液混（发动机与飞轮混合）。目前应用比较广泛，技术相对成熟的是油电混合，所以本文按照混合方式的不同油电混合进行比较分析，设计出符合要求的混合动力装载机结构。
2.1.2、串联式混合动力系统
串联式混合动力装载机系统结构示意图，如图1所示，由两个电能源向电动机供电，以驱动装载机行驶和工作装置工作。由发动机所发出的出动力全部用于驱动发电机进行发电，发电机根据装载机的不同工况将发电机所发出的电能分两路进行分配，一路对蓄电池组进行充电，另一路送给电动机驱动装载机行驶或是通过液压泵驱动液压系统工作。蓄电池可以接受来自发电机提供的电能或是制动能量回收的电能，也可将电能传递给电动机，驱动行驶系统和工作装置正常工作。
图1串联式混合动力系统结构示意图
2.2、动力系统参数匹配
2.2.1、系统参数匹配
系统部件参数相互约束、相互配合。所以，进行参数匹配时，要进行整体的参数匹配，不能只对单一部件进行参数匹配。使其在满足工作要求的前提下，提高效率，增加系统动力性和经济性。合理的参数匹配还能够使各元件得到合理利用，可以降低成本，减轻重量。因此，合理的参数匹配对系统的节能和成本的降低都有十分重要意义。
2.2.2、电机参数匹配
电动机的种类较多，应用的范围也十分广泛。然而，适应于混合动力系统电动机的种类相对较少，因为混合动力车的电动机要求较高，需要能够频繁的启停、具有较高变化率。按照有无换向器，混合动力中的电动机可以分为，有换向器和无换向器电机。
3、试验平台的快速控制原型搭建
3.1、xPCTarget环境搭建
在产品开发过程中，开发者可以利用xPC实时仿真系统进行产品原型
论文作者:刘加旺
论文发表刊物:《防护工程》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/17
标签：混合动力论文; 装载机论文; 串联式论文; 系统论文; 发动机论文; 电动机论文; 工程机械论文; 《防护工程》2017年第18期论文;