混合动力装载机电力变矩机理.pdf
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1、第 1 2卷第 4期 2 0 1 4年 8月 中国工程机械学报 CHI NE S E J ( ) URNAL OF CONS TR UC TI ON MACHI NER Y Vo 1 1 2 No 4 Au g 2 0 1 4 混合动 力装载机 电力变矩机 理 邹乃威 , 韩 平 , 常 胜 , 周大帅 ( 佳木斯大学 机械工程学院, 黑龙江 佳木斯 1 5 4 0 0 7 ) 摘要: 在分析导致装载机油耗率偏高原因的基础上 , 针对装载机油耗特性提出了一种混合动力装载机机电耦合 方案 该方案不仅便于实现所有的混合动力工作模式 , 其电力变矩工作模式还采用两 自由度的行星排取代液力 变矩器,
2、通过提高传动效率进一步降低装载机油耗率 电力变矩工作模式将发动机的功率按工况要求分配给传 动系统和电力驱动系统 , 电机通过反转发电的方式回收发动机的盈余功率 , 同时利用行星排的降速增扭特性满 足装载机在低转速、 大转矩工况的动力需求 , 避免液力传动的功率损失 , 提高能量的有效利用率 关键词: 装载机; 混合动力; 行星排;电力变矩; 中图分类号 : T H 1 2 2 文献标志码 : A 传动效率 文章 编号 : 1 6 7 25 5 8 1 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 2 8 7 0 6 El e c t r i c t or q ue c o nve r s i o n m
3、 e c hani s m of hy br i d l oa de r s ZOU Na i we i ,HAN Pi n g,C HANG S h e n g,Z HOUDa s h ua i ( C o l l e g e o f Me c h a n ic a l E n g i n e e r i n g ,J i a Mu S i U n i v e r s i t y , J i a mu s i 1 5 4 0 0 7 , C h i n a ) Ab s t r a c t :Du e t o t h e h i g h f u e l c o n s u mp t i o
4、n r a t i o o f l o a d e r s , a n e l e c t r o me c h a n i c a l c o u p l i n g s c h e me i s p r o p o s e d b a s e d o n t h e f u e l c o n s u mp t i o n p r o p e r t i e s Th i s s c h e me i s u s e d t o r e a l i z e t h e h y b r i d wo r k i n g mo d e B y s t a b i l i z i ng t h
5、e e ng i n e wo r ki ng r a ng e t o r e d u c e t h e l o a d e r f u e l c o ns u mp t i o n r a t i o, t h e e l e c t r i c t o r q u e c o n v e r s i o n mo d e i s a p p l i e d wi t h t wo f r e e d o m p l a n e t a r y r o w i n s t e a d o f h y d r o me c h a n i c a l c o n v e r t e r
6、By e n h a n c i n g t h e c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y t o f u r t h e r r e d u c i n g t h e l o a d e r f u e l c o n s u mp t i o n r a t i o , t h e e l e c t r i c t o r q u e c o n v e r s i o n mo d e i s a p pl i e d wi t h e n gi ne p o we r a l l o c a t i o n t o t r a ns mi
7、s s i o n a nd e l e c t r i c a l s ys t e ms As s u c h, t h e p o we r g e n e r a t i o n b y m o t o r r e v e r s i o n i s u se d t o r e c y c l e t h e s u r p l u s d y n a mo po we r ,whi l s t t h e p l a n et a r y r o w i s us e d t o r e d uc e t o r q u e i n c r e me n t p r o p e r
8、 t y f o r l o w s p e e d a n d h i g h t o r q u e wo r k i n g c o n d i t i o n s Th e r e i n, t h e p o we r l o s s o f h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n i s a v o i d e d wi t h h i g h e n e r g y e f f i c i e n c y Ke y wo r d s :l o a d e r ;h y b r i d p o we r ;p l a n e t a r y
9、 r o w;e l e c t r i c t o r q u e c o n v e r s i o n;t r a n s mi s s i o n e f f i c i e n c y 装载机是一种以散装物料为作业对象的工程 机械 , 其 自动化程 度高、 环境适 应性强 、 作 业模式 多 , 在建筑 、 矿 山和港 口等领域均得到 了广泛 的应 用 , 但其燃油经济性和排放性仍有待改善 近几年, 在燃油价格上 涨和排放法规 日益严格 的双重压力 下 , 这一问题 也越来越引起 人们的关注 学术 界针 对装载机的工作特性提出了很 多节 能减 排技术方 案 , 其 中混合动力技术是较
10、 活跃的一个分支l 1 理 论上 , 混合动力装载机存在多种节能途径 , 历届 国 际工 程机 械 展 会 上 也 展 出 过 节 能 途 径 各 异 的 混 合 动力装载机 , 究竟哪种节能途径最具节能潜力和实 用价值至今尚无定论 2 本文介绍一种利用行星排 的两 自由度结构将发动机和 电机动力耦合 的混合 动力装载机结构方案 , 该方案在实现各种混合动力 工作模式的 同时还通过行星排取替液力变矩器实 现降速 、 增扭功能 , 从 降低发动机的油 耗率和提高 传动系统 的传动效率两方面改善装载机 的油耗和 排放性能, 充分挖掘混合动力装载机的节能潜力 基金项 目:国家 自然基金 ( 5 1
11、1 0 5 1 7 3 ) 作者简介 : 邹乃威 ( 1 9 7 7一) , 男 , 副教授 , 硕士生导师 , 博士 E ma i l : n a i we i z o u 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 1 2卷 l 装载机油耗率高的原因分析 装载机的工作性质决定 了其能耗率 高和机动 性强的特性 , 这一特性限制 了其 向电动化方 向的发 展 由于移动 电源的能量密度较低 , 使装 载机 的供 能要求无法得到满足 , 而电网供 电又制约了装载机 的机动性能 , 所以当前一段时间内装载机仍将依靠 发动机提供动力
12、 发动机需要燃烧石化燃油转化为 机械能进而产生动力 , 石化燃料具有能量密度高和 补充燃料方便等优点 但是石化燃料是一种不可再 生的资源 , 稀缺性决定 了其价格上涨 的不可逆转趋 势 , 因此装载机的燃油经济性将 成为未来行业竞争 的焦点, 装载机的节 能技术改造势在必行 要实现 装载机的节能首先要找出导致其油耗高的原 因, 针 对其能耗特性制定相应的节能方案 1 1 燃油利用率较差 典型的装载机工作循环可 以描述为 : 空载驶 向 料堆一全负荷铲掘物料一满载后退一满载前进( 同 时举升物料) 一 向运输卡车卸料空载退 回初始点 ( 同时收回工作装置) 六个阶段_ 3 j , 如图 1所示
13、图 1 典型装载 机工作循 环 Fi g 1 Du t y c y c l e o f t y p i c a l l o a d e r 装载机作业周期通常较短 , 在作业周期 内发动 机需要频繁调整工作负荷为装载机提供充 足的动 力 , 如图 2所示 为满足装载机的动力需求 , 一方面 发动机的工作点要分布在较宽阔的区域 内, 由于不 同工作区域油耗率差异较大 , 因此不利于通过将工 作区域稳定在低油耗范围内的方法提高燃油经济 性 ; 另一方面工作点的瞬态迁移会使发动机油耗率 成倍增加 , 也将导致燃油经济性下降 混合动力 系统 中除 了发动机还增加 了一套辅 助动力装置 , 通 常是 电
14、力驱动装置 发动机仅 为装 载机提供平均功率 , 进而使其工作点稳定在油耗率 较低的区域 , 同时避免了由于工作点瞬态迁移所造 成油耗率上升的现象 , 利用辅助动力系统能量转换 效率高 、 可控性能好且反应迅速的特点满足负载动 力的波动需求 采用混合动力技术可 以有效地解决 上述 由于发动机工作点频繁迁移从而引起油耗率 上升的问题 昌 杰 蜱 暴 发动机转速 ( r mi n 。) 图 2 装载机某工作循环发动机工作点 的分 布情 况 Fi g 2 W o r k i n g p o i n t d i s t r i b ut i o n o f l o a d e r s e n g i
15、n e i n s i ng l e d u t y c y c l e 另外 , 混合 动力技术通过 降低发 动机功率 , 减 少发动机 自身的能量消耗 , 装载机怠速时关闭发动 机等途径也可以降低燃油消耗率 , 再生制动还可以 获得一部分“ 免费” 能量 , 使混合动力 系统 的燃油利 用率得到进一步提高 J 1 2 传动效率较低 为了满足插入料堆等低转速、 大转矩工况的动 力要求 , 同时保护动力 传动部件免 于损坏 , 传统装 载机普遍采用液力变矩器 自动协调发 动机动力供 应与负载动力需求之间的矛盾 经过半个多世纪的 发展与完善 , 液力变矩器在 自适应行驶阻力突变 和 防止冲击方面
16、显示了其特有的优势 但 由于液力变 矩器采用流体介质传递动力 , 动力传递过程 中始终 伴随着液力损失 , 导致 其传 动效率较 低 , 尤其在低 转速 、 大转矩工况, 其传动效率接近于“ 0 ” , 而装载 机却要频繁地工作在这种工况下, 因此传动效率低 是造成装载机燃油经济性差的另一个主要原因 5 如果在混合动力 装载机上采用 一种具有更 高 传动效率的传动方式代替液力传动 , 且 同样满足降 低转速 、 增加转矩 的动力传动要求 , 使其低转速 、 大 转矩工况的传动效率得到提高 , 则意味着驱动同样 的负载需要发动机供给更小的功率 , 这也是提高燃 油经济性的一种方法 事实上, 传动
17、效率 的提 高对 装载机的节能往往更直接、 更有效 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 邹乃威 , 等 : 混合动力装载机电力变矩 机理 2 行星排 的动 力学特性 行星排就是一种具有降低转速 、 增加转矩 功能 的传动机构, 且其传动效率可达到机械传动水平, 其三构件两 自由度 的结构可 以在保持一个动力输 入端动力供应不变的状态下 , 通过调节另一个动力 输入端 的运转状 态使动力输 出端满 足各种动力要 求 本文仅以双星行星排为例介绍行星排 的动力传 动特性 2 1 行星排的转速关系 双星行星排是一种典型的正号机构l_ 6 , 其三个 构件的转速关系
18、可以描述为 一 。一 ( 1一 l0 ) = 0 ( 1 ) 式 中: 为齿圈转速 ; 为行星架转速 ; 。 为太 阳 轮转速 ; 10为行星排结构参数 , l0 =Z s , 其中 为 齿圈齿数 , 为太阳轮齿数 行星排 的转速方程 ( 1 ) 中有三个变量 , 仅 一个 方程式进行约束 , 属于典型的两 自由度结构 为 了 分析问题方便 , 本文采 用“ 虚拟杠杆 ” 分析各 构件 的运动关 系, “ 虚拟杠杆 ” 能够更直 观地表示 三个 构件 的转速关 系 三条 相互平 行 的纵轴 分别 表示 三个构件 的转速 , 转速 的“ 0 ” 点位于 同一条水平线 上 , 三条纵轴之 间的距
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