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基于混合动力液压挖掘机系统优化设计的研究

2021-12-14董丽娟朱哲煜

内燃机与配件 2021年1期
关键词:混合动力挖掘机液压

董丽娟 朱哲煜

摘要:本文分析了我国对混合动力的液压挖掘机系统的研究情况,以此探讨工程机械中采用混合动力技术能否有效适用,在此基础上对液压挖掘机系统优化设计中混合动力技术的具体应用进行了相应的探讨,明确了基于混合动力液压挖掘机系统在串联和并联两种方式上的运行原理,同时评价并对比了串联和并联两种方式下混合动力液压挖掘机系统的性能、经济性及其节能效果。

Abstract: This article analyzes the research status of hybrid hydraulic excavator systems in my country, in order to explore whether the use of hybrid technology in construction machinery can be effectively applied, and on this basis, the specifics of hybrid technology in the optimal design of hydraulic excavator systems The application has been discussed accordingly, and the operating principles of the hybrid hydraulic excavator system based on the series and parallel modes are clarified. At the same time, the performance and economy of the hybrid hydraulic excavator system in the series and parallel modes are evaluated and compared. And its energy-saving effect.

关键词:混合动力;液压;挖掘机;优化设计

Key words: hybrid power;hydraulic;excavator;optimized design

中图分类号:TU621                                    文献标识码:A                                文章编号:1674-957X(2021)01-0055-02

0  引言

近年来,我国现代工业的飞速发展,使得工程机械种类及数量得以逐年增加,当然,人们在制造大量工程机械过程中也损耗了非常庞大的资源,而且更令人痛心的是工程机械在使用过程中会排放大量有害于环境的污染物,从而加剧了环境污染形势。现阶段,人们愈发重视自然环境的保护,这也使人们对工程机械使用的节能性提出了更高的要求,以此更好促进我国现代化社会的可持续发展。无论是国内,还是国外,都日益关注和重视工程机械在使用过程中的尾气排放及其噪声污染问题,为了解决这些问题也出台了许多具有约束力的规章制度,因此,这也将促使我国在工程机械领域发展中变得更加节能、环保。本文便对基于混合动力液压挖掘机系统的优化设计工作开展深入的研究。

1  我国对混合动力液压挖掘机系统的研究情况

就目前来看,我国在研究工程机械的节能性及环保性等方面,正致力于使相关元器件具备更高的性能,并对液压系统的构造进行优化与改进,使动力和负载阻抗得以合理匹配,进而起到节约能量输出的作用。不过,国外也对上述内容开展了许多具有成效性的研究,但无论是国内还是国外,其研究效果都比较差强人意。除此之外,科学技术的飞速发展,再加上节能环保理念正逐渐成为社会发展中的主流思想,使得更多先进的驱动技术得以产生,例如,汽车数量的增多使得油价逐年上涨,而为了减少汽车的尾气污染,同时降低汽车能耗,这也使人们开始致力于研究混合动力技術,该技术得以被成功应用于汽车领域,从而为汽车制造商创造了极大的经济效益,并且也为整个社会发展的节能减排做出了巨大贡献,更重要的是其他领域也能由此获得启发,并努力向着节能减排的方向进行发展,在工程机械领域中也同样如此,混合动力技术得以被进一步应用于该领域中。在工程机械领域中,由于液压挖掘机在使用过程中的油耗较高,而且尾气排放量大,因此必须要采取相应的节能措施来降低其能耗,减少尾气排放量,而混合动力技术则无疑是一种绝佳的解决途径。

通过应用混合动力技术,能够使液压挖掘机系统在运行过程中散发的热量大大减少,而且可降低整机装机功率,更为重要的是挖掘机动力系统将取得更高的运行效率,这对于改善其尾气排放有着非常明显的效果。现阶段,越来越多的挖掘机研究机构及相关企业都纷纷投入大力气来研究混合动力技术在液压挖掘机中的具体应用,并且已经取得了许多较为喜人的研究成果,这不仅使液压挖掘机的能耗以及污染物排放得到有效降低,而且产品在市场中也将具备更强的竞争力,在市场发展中必将占得一席之地。不过,考虑到混合动力技术在应用过程中需要攻克许多技术难关,而且技术应用也比较复杂,因此我国对混合动力技术的研究还尚处于起步阶段。

2  液压挖掘机的运行流程分析

对于液压挖掘机来说,其是以发动机为驱动,以使液压泵在发动机的作用下进行工作,而液压泵则会对多路阀组和控制回路进行驱动,这样液压挖掘机的某项功能便可顺利实现,例如挖掘机的行走、回转、铲半、动臂以及斗杆等等,从本质上来说,液压挖掘机属于一种集机电液于一体化的系统,该系统的构造是比较复杂的,而且液压挖掘机在运行过程中有着明显的周期性特点,例如其在工作过程中需要完成一系列的动作,比如挖掘、动臂抬高、斗满回转、倾倒斗料、降低动臂高度、空半回转便是一组挖掘动作,在上述动作执行一次后便形成了一个周期,通过周期与周期间的不断重复,以此确保液压挖掘机最终完成施工任务。

3  基于混合动力液压挖掘机的适用性分析

基于混合动力的液压挖掘机在应用过程中还有部分技术难关需要攻克,这些技术难题可以借助于以下衡量指标来体现:首先是混合动力技术在应用以后所产生的节能效果,除此之外,该技术在应用过程中液压挖掘机运行前后的动力性变化情况以及成本经济性的高低。通过分析液压挖掘机在运行时所产生的一系列动作,能够了解到一般的液压挖掘机之所以会出现燃油效率偏低的问题,其原因主要在于负载出现剧烈晃动,再加上动力无法有效匹配负载,致使液压挖掘机中的发动机在工作时的状态非常不稳定,尤其是其不稳定区域为高油耗区域,这便会对其燃油效率造成极大的影响。通过对混合动力技术进行应用,能够使燃油效率偏低的问题得到有效地解决,在基于混合动力的液压挖掘机中,通常需要对柴油发动机、蓄电池以及电动机进行配置,而这三个零部件都能够为挖掘机提供截然不同的动力源,通过对这三种动力源进行相应的组合与协调,即可驱动液压挖掘机,这样液压挖掘机的动力及负载便可进行合理的阻抗匹配,从而使液压挖掘机在运行过程中取得更高的工作效率。

4  基于混合动力的液压挖掘机运行原理

在将混合动力技术应用到液压挖掘机以后,按照电路连接方式,可将其系统构造划分成两类,一种是串联型系统,而另一种则是并联型系统,以下便分别探讨这两类系统。

在串联型的以混合动力技术为核心的液压挖掘机中,其运行原理可做出以下分析:该类型的液压挖掘机将以柴油发动机作为主要的动力来源,当柴油发动机启动后,会使离合器连接到发电机上,以确保发动机所产生的机械能向着电动进行转化,这些电能会被用于为发电机控制装置提供电能,以确保发电机控制装置能够驱动电动机控制装置,这样电动机控制装置便会通过驱动电动机与传感器来实现对液压系统的控制,由于电动机的调速性能较好,所以能够利用电动机来对部分定量泵进行驱动,以此确保液压系统的运转速度得到高效的调控。在并联型的以混合动力技术为核心的液压挖掘机中,其运行原理则可作出以下分析:该类型的液压挖掘机仍旧是以柴油发动机作为主要的动力来源,当发动机被启动以后,会使发电机或电动机能够连接于离合器,由此便可使发电机或电动机所产生的机械能向着电能进行转化,从而使电动机控制装置有足够的电能进行操控,这样电动机在离合器及传感器的直接带动下,便可对液压系统进行控制。总而言之,在以混合动力技术为核心的液压挖掘机中,串联型的挖掘机系统与并联型的挖掘机系统在构造上的最大不同,便是液压系统与柴油发动机以及电动机有着截然不同的连接方式。

5  基于混合动力技术的液压挖掘机的各项性能变化分析

5.1 串联式与并联式液压挖掘机系统的综合性能  在上文中提到的两种类型的混合动力液压挖掘机中,无论是串联型,还是关联型,其均有对应的应用优势,但也各自都有一些不足之处,以下便简要分析这两种类型的混合动力液压挖掘机的综合性能。在对比串、并联两种液压挖掘机系统的综合性能时,需要建立一个标准来进行参考,所以要想确保数据对比结果的可靠性,需要对一般的液压挖掘机系统构造做出相应的改造,在此过程中需要采用混合动力技术,以便于按照串联型和并联型的构造来改造与优化普通的液压挖掘机,其他结构一致,在技术参数方面,则主要有发电机电流、电池电压、电动机/发动机扭矩、工作电流、电动机电压、系统目标速度等等。事实上,在混合动力液压挖掘机中,其技術指标可能有许多影响因素,动力总成控制则是最为关键的影响因素,在本文中不做出赘述。电池组能够为串联型与并联型两种系统的部分控制器提供电能,当电池组无法供电时,便会造成混合动力挖掘机无法工作。所以在筛选电池组容量时,需要制定出两点准则,其一是需要确保电池组容量能够合理匹配电动机;其二是需要确保电池组具有较长的使用寿命。

5.2 节能性与经济性对比  在对基于混合动力的液压挖掘机进行节能性及其经济性对比时,需要应用到一项重要的衡量指标,即节能效果指标,通过采取仿真分析来对比节能效果,当普通型、串联型、并联型这三种类型的液压挖掘机在相同时间进行工作时,三者的油耗分别为540g、362g与330g,相比于普通的液压挖掘机系统,采用串联型的液压挖掘机系统可节省油耗178g,而采用并联型的液压挖掘机系统则可节省油耗210g,这说明在节能效果上,串、并联两种混合动力液压挖掘机系统可分别提高36.1%与40.7%。当然,在将混合动力技术应用于普通的液压挖掘机时,如果只是对其综合性能、环保性以及节能效果进行考虑是远远不够的,对于挖掘机制造商而言,对改造成本也是非常重视的,当改造成本超过节能效果时,那么整个改造过程也便失去了意义。

在基于混合动力技术的液压挖掘机系统设计中,影响系统制造成本的最关键部分便是其核心零部件在加工过程中所花费的成本,考虑到串联式的混合动力液压挖掘机系统在设计过程中需要应用到更多的关键零部件,这势必会大幅增加制造成本,因此在经济性方面,并联式的混合动力液压挖掘机要更具优势。对于混合动力挖掘机系统的日常维护来说,其维护成本的高低则主要取决于电池组是否更加经久耐用。

6  结语

综上所述,本文对基于混合动力技术的液压挖掘机系统设计方案开展了比较深入的研究,以此帮助机械工程人员能够了解混合动力技术在液压挖掘机中的适用情况,同时,将混合动力技术引入到液压挖掘机系统设计中,还能有效解决普通液压挖掘机存在的燃油效率偏低的问题,实现负载与动力的合理匹配,降低功率损失,虽然混合动力挖掘机需要花费更多的制造成本,不过却能取得非常明显的节能效果。

参考文献:

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