ZL50裝載機液壓機械復(fù)合傳動節(jié)能系統(tǒng)仿真研究

王海飛，姚樹新 2，，孔 燕 2，，李興偉, 周忠華，馬陽盼

（1. 長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.江蘇華通動力重工有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.徐州重型機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

由于裝載機的工作環(huán)境比較惡劣，載荷變化大，發(fā)動機功率得不到充分發(fā)揮，液壓機械復(fù)合傳動結(jié)合了機械傳動與液壓傳動的優(yōu)點，能夠較好的解決裝載機在工作過程中所面臨的的以上問題，是一個很有潛力的發(fā)展方向．美國GE公司、日本小松公司和德國大眾集團曾經(jīng)設(shè)計了類似的液壓機械無極變速器]3-1[．2000年美國 University of Wiscosin-Madison的Wenbo Wang 博士論文，討論了動力傳動系的建模，以及運用動力學(xué)模型進行動力傳動系仿真、故障診斷、設(shè)計和控制的理論與方法]4[；2010年美國 Purdue University的 Rajneesh Kumar博士論文中討論了液壓機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對動力傳動系統(tǒng)進行了建模仿真，對于整車的節(jié)能與動力控制策略進行了較為深入的研究]5[．國內(nèi)許多高校及科研單位也開始了這方面的研究工作，如北京理工大學(xué)曾對 DMT-25變速箱進行了臺架試驗，劉修驥教授、苑士華教授等較早地對多段液壓機械復(fù)合傳動進行了較為深入的研究[67]-；河南科技大學(xué)與中國一拖集團合作，為東方紅1302R系列研制液壓機械無級變速器]8[．

結(jié)合ZL50裝載機的實際工作特點及發(fā)動機的性能評價指標]9[，設(shè)計了新型的液壓機械復(fù)合傳動節(jié)能系統(tǒng)，它能夠大幅度提高裝載機的綜合性能，同時該系統(tǒng)基本應(yīng)用原有變速箱和傳動系統(tǒng)，降低了成本，經(jīng)濟實用，對于裝載機技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品質(zhì)量的提高起了很大地推動作用．

1 液壓機械復(fù)合傳動方案設(shè)計

ZL50裝載機作為一種大型的鏟土運輸機械設(shè)備，在牽引工況下傳動裝置要求能夠在大范圍內(nèi)進行調(diào)速，在運輸工況下傳動裝置要求有較高的速度與效率，因此利用離合器、制動器在適當?shù)墓ぷ鞲淖円簤合到y(tǒng)和機械傳動的連接方案，充分發(fā)揮它們在不同工況下的優(yōu)勢．具體的工作模式如下：

（1）一檔純液壓驅(qū)動

這種模式主要用于裝載機起步階段．起動時，發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性較差，復(fù)合傳動系統(tǒng)中的泵馬達首先起動，利用其低速大轉(zhuǎn)矩的特點，使車速達到一定值后，發(fā)動機起動，并迅速進入高效區(qū)工作．其中當液壓蓄能器壓力高于所需最低工作壓力時，整車采用液壓蓄能器驅(qū)動模式，發(fā)動機只為轉(zhuǎn)向和裝載裝置提供必要的動力，整車全部牽引驅(qū)動能量由液壓蓄能器和液壓泵/馬達提供，避免發(fā)動機在起動過程工作于高油耗、低效區(qū)．只有當液壓蓄能器壓力低于最低工作壓力時，發(fā)動機為整機提供驅(qū)動能量．

（2）二、三檔復(fù)合驅(qū)動

此時裝載機進入正常中高速的運輸工況．整車為液壓機械復(fù)合傳動裝置驅(qū)動，綜合傳動性能好，發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，且工作于最佳燃油經(jīng)濟區(qū)，液壓混合動力系統(tǒng)不工作．

（3）混合驅(qū)動發(fā)動機動力不足時，液壓蓄能器通過泵馬達提供輔助動力．當整機處于加速、爬坡或鏟掘等大負荷情況時，整機所需的動力超過發(fā)動機工作范圍或高效區(qū)時，由液壓泵/馬達提供輔助動力，協(xié)同發(fā)動機一起驅(qū)動車輛．

（4）再生制動

系統(tǒng)的再生制動適用于每個檔位，當發(fā)生正常制動、緊急制動和下長坡緩制動時都會有再生制動參與甚至完全由再生制動進行制動，駕駛員要根據(jù)實際情況，如為輕度制動，整車進入液壓再生制動模式，傳統(tǒng)制動系統(tǒng)不工作，全部制動轉(zhuǎn)矩由液壓蓄能器和液壓泵/馬達提供，非輕度制動時，整車進入復(fù)合制動模式，整車制動轉(zhuǎn)矩由液壓泵/馬達和傳統(tǒng)制動系統(tǒng)提供，液壓泵/馬達提供最大制動轉(zhuǎn)矩，不足的由傳統(tǒng)制動系統(tǒng)提供．再生制動與傳統(tǒng)制動方式的分配要通過檢測具體參數(shù)進行控制．如圖1所示．

圖1 ZL50裝載機液壓機械復(fù)合傳動裝置Fig. 1 Hydraulic mechanical composite transmission for ZL50 loader

圖中 B1為制動器，L1、L2、L3、L4、L5、L6為離合器，K1、K2、K3分別是圖中所示行星排特征常數(shù)，即其各從動輪齒數(shù)積與主動輪齒數(shù)積的比值，B1、L5為裝置的換段機構(gòu)，L2為裝置的換向機構(gòu)，且L1、L2為機械傳動通斷機構(gòu)，L3、L4為差速器正負相位切換機構(gòu)，L6為純液壓傳動的通斷機構(gòu)，ε1為變量泵的排量相對變化率，即相對于變量泵最大排量的變化率．不同工作段的制動器與離合器的結(jié)合狀態(tài)如表 1 所示．

表1 制動器和離合器的工作狀態(tài)Tab.1 The work status of brake and clutch

2 液壓機械復(fù)合傳動數(shù)學(xué)建模與特性分析

2.1 速度特性分析

ZL50裝載機采用濰柴斯太爾 WD10G220E11發(fā)動機，額定功率為 162 kW，額定轉(zhuǎn)速為 2 200 r/min，功率匯流行星排組即差速器是由正向匯流排和反向匯流排組成，因此擋位的不同對于匯流方式和變量泵變化的方向的要求也不同．所用參數(shù)定義為：n0發(fā)動機轉(zhuǎn)速，n1太陽輪轉(zhuǎn)速，n2行星架轉(zhuǎn)速，n3齒圈轉(zhuǎn)速，K行星排特性參數(shù)，ε1變量泵的排量相對變化率，i4液壓傳動輸入端傳動比，i5液壓傳動輸出端（復(fù)合）傳動比，i6純液壓傳動輸出端傳動比．

對于內(nèi)嚙合行星排三構(gòu)件的速度關(guān)系有：

（1）前進檔純液壓Fh 段

離合器L6結(jié)合，此時機械傳動無功率流，發(fā)動機的全部功率由液壓傳動輸出，當ε1有－1→1變化時，輸出轉(zhuǎn)速將逐漸增加，整個裝置的輸出轉(zhuǎn)速為

（2）前進檔液壓機械FhmΙ段

制動器B1制動，離合器L2、L4結(jié)合，機械傳動與液壓傳動同時工作，此時差速器為負相位工況，機械功率流由差速器行星架輸入，液壓功率流由差速器太陽輪輸入，復(fù)合功率由差速器齒圈輸出．此時

所以輸出轉(zhuǎn)速為

（3）前進檔液壓機械FhmⅡ段

離合器 L1、L3、L5結(jié)合，機械傳動與液壓同時工作，此時差速器為正相位工況，機械功率流由差速器齒圈輸入，液壓功率流有差速器太陽輪輸入，復(fù)合功率有差速器行星架輸出．此時:

所以輸出轉(zhuǎn)速為

對于后退的三個檔位的速度特性與前進三檔位相對應(yīng)，不再復(fù)述．

令輸出速度比 ib= nb/n0，則可得到前進檔三段ib與ε1之間的關(guān)系曲線，隨著變量泵排量反復(fù)的變化，裝置的轉(zhuǎn)速是連續(xù)上升的，如圖2所示．

圖2 液壓機械復(fù)合傳動裝置速度特性曲線Fig. 2 The speed characteristic curve of hydraulic mechanical composite transmission

2.2 平穩(wěn)換段的條件

根據(jù)圖2以及對速度特性的分析，選擇適當?shù)膫鲃訁?shù)，可以使每一段的段尾速度與下一段的段首速度相等，因此液壓機械復(fù)合傳動裝置平穩(wěn)換段的條件是：前后兩段在換段點處有相同的輸出轉(zhuǎn)速，有相同的變量泵排量相對變化率ε1．

根據(jù)關(guān)系式（2）和（4），可以得到純液壓Fh 段和液壓機械FhmΙ段換段的條件為

其中 K1、im2為確定值，因此只要合理選擇 i4、i5、i6的值，使得ε1≤1即可．

同理，根據(jù)關(guān)系式（4）和（6），可以得到液壓機械FhmΙ段和液壓機械FhmⅡ段的換段條件為

其中，除i4、i5外，其余均為確定值，因此只要選擇合理的i4、i5值，使得ε1≥－1即可以保證兩者的平穩(wěn)換擋．

2.3 轉(zhuǎn)矩特性分析

液壓機械復(fù)合傳動中各段輸出的轉(zhuǎn)矩極限值Mbm取決于液壓馬達的最大輸出轉(zhuǎn)矩Mmm．對于液壓機械FhmΙ段，其輸出轉(zhuǎn)矩

對于液壓機械FhmⅡ段，其輸出轉(zhuǎn)矩

對于純液壓傳動Fh 段，根據(jù)設(shè)計的要求

綜合以上關(guān)系式，可以得到轉(zhuǎn)矩特性圖，實質(zhì)上，等比式液壓機械復(fù)合傳動裝置輸出轉(zhuǎn)矩特性屬于恒功率的雙曲線型]6[，使得經(jīng)濟性提高，如圖3

圖3 液壓機械復(fù)合傳動裝置轉(zhuǎn)矩特性Fig. 3 The torque characteristics of hydraulic mechanical composite transmission transmission

2.4 液壓功率分流比

液壓功率分流比 εh是相對于液壓機械復(fù)合傳動總功率來講的，為了使整個復(fù)合傳動裝置具有較高的傳動效率，應(yīng)該盡可能的降低液壓系統(tǒng)支路所所傳遞的能量．對于液壓機械FhmΙ段，根據(jù)關(guān)系式(3)和(9)可得

對于液壓機械 FhmⅡ段，根據(jù)關(guān)系式（5）和（10）可得

通過以上關(guān)系式，可以得到液壓功率分流比εh相對于裝載機速度的變化曲線，如圖4所示．

圖4 液壓機械復(fù)合傳動裝置的液壓功率分流比曲線Fig. 4 The hydraulic power flow ratios of hydraulic mechanical composite transmission

2.5 傳動效率

液壓機械復(fù)合傳動裝置的功率流分為機械功率流和液壓功率流，低效率的液壓功率ηh在總功率中所占份額越少，總效率η就越接近純機械的高效率．根據(jù)關(guān)系式(1)、(9)～(11)及能量守恒定律可推導(dǎo)出：當εh≥0時，

當hε≤0時，

將關(guān)系式（12）和（13）按條件分段分別代入關(guān)系式（14）和（15）中，可得到液壓機械復(fù)合傳動裝置的傳動效率曲線，如圖5所示．

3 系統(tǒng)建模與仿真分析

3.1 建立模型

在AMEsim環(huán)境下，調(diào)用系統(tǒng)提供的液壓庫、機械庫、傳動庫和信號庫，并與MATLAB/Simulink中所設(shè)計的部分相聯(lián)合[10]，根據(jù)液壓機械復(fù)合傳動原理圖1，建立ZL50裝載機液壓機械復(fù)合傳動節(jié)能系統(tǒng)仿真模型，如下圖6所示．仿真環(huán)境為：介質(zhì)密度850 kg/m3，體積模量1 700 MPa，動力粘度5.1×10－2Pa·s，參考溫度為 40。C，仿真參數(shù)如表2所示．

圖5 液壓機械復(fù)合傳動裝置的傳動效率曲線Fig. 5 The transmission efficiency curve of hydraulic mechanical composite transmission

表2 ZL50裝載機驅(qū)動系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.2 The simulation parameters of drive system on ZL50 loader

圖6 ZL50裝載機液壓機械復(fù)合傳動節(jié)能系統(tǒng)仿真模型Fig. 6 Simulative model on hydraulic mechanical composite transmission energy- saving system for ZL50 loader

3.2 仿真分析

以上為復(fù)合傳動的仿真曲線，復(fù)合傳動主要針對于運輸工況及牽引工況的輕載作業(yè)，此時的電機排量等于泵的排量即180 ml/r，加載中度載荷基數(shù)為18 360 Nm．由于變量泵的轉(zhuǎn)速基本恒定，所以變量泵的流量正比于其變量系數(shù)，最大流量為396 L/min，如圖7所示；對于設(shè)計有控制器的復(fù)合傳動系統(tǒng)，會根據(jù)負荷的變化較迅速、準確的做出反應(yīng)，蓄能器吸收系統(tǒng)的波動，使系統(tǒng)獲得良好的性能，如圖8所示；電機的流量變化與泵的基本一致，最大流量大約為396 L/min，如圖9所示；電機扭矩的變化較為平緩，根據(jù)泵的變向而變向，其值大約為570 Nm，如圖10所示．

圖7 變量泵流量Fig. 7 Flow of variable pump

圖8 蓄能器的流量Fig. 8 Flow of Accumulator

圖9 電機流量Fig. 9 Flow of motor

圖10 電機扭矩Fig.10 Torque of motor

圖11 蓄能器壓力Fig. 11 Accumulator pressure

圖12 蓄能器氣體體積Fig. 12 Accumulator volume

蓄能器作為制動能量回收再利用裝置，由于串聯(lián)了液壓變壓器，使得蓄能器在系統(tǒng)壓力較高且基本不變的情況下也可以在很低的狀態(tài)壓力下開始回收能量．如圖11所示，蓄能器初始壓力為9.7 MPa，再生制動過程結(jié)束后，蓄能器的基本到達其額定工作壓力31.5 MPa左右，而系統(tǒng)的工作壓力為20 MPa左右，基本不變；如圖12所示，蓄能器的氣體體積初始值為24 L，再生制動過程結(jié)束后，氣體體積縮小到約11 L左右，即蓄能器的容積變化值約為

13 L．蓄能器仿真結(jié)果與理論計算的結(jié)果基本一致,驗證了復(fù)合傳動節(jié)能液壓系統(tǒng)具有很強的應(yīng)用性．

4 結(jié)語

（1）根據(jù)液壓機械復(fù)合傳動的工作原理及結(jié)構(gòu)組成和ZL50裝載機的工作特點， 得到輸入外分流（內(nèi)嚙合）式液壓機械復(fù)合傳動裝置的綜合性能最優(yōu)．設(shè)計了首段為純液壓傳動，二、三段為液壓機械復(fù)合傳動，且為等比式的液壓機械復(fù)合傳動裝置．通過對該裝置的變速機構(gòu)、速度特性、等比特性、平穩(wěn)換擋條件、轉(zhuǎn)矩特性、液壓功率流比及傳動效率的分析研究，得出滿足ZL50裝載機工作要求的各數(shù)學(xué)模型．

（2）通過仿真軟件 AMESim與 MATLAB/Simulink對ZL50裝載機液壓機械復(fù)合傳動節(jié)能系統(tǒng)進行了聯(lián)合動態(tài)仿真，結(jié)果表明，仿真數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果基本一致．驗證了液壓機械復(fù)合傳動節(jié)能系統(tǒng)性能達到了理論要求，大大提高了裝載機在高效、舒適和節(jié)能方面的性能，實用性強，對于類似工程機械產(chǎn)品的研發(fā)和技術(shù)改進具有一定的參考價值．

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