李 优

（山西工程职业学院，山西 太原 030009）

引言

液压挖掘机械自问世以来凭借稳定可靠的工作性能和清洁高效的动力系统在工程机械领域的应用越来越广泛[1]。日常工作中挖掘机的载荷变化较为频繁剧烈，造成作为动力源的柴油机其功率输出缺乏稳定性，不能在较为经济高效的燃油区间稳定工作，使其经济性、可持续性受到影响，无形之中也缩短了柴油机的使用寿命。此外，我国对燃油机械尾气排放的要求日益严格，所以研发一种动力稳定可靠、性能更加出色、环境污染程度最低的动力系统成为摆在挖掘机技术改革道路上的又一个难题。

1 挖掘机动力系统介绍

虽然可以采用提高柴油机和载荷的功率匹配度来提高发动机的工作性能，但在机械动力结构的限制下提升空间有限，因此将其他领域成熟的技术创造性地应用在挖掘机上成为新的技术革新方向[2]。在汽车动力系统中，混合动力技术应用较为广泛，挖掘机动力系统引进该技术成为新的趋势。混合动力系统主要由两种或两种以上动力源（主动力源+辅助动力源）互相配合为系统提供高效稳定的动力[3]。目前，混合动力系统主流趋势是，以柴油机作主动力源，辅助动力源一般靠由电动机、液压泵/马达与发动机组合形成的油电混合、油液混合动力系统提供，再辅以电池、电容、液压蓄能器存储能量，保证系统动力输出可靠。

油液混合动力系统常规模式是采用二次调节静液传动技术控制液压马达维持机械系统压力恒定，这种模式具有的优点主要有：可同时驱动多个负载，兼容性强；以搭载二次元件（四个象限工作区域）作为辅助动力源，可同时实现能量存储与释放；恒压泵通过直接对接二次元件工作，减少了因为流道变化引发的压力损失。基于二次调节静液传动技术的油液混合动力系统已经在工程领域得到广泛应用，主要集中于各式能量的回收利用中，如液压起重机械对势能的二次利用、多个执行元件的远程控制等[4]。挖掘机采用的油液混合动力系统相比其他动力技术最大的特点是功率密度更高，因此在能量的存储方面蓄能器占有先天优势，功率体积比同等工况下最高，在回收挖掘机的动臂势能、回转动能等能量时可做到效率最高。

2 油液混合动力系统方案

油液混合动力系统分为串联式、并联式和混合式三种混合动力方案，本节选取典型的动力方案为研究对象进行分析。

2.1 串联式混合动力方案

串联式油液混合动力方案如图1所示，动力传输路径为发动机—液力转换系统—负载主泵，核心是液力转换系统，该套系统由蓄能器、液压泵和液压马达组成。发动机以恒定功率驱动液压泵输出压力能，进而驱动液压马达带动负载主泵工作。系统主要包括三种工作状态：当工作负载与发动机输出功率相等时系统正常工作，此时为理想工况；当工作负载低于发动机输出功率时，剩余功率会储存在蓄能器中，以备功率不足时输出；当工作负载高于发动机输出功率时，蓄能器中储存的能量补充到液压马达中，达到平衡负载的效果。通过蓄能器“多退少补”式的工作模式调节系统能量分配，实现了能量的二次利用、高效利用，由于负载马达的动力均来自液压马达，该方案又被称纯静液压式混合动力方案。

图1 串联式油液混合动力方案

串联式混合动力方案具有结构原理简单、控制方法便于理解的特点，液压马达为负载主泵提供所有动力的方式免除了复杂动力耦合的弊端，系统动力输出较为平顺，在工程中应用较多。同时，该系统还存在一些不足：对液压马达和负载泵的要求较高，需匹配发动机的额定功率，对蓄能器储存能力的要求也较高；能量传输路径较长，发动机输出的能量需经过液压泵、马达、蓄能器等元件的多次转换才能被传递到负载主泵，影响传动效率；对系统元件整体功率要求较大，导致体积较大，为挖掘机的结构设置带来较大困难。

2.2 并联式混合动力方案

图2为一种典型的并联式油液混合动力方案。发动机输出的动力同时驱动负载主泵和泵+马达组合，由动力耦合装置实现二者的能量分配。当负载的实际功率低于发动机的额定功率时，发动机的剩余能量通过并联油路被传递到泵+马达组合，此时该组合为液压泵功能，向蓄能器储存能量；当负载的实际功率高于发动机的额定功率时，蓄能器将储存的能量释放到泵+马达组合，此时组合为液压马达功能，通过马达给负载主泵输送机械能。并联式混合动力系统的主要动力源也是发动机，当发动机功率不足时由辅助动力系统补齐相应的差值功率，负载主泵的功率输入采用“发动机+液压马达”的模式。

图2 并联式油液混合动力方案

并联式方案需要借助一套动力耦合装置将发动机的功率科学高效地分配到负载主泵和泵+马达组合上，相比串联式系统，辅助动力系统仅需在实际载荷偏大时补充提供能量即可，在减小挖掘机装机功率方面具有不可比拟的优势。此外，负载主泵处于发动机和辅助动力源的中间，大部分工况下发动机的功率被直接传递给负载主泵，大幅缩短了动力传递过程中因为压力损失而引起的能量损耗。该型方案的主要缺点有：泵和马达形成的组合作为二次元件具有功能多样的特点，但也为系统的设计制造带来较大难度，经济性较差；需要动力耦合装置科学合理分配负载主泵和辅助动力系统的动力，对控制系统的动态特性要求更高，需算法更加精密。

2.3 混联式混合动力方案

图3为某型典型的混联式混合动力方案，该方案本质上是在串联式方案的基础上加装了一套能量回收系统，系统的工作原理是蓄能器储存能量，动力耦合装置给负载主泵提供能量。显而易见，这套系统比以上两种系统的结构都要复杂，无论是给设计制造还是给后期使用维修都会带来较大的技术难度，系统控制算法的开发也比较困难。此外，负载主泵采用液压马达驱动，也势必具有串联式混合动力方案的缺点，如传动效率低、能耗高等。

图3 混联式油液混合动力方案

3 油液混合系统动力方案对比

以6 t级挖掘机的动力系统需求为研究对象，综合对比三种混合动力方案的优缺点，分别从工作效率、经济性能和产品体积三个角度分析，选出最适合的动力系统方案，如式（1）所示：

式中：Y为综合评价结论；f（xi）为分项评价指标（工作效率、经济性能、产品体积）；ai为分项评价权重系数。

由于液压传动传递过程中系统受到的阻力较大，液压传动传动效率往往不及机械传动。串联式系统动力传递路径单一，经发动机、液压泵/马达、负载主泵、各类控制阀等液压元件逐级累加后效率较低，一般液压泵和液压马达的效率为80%~90%，动力耦合装置的效率为95%左右，发动机的效率为30%~40%。并联式方案由于负载主泵处于发动机和辅助动力系统中间而具有较高的传动效率，在同等设备元件和工作动力下更为节能。混联式方案综合了串联式和并联式动力系统的特点，在传递效率较高的基础上兼顾了混合动力系统对能量回收的影响，理论上更接近理想的混合动力系统最优方案。

经济性能主要由产品工作元件和设计工艺决定，对6 t级挖掘机的研发更应着重考虑用户的需求。串联式混合动力系统对液压马达的要求较高，额定功率应高于负载的实际最高功率，致使也需要同比例提高蓄能器选用标准，而蓄能器的体积与存储能力呈正相关关系，液压马达和蓄能器的高空间占比给挖掘机的结构设计带来先天性缺陷，较大程度上影响了经济性能和产品体积。并联式混合动力系统的泵+马达组合仅需在负载实际功率高于发动机功率时补充欠缺的功率，因此对液压元件的工作参数要求不高，这样可选择较小型号的液压马达、液压泵和蓄能器，大幅节省了空间，无论是在经济性能上还是在产品体积上都非常适合中小型的挖掘机。混联式混合动力系统与其他两种方案相比，增设了一个蓄能器，导致系统结构更加复杂，产品性价比较低，系统的优势不足以抵消产品结构复杂带来的劣势，不适合被应用在中小型挖掘机上。

从工作效率、经济性能、产品体积和使用便捷性四个角度归一化分析三种方案，得到油液混合动力系统方案对比明细表，见表1。归一化法为：

表1 油液混合动力系统方案对比明细

综合分析得出6 t级液压挖掘机最适合方案为并联式油液混合动力系统，该型系统无论是在产品性价比方面还是在工作效率方面均具有较为理想的效果。

4 结语

油液混合动力系统作为挖掘机动力系统技术发展的趋势，具有较为明显的优势，不同类型的动力传动方式具有不同的特点和适用场合，应该根据实践要求进行分析。