液压混合动力装载机的节能研究

近年来，国内外工程机械制造商纷纷开展了在工程机械上应用混合动力系统的研究。液压混合动力作为混合动力技术的一个重要分支，相对于电动混合动力，液压混合动力具有功率密度大、可靠性高、容易实现正反转等优点，在工程机械的行走装置和驱动系统中显示出较强的可应用性。

装载机作业中存在频繁的启动和制动，由于整机质量大，所以减速制动时会释放出大量的能量，因此，采用混合动力技术回收浪费掉的制动动能和重物势能成为装载机节能降耗的一项有效措施。本文以轮式装载机为研究对象，分析装载机作业过程中的能耗损失，开发提出轮式装载机的并联式液压混合动力节能方案，并通过仿真和试验研究验证液压混合动力装载机的节能潜力。

1.装载机能耗分析及节能方向

(1)装载机能耗及可回收能量分析

目前的装载机存在着如下问题：

油耗高  装载机平均作业速度低，启动制动频繁，燃油消耗量大。以1台ZL50型装载机为例，正常情况下，平均每装卸1 t物料要消耗柴油0.12 L左右。整机效率低，发动机的输出功率有相当大一部分被浪费掉。

维修费用高  在作业工况下，装载机频繁地高负载工作，作业强度大，整车不断大幅度地加速和制动，因此装载机的发动机、变矩器、传动轴和制动装置故障频出，维修工作量和维修费用居高不下。

噪声与污染高  由于装载机频繁启动、制动，发动机常处于高油耗、高尾气排放区域，因此装载机作业时发动机喷出浓浓的黑烟，发出震耳欲聋的噪声。

某型液压混合动力轮式装载机基本参数如表1所示，典型的作业工况如图1所示，装载机能耗对比分别如图2所示，可回收能量对比如图3所示。

其中：Ed为装载机需求驱动能量；Ee为发动机损失的能量；Eh为液压执行机构消耗的能量；Ef为装载机克服路阻消耗的能量；Efb为装载机制动时克服路阻消耗的能量；Ea为装载机克服风阻消耗的能量；ER为可回收的制动动能；EH为可回收的载荷重物势能；EHV为下长坡可回收的整机重物势能（6 m长10°坡）。

由图2可见，装载机作业工况行驶速度低，克服风阻消耗的能量很小，可忽略不计；发动机能量损耗、克服路阻消耗的能量和液压执行机构消耗的能量较多。发动机的能量损耗主要由装机功率过大以及正常工况下发动机常处于小负荷、高油耗区域造成，同时也与发动机的制造技术密切相关。路阻等损耗能量与整机的制动强度和质量有关。液压系统的能量损失主要与元件的工作性能有关，而元件的工作性能受工作原理、材料性能和加工工艺的限制。装载机作业工况存在着频繁的制动和下坡，进行能量回收几率多，可回收能量大。对比装载机的可回收能量（见图3）可见，动臂处的载荷重物势能较小，而整机制动动能和下长坡重物势能很大，因此液压混合动力装载机的能量回收重点为整机的制动动能和下坡势能。

(2)能量存储及配置方式分析

据文献介绍，对应EPA混合燃油循环，制动能量回收可减少车辆驱动能量需求的14%。在6%的坡道上维持80 km/h下坡车速时也需350 kW的纯制动功率，因此混合动力车辆要求储能装置在短时间内能够回收和释放大量功率。蓄电池、液压蓄能器和超级电容等为常用的储能装置。其中，液压蓄能器的功率密度最大，蓄电池的功率密度最小。因此对于小吨位的装载机，蓄电池是比较适宜的；对于功率密度有较高要求大吨位装载机，液压蓄能器和超级电容将成为首选。根据动力系统的连接方式，混合动力可以分为串联式和并联式配置方式，不同配置方式的液压混合动力系统性能对比如表2所示。

责任编辑：Anny