履帶推土機混合動力技術(shù)探究

金盼墅

摘要：在我國工業(yè)發(fā)展過程中，越來越重視環(huán)保和節(jié)能，履帶式推土機也開始廣泛應(yīng)用混合動力技術(shù)。本文通過介紹串聯(lián)式和并聯(lián)式履帶式推土機混合動力設(shè)計方案，探究履帶式推土機混合動力技術(shù)，以期通過技術(shù)分析促進履帶推土機更科學(xué)、有效的應(yīng)用混合動力技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：履帶式推土機;混合動力技術(shù);串聯(lián);并聯(lián)

一、履帶推土機串聯(lián)式混合動力方案

第一種串聯(lián)式履帶推土機混合動力技術(shù)方案可見圖1，整體結(jié)構(gòu)比較簡單，交流發(fā)電機在發(fā)動機的帶動之下完成發(fā)電，在整流器功能作用發(fā)揮下促進交流轉(zhuǎn)化為直流，而后在逆變器利用下向交流電方向逆變，然后實現(xiàn)不同交流電機的輸入，從而驅(qū)動履帶實現(xiàn)行走功能，整體為雙側(cè)電機獨立驅(qū)動形式。在推土機轉(zhuǎn)向操作過程中，為實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，可對兩種驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速進行合理調(diào)節(jié)，此方式也能實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向[1]。該結(jié)構(gòu)中儲能裝置可對多出的發(fā)電機能量進行吸收，還可對制動能進行回收。推土機運行期間提出較大的功能需求時，可適時釋放電能為供能系統(tǒng)提供輔助幫助，結(jié)構(gòu)比較簡單，不過對直行以及轉(zhuǎn)向提出比較高的協(xié)調(diào)控制要求，并且外側(cè)電機展開轉(zhuǎn)向操作期間可能會出現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速。

第二種方案是以第一種方案為基礎(chǔ)增設(shè)了轉(zhuǎn)向電機，對于直驅(qū)電機有所減少。其中一個電機主要作用是驅(qū)動直行，還有一個電機主要作用是驅(qū)動轉(zhuǎn)向，由此簡化整體轉(zhuǎn)向控制操作。不過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局更加復(fù)雜，結(jié)構(gòu)布置不具有較高靈活性，在直驅(qū)電機功能作用發(fā)揮下，為整機行走提供驅(qū)動力，裝機涉及到較大功率，并且結(jié)構(gòu)尺寸也更大。

第三種方案是在雙側(cè)電機獨立驅(qū)動形式基礎(chǔ)上進行適當(dāng)變形，并增設(shè)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，新增的系統(tǒng)布局和第二種方案基本類似，直行牽引電機以獨立運行方式驅(qū)動，這使得裝機功率有所下降，不過結(jié)構(gòu)元件設(shè)置數(shù)量會明顯增加，從而使結(jié)構(gòu)布局具有更高復(fù)雜性。

上述三種方案均可對能量實現(xiàn)回收再利用，并且有著一致的動力源組。

二、履帶推土機并聯(lián)式混合動力方案

第一種并聯(lián)式混合動力設(shè)計方案當(dāng)中，設(shè)計思路是先合理分配發(fā)動機動力，其中部分動力作用在直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)中，以促進轉(zhuǎn)向功能發(fā)揮，其余部分主要通過電流變換裝置、發(fā)電機以及直驅(qū)電機產(chǎn)生驅(qū)動力支持整機行走，而儲能裝置的功能主要是對多出的發(fā)動機能量加以吸收，并對制動能進行回收，在設(shè)備提出較大的功能需求情況下適時釋放電能，為供能系統(tǒng)提供輔助幫助，儲能裝置結(jié)構(gòu)相對較為簡單。在此并聯(lián)式方案當(dāng)中，借助發(fā)動機直接性質(zhì)的動力轉(zhuǎn)向，促使機械能和電能在相互轉(zhuǎn)換期間避免過度損失能量，在直行以及轉(zhuǎn)向控制方面操作難度不大，不過對動力分配要求較高，設(shè)計難度相對較大，并且整體結(jié)構(gòu)不具備良好的靈活性[2]。

第二種方案可看作并聯(lián)式方案直驅(qū)情況下雙側(cè)獨立驅(qū)動類型的結(jié)構(gòu)形式，直線行駛由兩種電機同步驅(qū)動，由此降低裝機功率，不過會明顯增加電機數(shù)量，還會使控制元件數(shù)量也上升，所以系統(tǒng)具有較高復(fù)雜性。

三、履帶推土機混合動力技術(shù)分析

相比于以往的液力機械傳動，混合動力系統(tǒng)涉及到的主要技術(shù)有驅(qū)動行駛、電傳動系統(tǒng)、動力源、控制策略能源管理等。本文研究中以第一種串聯(lián)式方案雙側(cè)電機獨立驅(qū)動混合動力系統(tǒng)為例，對相關(guān)技術(shù)展開深入分析。

1.能量管理和控制技術(shù)

在第一種串聯(lián)式方案當(dāng)中，雙側(cè)電機獨立驅(qū)動形式混合動力履帶推土機的控制結(jié)構(gòu)以及能量流動關(guān)系可見圖2。

由此可見，當(dāng)推土機提出差異化負載功率需求情況下，可合理選擇控制策略，促使超級電容、發(fā)動機-發(fā)電機組相關(guān)差異化能量分配比例恰當(dāng)，保持彼此協(xié)同作業(yè)，并共同為雙側(cè)驅(qū)動電機以及其余的輔助裝置供給能量，從而達到推土機所提出的功率需求。對于驅(qū)動系統(tǒng)控制，可選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，也可選擇轉(zhuǎn)距調(diào)節(jié)，駕駛?cè)藛T操作輸入信號以及反饋信號會傳輸至整機控制單元當(dāng)中，該單元在接收到相應(yīng)信號后將向雙側(cè)驅(qū)動電機控制器、發(fā)動機-發(fā)電機控制器還有其他類型的輔助控制器傳輸控制信號指令。相應(yīng)的，雙側(cè)驅(qū)動電機控制器、發(fā)動機-發(fā)電機控制器還有其他類型的輔助控制器會面相各自實際控制對象實現(xiàn)動態(tài)、實時控制，由此充分發(fā)揮整機控制以及能量流動功能。

2.儲能裝置

在履帶推土機的混合動力電氣系統(tǒng)內(nèi)部，所涉及的儲能裝置主要是電容以及蓄電池，這兩種裝置應(yīng)用也最廣泛。不同的儲能裝置有著不同的性能特點，其中蓄電池的功率密度較小，循環(huán)壽命較短，能量密度大，充放電效率較低，雖然成本也低，但是可靠性一般;普通電容功率密度較大，循環(huán)壽命較長，能量密度小，充放電效率比較高，雖然整體成本較高，但是可靠性也較高;超級電容的功率密度比較大，循環(huán)壽命最長，能量密度比較大，充放電效率高，成本高同時可靠性也高。相比之下，在推土機混合動力系統(tǒng)當(dāng)中最適合應(yīng)用超級電容。

3.電傳動和驅(qū)動電機

目前電傳動系統(tǒng)主要分為四種電傳動類型，分別是直-直、交-交、交-直以及交-直-交。其中，直-直類型的電動傳動系統(tǒng)主要經(jīng)直流發(fā)電機實現(xiàn)直流電的輸出，并向直流電動機方向輸入，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，且調(diào)速性能優(yōu)良，不過直流電動機具有比較大的結(jié)構(gòu)體積，整體質(zhì)量較大，并且成本也較高;和直-直系統(tǒng)相比，交-直系統(tǒng)當(dāng)中的交流發(fā)電機明顯提升了轉(zhuǎn)速，未涉及到轉(zhuǎn)向器，整體結(jié)構(gòu)比較簡單，并且結(jié)構(gòu)體積較小，綜合質(zhì)量較輕，便于操作和維修，整體運行具有較高可靠性，不過依舊屬于直流驅(qū)動電機;對于交-直-交系統(tǒng)來說，能夠有效控制電機頻率，可更加方便的調(diào)整轉(zhuǎn)速，并且交流電動機未涉及到轉(zhuǎn)向器，整體結(jié)構(gòu)比較簡單，并且結(jié)構(gòu)尺寸比較小，可使所設(shè)計出的電機具有較高轉(zhuǎn)速和較大功率;對于交-交系統(tǒng)來說，直接將直流環(huán)節(jié)撤除，對變頻技術(shù)提出較高要求，整體控制系統(tǒng)具有較高復(fù)雜度，當(dāng)前應(yīng)用不多。

對于推土機來說，驅(qū)動電機主要需求是體積小、功率大以及低速大轉(zhuǎn)距，隨著現(xiàn)代化電力電子器件不斷發(fā)展，并和各種電傳動系統(tǒng)的特點相結(jié)合，考慮在混合動力電傳動系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中最適宜使用的電傳動系統(tǒng)是交-直-交類型，而交流驅(qū)動電機主要選擇永磁同步電機。

4.發(fā)動機-發(fā)電機組

在履帶推土機的混合動力系統(tǒng)當(dāng)中，發(fā)動機-發(fā)電機組是主要的能量來源，也是重要的能量供給裝置。為保證所設(shè)計的發(fā)動機-發(fā)電機整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，方便布局，同時可和推土機運行期間負載變化幅度大情況相適應(yīng)，要求所應(yīng)用發(fā)動機-發(fā)電機組的可靠性要高，性能也要高，并且功能密度高，整體結(jié)構(gòu)緊促，還要求具有較高經(jīng)濟性，這就提出較高技術(shù)要求，就目前情況來說難以實現(xiàn)。相比之下，柴油發(fā)動機經(jīng)過多年研發(fā)與實踐有較高成熟度，而要求緊湊性高以及功率密度高的發(fā)電機主要可選擇永磁同步電機。由于推土機是一種牽引型車輛，并未對作業(yè)質(zhì)量提出非常高的要求，只需要確保負荷和速度兩者有良好的適應(yīng)力，并能夠使發(fā)動機功率得到最大程度的利用，適度減少油耗比即可。因為儲能裝置可對路面生態(tài)功率所發(fā)生的變化情況進行動態(tài)實時、跟蹤，而柴油發(fā)動機能夠以單點恒功率形式運行，由此可保證發(fā)動機一直保持最佳工作狀態(tài)。

四、結(jié)束語

履帶推土機應(yīng)用混合動力技術(shù)，有助于實現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)，并可簡化結(jié)構(gòu)，減少運動部件數(shù)量，促使發(fā)動機始終保持高效工作狀態(tài)。上文所提出的幾種混合動力傳統(tǒng)設(shè)計方案中，雙側(cè)電機獨立驅(qū)動混合動力方案是結(jié)構(gòu)最簡單的，可著重應(yīng)用此方案。基于該方案，考慮履帶推土機在應(yīng)用混合動力技術(shù)期間，著重探究動力源、能量控制和管理、電傳動系統(tǒng)以及驅(qū)動行駛技術(shù)等。

參考文獻

[1]杜博鋒. D320E大功率電傳動推土機動力特性匹配研究[D].河南科技大學(xué)，2019.

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[3]秦兆博，羅禹貢，解來卿，陳文強，李克強.基于行星傳動的雙?；旌蟿恿β膸к囕v傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，58（01）：27-34.