装载机液压节能系统设计及仿真

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装载机是我国产量较大的工程机械产品。由于装载机耗油量大，能源使用成本居高不下，开发节能环保产品已逐渐得到重视。目前使用的装载机液压系统采用柴油机 -液压泵 -多路阀 -执行元件驱动方案，柴油机按峰值功率进行匹配。

柴油机在大负荷工况具有较好的功率匹配；在空驶返回等小负荷工况时会严重脱离经济区，大部分时间功率偏大，燃油经济性差，排放大；如果按平均功率选择柴油机，则发动机过载和过热，不能实现全局功率的匹配 J。本文以常用的 ZLSO装载机为研究机型，探讨在装载机动力系统中引进油电混合动力技术和液压能量再生技术优化装载机柴油机、传动系统和液压系统的功率匹配，提高柴油发动机的工作效率，改善废气排放质量，节约能耗。

1 装载机混合动力系统方案设计1.1 辅助动力系统方案选择装载机采用混合动力技术的目的是为了降低能耗，优化发动机与传动系统、液压系统的功率匹配，减少排放。在油电混合动力系统设计方案中，以柴油发动机作为整机的主动力源，在柴油- 60 - 机动力输出单元中加装 ISG发电电动-体机 (以下简称电动机)；电动机和储能装置组成辅助动力系统。柴油机与电动机的连接有串联、并联和混联3种混合动力系统方案。串联方案全部能量需要经历 动能 -电能 -动能”的多次能量转换，节能效果不明显；混联系统结构复杂，装机成本高，实现难度较大 j。从能量转换效率、实现的复杂程度等综合考虑，选择柴油机与电机并联的混合动力系统方案。

1.2 装载机并联混合动力系统驱动方案设计并联式油电混合动力装载机动力传动系统(如图 1所示)主要由混合动力系统、底盘传动系统 (液力变矩器、变速器、后桥)和液压系统组成。液压系统包括工作装置液压系统 (液压泵、控制阀、动臂液压缸、转斗液压缸)和转向液压系统 (液压泵、转向阀、转向液压缸)两部分。

混合动力系统包括主动力源和辅助动力系统两部分。柴油机作为主动力源向动力系统提供大部分的动力支持；辅助动力系统由超级电容器、变频器和电动机组成，对动力系统起补充作用。柴油机与电动机并联共同驱动装载机底盘行驶系统、工作装置液压系统和转向液压系统；柴油机与电动机通过装载机电控系统进行合理功率匹配。根据装载机作业条件恶劣、负载波动大的特点，选《起重运输机械》 2013(8)电电流 J，( 1-灿 -kmoJ 二T)to/U式中：J、k 分别为回收马达和发电机的总转动惯量及粘性阻尼系数，u为电容的工作电压，为摩擦力矩。

I(，b Ig -lm)dtU L-- - - b - - 式中：，b为电容的放电电流，，瑚为发动机辅助动力电机驱动负载的电流，C为容量。

3 混合动力装载机动力系统能量仿真分析3.1 混合动力系统能量分析混合动力装载机作业过程中，发动机与 ISG电动机共同为装载机提供驱动力。驱动力-部分用于维持运转及驱动底盘行驶装置，克服行驶阻力，实现装载机的行走；另-部分用于驱动装载机工作装置液压系统克服作业阻力，完成装载机的循环作业过程。混合动力装载机功率平衡控制撒于电控系统控制策略∝制器根据操作信号和传感器检测信号，按照控制策略分配柴油发动机、ISG电动机的功率和转矩来共同驱动传动系统和液压系统实现功率合理匹配。装载机功率分配情况如下PfPdP P Ph式中：P 为发动机功率，P 为电动机功率，P 为行驶驱动功率，P 为附件消耗功率，P 为液压系统驱动功率。

装载机行驶工况需要克服滚动阻力、坡道阻力、空气阻力和加速度阻力，消耗驱动功率( )式中： 为传动效率，m为整机质量， 为行驶速度，，为滚动阻力系数，i为坡道阻力系数， 为重量转换系数，k为空气阻力系数，A为迎风面积。

以液压系统工作液压缸、回收液压马达的实测压力P和体积流量Q为输入，输出为液压系统驱动功率P，和回收的功率 P2，P P2计算如下p -(卫±垒已)(Q±垒Q2叼P2plQl 7/- 62 - 式中：P 、Q 分别为动臂液压缸驱动时的压力和流量，△p、AQ分别为控制阀的压力和流量损失。

3.2 混合动力系统仿真分析以常用的ZLSO装载机为研究对象，建立混合动力装载机 Advisor软件仿真模型，如图3所示。

A(Ivisor软件是由美国可再生能源混合实验室在Matl 软件环境下开发的混合动力设备仿真平台，可实现对发动机的转矩、油耗等性能参数的仿真。

： 广-1变量泵排量发动机转矩j i .工作模式 发动机转速- - -叶发动机转矩荷电状态 电动转矩- I 皇垫堑丝 皇盟回生整蕉L亡荷电状态供给功率 需求功率电阻 发电机电流图 3 混合动力装载机动力系统模型混合动力装载机动力单元主要有4种工作模式：1)柴油机单独驱动模式 平均负荷工况柴油机输出转矩能够匹配外负载，且不需要向电容充电；2)柴油机与电机联合驱动模式 重负荷工况柴油机与 ISG电动机共同输出转矩匹配外负载；3)柴油机驱动外负载和 ISG电动机 轻负荷工况柴油机输出转矩驱动外负载和 ISG电动机发电并向电容充电；4)动臂势能回收模式 装载机动臂下降阶段，回油驱动回收马达带动发电机发电并向电容充电，实现动臂势能的回收 。仿真时把柴油机的调速曲线转换为数值模型，运用插值原理获取4种工作模式的理论转速、转矩8 J。启动Advisor软件进入整机参数输入窗口，在Advisor图形界面 GUI下选择设置机型，在已选择机型内部的m文件中对各柴油机、液压部件、电机、电容参数模型等进行设定和修改。

仿真结果 (如图4)表明：混合动力装载机柴油机装机功率降低了21%，可降低油耗9.2%；通过能量回收装置及对混合动力系统动力参数的匹配、控制策略的优化，可以使柴油发动机始终工作在高效区或怠速区，降低油耗 12.9%，整机耗油率降低 22.1%。耗油率保持在较低水平，具有《起重运输机械》 2013(8)署-耗 率 矩消 功 转油 出 出燃 输 输令 令 指 指矩 速转 转速令量--颧- 转指电 腊步速容 同转 几机机级 叽 电电超叫.，辑 恽1捧 胡肚 抟 a～很好的节能效果 ，排放也显著降低。

起1.普通装载机 2.混合动力装载机图4 柴油机油耗对比曲线4 结语根据装载机作业工况具有周期性和波动大的特点，提出了混合动力装载机动力驱动和液压能量回收的设计方案。混合动力装载机按平均输出功率配置柴油发动机，降低了柴油机配置成本；通过对主动力源与辅助动力系统控制策略的优化，降低了柴油机的油耗，减少了排放，经济性得到显著提高。混合动力技术在装载机上的应用仍处于试验阶段 ，能源的紧张和环境污染的加剧必将加速混合动力设备关键部件 (电机、能量储存装置等)的改进和技术进步，推动混合动力装载机更好地为工程建设领域服务。