裝載機(jī)節(jié)能技術(shù)研究

摘 要：裝載機(jī)節(jié)能化已成為未來發(fā)展的主要趨勢，針對目前國內(nèi)外對裝載機(jī)節(jié)能方面的研究，本文從傳動(dòng)系統(tǒng)取消液力變矩器、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋，行駛系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用獨(dú)立控制，混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)匹配和控制策略，制動(dòng)系統(tǒng)能量回收方面進(jìn)行總結(jié)研究分析，來降低系統(tǒng)能量損失，提高能量利用率，以達(dá)到節(jié)能減排的效果。

關(guān)鍵詞：節(jié)能技術(shù) 裝載機(jī) 能量損失

中圖分類號(hào)：TH243 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）11（a）-00-02

裝載機(jī)使用場地十分廣泛，但是由于其能耗高、排放差的問題，很多場地受到限制，所以節(jié)能技術(shù)的研究十分重要。目前國內(nèi)外研究主要從兩方面，一方面是對傳統(tǒng)裝載機(jī)中耗能元件的改變，另一方面是對新能源裝載機(jī)技術(shù)的研究。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)研究

傳統(tǒng)裝載機(jī)在行駛工作中，為防止過載，使用液力變矩器，但普通液力變矩器傳動(dòng)效率低，能量損失嚴(yán)重。通過對發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器優(yōu)化參數(shù)匹配，設(shè)計(jì)出閉鎖離合器電-液控制系統(tǒng)，結(jié)合裝載機(jī)的實(shí)際工作需求對閉鎖離合器的閉鎖和解鎖進(jìn)行控制，可以減少傳動(dòng)系統(tǒng)能量損失。或是用行星機(jī)構(gòu)取代傳統(tǒng)液力變矩器，行星機(jī)構(gòu)不僅能實(shí)現(xiàn)液力變矩器的功能還能回收能量，在提高傳動(dòng)系統(tǒng)的效率的同時(shí)進(jìn)一步提高裝載機(jī)的能量利用率。

裝載機(jī)工作過程中，需要頻繁啟停和換擋，為減少駕駛員疲勞，提高換擋效率，減少能量損失。采用以油門開度、車速和作業(yè)載荷系數(shù)為控制參數(shù)的自動(dòng)變速控制原理，配以變矩器效率為最優(yōu)的節(jié)能換擋規(guī)律；以整車牽引力最大的動(dòng)力換擋規(guī)律；當(dāng)車輛降擋時(shí)以最大牽引力和當(dāng)車輛升擋時(shí)以液力變矩器效率最優(yōu)為換擋目標(biāo)的綜合換擋規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)換擋[1]。采用數(shù)字控制靜液傳動(dòng)有級(jí)自動(dòng)變速方案，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字泵與發(fā)動(dòng)機(jī)、數(shù)字馬達(dá)與變化負(fù)載的動(dòng)態(tài)匹配，使發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。

2 行駛系統(tǒng)研究

液壓系統(tǒng)具有作業(yè)平穩(wěn)、效率高、可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，方便實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)控制，隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)不斷成熟，以及電液控制技術(shù)的發(fā)展，對液壓系統(tǒng)可以更好的控制，越來越多的人開始研究全液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。全液壓傳動(dòng)裝載機(jī)的工作系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)都采用液壓驅(qū)動(dòng)[2]，采用全液壓傳動(dòng)裝載機(jī)較液力機(jī)械傳動(dòng)裝載機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單，布置靈活，可以簡單適宜地使發(fā)動(dòng)機(jī)和行駛系統(tǒng)與工作系統(tǒng)之間始終保持合理的匹配，可以有效解決裝載機(jī)在工作過程中因載荷變化大而對零部件有損傷的同時(shí)保持較高的效率。

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究

對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，傳統(tǒng)裝載機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和液壓工作系統(tǒng)共用一個(gè)定量液壓泵，在轉(zhuǎn)向作業(yè)時(shí)，液壓泵會(huì)優(yōu)先對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)先供油，其余油通過溢流閥返回油路，造成能量損失嚴(yán)重。采用負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)將多余的油全部供給工作裝置，會(huì)減少由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供油過多，造成的功率損失，但是還會(huì)有溢流能量損失。采用獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控轉(zhuǎn)向原理，用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量液壓泵獨(dú)立供油，通過伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角讓方向盤的角速度和轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向速度與轉(zhuǎn)角相匹配，不會(huì)產(chǎn)生多余油，從而減少能量損失。為進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能量效率，可以采用閉式泵控流量原理來匹配轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由于轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間有機(jī)械（或液壓）聯(lián)系，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會(huì)不夠靈敏，可以采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以根據(jù)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，靈敏度更高，并為駕駛員提供合適的路感，解決了裝載機(jī)作業(yè)效率與高速行走穩(wěn)定性之間的矛盾[3]。

4 混合動(dòng)力技術(shù)研究

針對裝載機(jī)能耗高、排放差的問題，開始借鑒汽車行業(yè)中的新能源技術(shù)，把節(jié)能減排的重點(diǎn)放在混合動(dòng)力技術(shù)，目前混合動(dòng)力裝載機(jī)主要有兩種混合動(dòng)力形式，串聯(lián)式混合動(dòng)力裝載機(jī)和并聯(lián)式混合動(dòng)力裝載機(jī)。串聯(lián)式混合動(dòng)力裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)電連接，使傳動(dòng)系統(tǒng)布置靈活，并且發(fā)動(dòng)機(jī)可以一直處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，但是需要兩次能量轉(zhuǎn)換；并聯(lián)式混合動(dòng)力裝載機(jī)能量轉(zhuǎn)換次數(shù)少，存在兩個(gè)動(dòng)力源，能量利用率相對較高，對傳統(tǒng)裝載機(jī)改裝較少，但是需要?jiǎng)恿︸詈掀?，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)系統(tǒng)布置困難[4]。

混合動(dòng)力裝載機(jī)關(guān)鍵技術(shù)在參數(shù)匹配和控制策略。參數(shù)匹配是基于裝載機(jī)的工作方式和載荷譜對混合動(dòng)力裝載機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配，然后根據(jù)系統(tǒng)中關(guān)鍵元件的特性參數(shù)利用粒子群優(yōu)化算法、多目標(biāo)優(yōu)化算法對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)?；旌蟿?dòng)力裝載機(jī)控制策略比較多，運(yùn)用邏輯門限值控制策略，可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于高效區(qū)進(jìn)行工作，簡單方便易于實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用模糊邏輯控制策略，對混合動(dòng)力系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估計(jì)，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，可以有效地提高裝載機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。運(yùn)用電機(jī)最小助力控制策略，盡量提高發(fā)動(dòng)機(jī)的利用率，降低電機(jī)的利用率，避免超級(jí)電容頻繁充放電，可以減少能量轉(zhuǎn)換的損耗，提高能量利用率。運(yùn)用瞬時(shí)等效油耗最低控制策略，使發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，時(shí)時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配，可以使系統(tǒng)處于功率損失最小狀態(tài)。

裝載機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略的關(guān)鍵問題在于載荷的感知，使用油門踏板載荷感知方案，方便快捷易于實(shí)現(xiàn)，但是裝載機(jī)在工作模式下，油門踏板經(jīng)常處于全開狀態(tài)，容易使超級(jí)電容一直處于缺電狀態(tài)，SOC值難以平衡。使用變矩器轉(zhuǎn)速比載荷感知方案，可以很好的反應(yīng)行駛系統(tǒng)的載荷變化情況，但是液壓系統(tǒng)的載荷變化情況不能感知。使用需求轉(zhuǎn)矩在線估計(jì)方案，并運(yùn)用卡爾曼濾波方法估計(jì)法，可以將行駛系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的載荷變化都全面反應(yīng)。

5 制動(dòng)系統(tǒng)研究

裝載機(jī)工作形式主要有“L”型“V”型和“T”型，最常用的工作形式是“V”型作業(yè)方法，第一步先空車駛向料堆，鏟料；第二步滿載退回起點(diǎn)，第三步滿載駛向運(yùn)輸車，卸載物料；第四步空載退回起點(diǎn)。一次作業(yè)至少需要3次剎車，可見剎車非常頻繁，為節(jié)約能源可以將制動(dòng)能量進(jìn)行回收再利用[5]。通過分析制動(dòng)模式和車輪在制動(dòng)過程的受力分析，采用模糊邏輯控制算法對再生制動(dòng)和傳統(tǒng)制動(dòng)模式進(jìn)行合理區(qū)分，通過電機(jī)進(jìn)行能量回收。使用制動(dòng)力矩的分配因子，以模糊控制作為理論基礎(chǔ)，將制動(dòng)力矩的大小，SOC值，行駛速度等作為輸入值，將液電制動(dòng)力矩與再生制動(dòng)力矩的比值作為輸出值，進(jìn)而制定能量回收控制策略以提高能量回收效率。

6 結(jié)語

裝載機(jī)可以通過閉鎖離合器電-液控制系統(tǒng)或行星機(jī)構(gòu)取消液力變矩器，采用自動(dòng)變速器，提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率。采用液壓驅(qū)動(dòng)行駛系統(tǒng)，增加工作過程中參數(shù)匹配能力，保持整車高效率。采用獨(dú)立變轉(zhuǎn)速泵控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以提高液壓系統(tǒng)能量利用率。采用粒子群優(yōu)化算法、多目標(biāo)優(yōu)化算法對混合動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配，利用現(xiàn)代控制策略對混合動(dòng)力裝載機(jī)進(jìn)行控制，提高整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率。對制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用可以進(jìn)一步節(jié)約能源。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙丁選，李天宇，康懷亮，等.混合動(dòng)力工程車輛自動(dòng)變速技術(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工），2014，44（2）：358-363.

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[3] 趙樹恩，張可啟.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變角傳動(dòng)比特性研究[J].機(jī)械工程，2018，11（14）：1476-1482.

[4] 曹萬倉，林慕義，王連新，等.液壓混合動(dòng)力工程車輛能量控制策略[J].液壓與氣動(dòng)，2015（12）：25-30.

[5] 叢元英.串聯(lián)式混合動(dòng)力裝載機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及控制策略研究[D].吉林大學(xué)，2016.