混合動力挖掘機能量回收效率評價方法研究

周 雨，王 勇，2，劉實現(xiàn)，田 鵬

（1. 徐州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，江蘇 徐州 221000；2. 中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇 徐州 221006；3. 徐州市勘察測繪研究院，江蘇 徐州 221000；4. 中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221006）

工程機械廠商紛紛展開了混合動力技術(shù)在工程機械上的應(yīng)用研究。2009年科技部將“新型混合動力工程機械關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)”項目列入國家“863”計劃先進制造技術(shù)領(lǐng)域的重點項目，從國家層面對該技術(shù)的研究進行引導(dǎo)和支持。同時，三一重工、山河智能和徐工集團等國內(nèi)知名工程機械企業(yè)，以及浙江大學、同濟大學和中南大學等科研院校在內(nèi)的眾多機構(gòu)也都針對該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用展開了不懈的努力。由于沒有統(tǒng)一的評判標準，各研究單位的研究成果均按各自規(guī)定的條件進行測試，所得結(jié)果不能用于評價真實技術(shù)水平，為技術(shù)路線和用戶選擇帶來不便?；诖?，本文提出一種能量回收效果評價方法，可作為評價混合動力能量回收系統(tǒng)技術(shù)水平的指標之一。

1 測試樣機混合動力系統(tǒng)簡介

本文以國內(nèi)某知名工程機械企業(yè)所研發(fā)的20t混合動力挖掘機為樣機，對其能量回收率進行檢測分析，以對其節(jié)能效果進行評價?；旌蟿恿υ砣鐖D1所示，其工作過程為：挖掘機回轉(zhuǎn)溢流能量經(jīng)回轉(zhuǎn)能量回收閥回收，動臂下降時的勢能經(jīng)動臂能量回收閥回收，回收的能量以壓力能的形式分別存儲于蓄能器中。系統(tǒng)需要動力時，蓄能器中的壓力能由能量釋放閥釋放進入輔助馬達，與發(fā)動機一起提供混合動力共同驅(qū)動主泵運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)能量的回收利用，達到降低油耗的目的。

圖1 混合動力系統(tǒng)原理圖

2 能量回收效率評價方法

目前，對能量回收效率的評價主要有兩種方法：一是采用回收能量與液壓系統(tǒng)消耗總能量的比值來評價；二是采用回收能量與可回收能量的比值來評價。由于液壓系統(tǒng)消耗總能量的影響因素較多，受系統(tǒng)本身性能優(yōu)劣的影響大，其本身不標準，因此第一種評價方法的客觀性、統(tǒng)一性難以保證；第二種評價方法直接反應(yīng)了混合動力系統(tǒng)能量回收率的性能，受外界條件影響小，且客觀性、統(tǒng)一性較強。

混合動力系統(tǒng)回收能量為進入蓄能器流量和壓力乘積的積分，計算方法為

E——回收能量，單位為kJ；

P（t）——蓄能器輸入壓力，單位為MPa；

Q（t）——蓄能器輸入流量，單位為L/s；

t1—— 一個測試循環(huán)中，蓄能器油液輸入初始時刻，單位為s；

t2—— 一個測試循環(huán)中，蓄能器油液輸入結(jié)束時刻，單位為s。

采用公式（1）計算時，動臂和回轉(zhuǎn)蓄能器分別采用各自的數(shù)據(jù)。

動臂勢能可回收能量為動臂下降時動臂油缸無桿腔流量和壓力乘積的積分，仍然采用公式（1）的計算方法?；剞D(zhuǎn)溢流可回收能量有兩部分，其一為回轉(zhuǎn)啟動時回轉(zhuǎn)溢流流量與壓力乘積的積分；其二為回轉(zhuǎn)制動時回轉(zhuǎn)溢流流量與壓力乘積的積分。每部分能量的計算方法仍然采用式（1）。

能量回收率的計算為回轉(zhuǎn)、動臂回收能量之和與回轉(zhuǎn)、動臂可回收能量之和的比值

以式（2）結(jié)果作為評價混合動力系統(tǒng)能量回收技術(shù)的優(yōu)劣，消除了機型和系統(tǒng)的差異，具有較好的客觀性、一致性。

3 測試方法

動臂油缸無桿腔流量有方向性，因為流量計雙向測試時精度不高，因此對動臂下降時動臂油缸無桿腔流量采用間接測量的方法。通過測試動臂油缸的速度與動臂油缸無桿腔截面積的乘積間接表示無桿腔流量。為避免雙向回轉(zhuǎn)對流量計的影響，在回轉(zhuǎn)能量回收測試時，采用單向回轉(zhuǎn)的方式。

（1）動臂能量回收測試。

動臂能量回收系統(tǒng)測試主要包括：動臂蓄能器輸入液壓油流量和壓力，動臂油缸無桿腔油液壓力，動臂油缸速度。動臂油缸無桿腔流量為

式中 r缸——動臂油缸無桿腔截面積；

v降——動臂油缸縮回速度。

測試方案如圖2所示，在油缸活塞桿上配置速度傳感器，在無桿腔配置壓力傳感器，分別測試動臂下降時油缸速度和無桿腔壓力。在蓄能器入口配置壓力傳感器和流量計分別測試進入蓄能器的油液壓力和流量。測得的數(shù)據(jù)分別代入式（1）、（3）進行計算。

圖2 動臂能量回收測試方案

（2）回轉(zhuǎn)能量回收測試。

回轉(zhuǎn)能量回收系統(tǒng)測試主要包括：回轉(zhuǎn)啟動時馬達入口壓力和溢流流量，回轉(zhuǎn)制動時馬達出口壓力和溢流流量，進入回轉(zhuǎn)蓄能器的油液壓力和流量，動臂蓄能器輸入液壓油流量和壓力，動臂油缸無桿腔油液壓力，動臂油缸速度。在回轉(zhuǎn)蓄能器前分別接入流量計和壓力傳感器，在回轉(zhuǎn)馬達回轉(zhuǎn)能量回收閥后接入流量計和壓力傳感器，如圖3所示。

圖3 回轉(zhuǎn)能量回收測試方案

測試方案如圖3所示，在回轉(zhuǎn)馬達進出油口分別接入流量計和壓力傳感器，用于分別測試回轉(zhuǎn)啟制動時回轉(zhuǎn)系統(tǒng)溢流流量和壓力；在回轉(zhuǎn)蓄能器入口接入流量計和壓力傳感器，用于測試進入蓄能器的油液流量和壓力。測得的數(shù)據(jù)分別代入式（1）進行計算。

4 測試結(jié)果分析

以某公司20t級混合動力挖掘機為樣本，對能量回收效率進行測試，結(jié)果見表1。以5次測試均值帶入公式（2）進行計算，得到混合動力能量回收效率為64.8%。其他形式或技術(shù)路線的混合動力系統(tǒng)均以此種方法計算能量回收效率，能量回收效率越高，可判斷技術(shù)越好，以此進行能量回收系統(tǒng)技術(shù)水平的判斷。

5 結(jié)束語

（1）提出了一種相對客觀、統(tǒng)一的評判混合動力系統(tǒng)能量回收技術(shù)科技水平的方法。并在考慮了挖掘機動作特性和傳感器特性后，分別給出了動臂能量回收系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)能量回收系統(tǒng)的測試方案。

表1 混合動力挖掘機能量回收測試數(shù)據(jù)

（2）通過對某公司20t級混合動力挖掘機能量回收效率進行測試，證明了本文研究的測試計算方法可行。

（3）對混合動力系統(tǒng)采用此統(tǒng)一的方法進行測量，即可得到各種混合動力能量回收系統(tǒng)的效率，可作為能量回收系統(tǒng)技術(shù)水平的評價指標之一。