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   作者：張毅

  傳統(tǒng)裝載機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率較大，裝載機(jī)的質(zhì)量也很大，正常作業(yè)時(shí)，裝載機(jī)的油耗非常大，一般每天消耗燃油200 1～400 L，排放大量有害氣體，對(duì)大氣環(huán)境造成污染；裝載機(jī)作業(yè)時(shí)發(fā)出的噪聲也較高，對(duì)周圍環(huán)境造成噪聲污染。裝載機(jī)保有量大、耗油高、排放高，其節(jié)能減排問(wèn)題一直是行業(yè)內(nèi)密切關(guān)注的課題。

1  裝載機(jī)節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1  動(dòng)力元件的節(jié)能空間

  裝載機(jī)的動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)液壓系統(tǒng)、液力變矩器、變速箱、驅(qū)動(dòng)橋等傳動(dòng)部件到達(dá)行走和工作系統(tǒng)。多年來(lái)，各元件生產(chǎn)廠家對(duì)各自的產(chǎn)品進(jìn)行了許多優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得各元件的局部效率得到了很大的提高，但是想通過(guò)技術(shù)手段繼續(xù)提高元件的效率和匹配特性變得十分困難，節(jié)能空間也越來(lái)越小。

1.2  混合動(dòng)力技術(shù)

  裝載機(jī)在作業(yè)過(guò)程中存在大量的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，伴隨著作業(yè)過(guò)程產(chǎn)生的動(dòng)能和勢(shì)能，如不加以回收利用，將會(huì)產(chǎn)生很大的能量損失。因此，裝載機(jī)的混合動(dòng)力和能量回收技術(shù)可有效利用能量，提高效率，降低油耗、排放和噪聲。具有混合動(dòng)力系統(tǒng)的裝載機(jī)具有不止一個(gè)動(dòng)力源，一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)，另一個(gè)是液壓蓄能器。蓄能器的工作過(guò)程分為能量回收和能量釋放兩個(gè)階段，在能量回收階段，混合動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)液壓電氣控制方式將裝載機(jī)的制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為液壓能存儲(chǔ)在蓄能器中；在能量釋放階段，混合動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)液壓電氣方式將蓄能器中的能量輸出到行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，單獨(dú)或者輔助發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)裝載機(jī)進(jìn)行行走驅(qū)動(dòng)。能量吸收和輔助驅(qū)動(dòng)構(gòu)成了能量循環(huán)，有效降低了裝載機(jī)的油耗、排放和噪聲，是一種新型的節(jié)能技術(shù)。

  國(guó)外如美國(guó)、日本和德國(guó)等對(duì)混合動(dòng)力展開(kāi)了多年的研究，其技術(shù)較領(lǐng)先，日本企業(yè)在2003年就開(kāi)發(fā)出了油電混合動(dòng)力的裝載機(jī)。隨后，歐洲的工程機(jī)械企業(yè)也開(kāi)始研發(fā)混合動(dòng)力的輪式裝載機(jī)。美國(guó)從2004年開(kāi)始陸續(xù)推出了具有液壓混合動(dòng)力技術(shù)的多功能作業(yè)車、公交車、環(huán)衛(wèi)車和伸縮臂叉車等。目前，德國(guó)的力士樂(lè)公司已經(jīng)在環(huán)衛(wèi)車、物料搬運(yùn)車、單斗挖掘機(jī)等工程機(jī)械上應(yīng)用了液壓混合動(dòng)力技術(shù)，并且形成了產(chǎn)業(yè)化。

  最近幾年，國(guó)內(nèi)的眾多科研機(jī)構(gòu)也開(kāi)始研究混合動(dòng)力技術(shù)，包括柳工推出的CLG862-HYBRID電動(dòng)混合動(dòng)力裝載機(jī)、徐工集團(tuán)推出的ZL50G液壓混合動(dòng)力裝載機(jī)、山河智能推出的搭載油液混合動(dòng)力技術(shù)的單斗挖掘機(jī)等。

2  液壓混合動(dòng)力的技術(shù)路線

  液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)的主要組成部件有：液壓泵馬達(dá)、蓄能器、傳感器、主控制器和動(dòng)力耦合器等。根據(jù)動(dòng)力在系統(tǒng)中的傳動(dòng)路線來(lái)劃分，液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)基本可以劃分為3種不同的類型：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

2.1  串聯(lián)式

  如果混合動(dòng)力系統(tǒng)中的主要零部件包括柴油機(jī)、變量液壓泵、控制閥組、傳感器、控制器、蓄能器和泵馬達(dá)等，并且這些元件按照功率流動(dòng)的方向是串聯(lián)連接的，該方式稱為液壓串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。該系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)和控制方便，系統(tǒng)響應(yīng)快速，但是功率傳遞過(guò)程中的損耗過(guò)大，導(dǎo)致節(jié)能效果不明顯，因此，該動(dòng)力系統(tǒng)特別適合中小型的液壓車輛和工程機(jī)械。液壓串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)原理如圖1所示。

2.2并聯(lián)式

  如果液壓并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中的主要零部件有柴油機(jī)、蓄能器、控制閥組、控制器和泵馬達(dá)等，而且車輛的驅(qū)動(dòng)能源可單獨(dú)由柴油機(jī)提供，也可以單獨(dú)由液壓蓄能器提供，兩套能源既可以單獨(dú)工作，也可以聯(lián)合工作，則稱之為液壓并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。該系統(tǒng)傳動(dòng)效率高，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)控制器的軟件性能的要求較高，因而主要用于大型的液壓車輛、工程機(jī)械和特種作業(yè)機(jī)械上。液壓并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)原理如圖2所示。

2.3  混聯(lián)式

  將并聯(lián)式和串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)組合起來(lái)形成混合式的混合動(dòng)力系統(tǒng)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，確保系統(tǒng)在最優(yōu)狀態(tài)下工作，則可以進(jìn)一步節(jié)能。但實(shí)際上，混合式系統(tǒng)對(duì)零部件的要求很高，系統(tǒng)復(fù)雜龐大，控制難度極大，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性并不好。

3混合動(dòng)力應(yīng)用實(shí)例

  裝載機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，液壓混合動(dòng)力的能量轉(zhuǎn)換單元可以回收部分能量，儲(chǔ)存在液壓蓄能器中，這些能量可以在同一個(gè)工作循環(huán)中釋放再利用，在車輛啟動(dòng)或加速過(guò)程中作為輔助能源，與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗和排放。這些可以回收的能量主要來(lái)自于車輛制動(dòng)的動(dòng)能、坡道行駛時(shí)的勢(shì)能和工作裝置帶載下降過(guò)程中的重力勢(shì)能。圖3為帶有行走制動(dòng)能量回收裝置的裝載機(jī)并聯(lián)混合動(dòng)力原理圖。

  圖3中的系統(tǒng)包含兩部分：①傳統(tǒng)的裝載機(jī)液壓系統(tǒng)，其主要零部件包括柴油機(jī)、液力變矩器、動(dòng)力換檔變速箱、離合器和主控制閥等；②在原有液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加的能量回收系統(tǒng)，這個(gè)新增的能量回收系統(tǒng)的主要零部件包括泵馬達(dá)、控制閥組、主控制器、液壓蓄能器和傳感器等。裝載機(jī)正常工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力一部分用于驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，另一部分用于驅(qū)動(dòng)工作裝置，實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)的轉(zhuǎn)向與裝載工作。當(dāng)裝載機(jī)制動(dòng)時(shí)，離合器斷開(kāi)柴油機(jī)與行走機(jī)構(gòu)之間的連接，然后將行走機(jī)構(gòu)與泵馬達(dá)相連，此時(shí)，行走機(jī)構(gòu)由于慣性的作用驅(qū)動(dòng)泵馬達(dá)工作，將裝載機(jī)的行駛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液壓能，由泵馬達(dá)儲(chǔ)存到蓄能器中，實(shí)現(xiàn)了能量的回收。當(dāng)裝載機(jī)再次啟動(dòng)時(shí)，控制閥組將蓄能器中的液壓能釋放出來(lái)，通過(guò)泵馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了能量的再利用。裝載機(jī)的能量回收和再利用的過(guò)程都由主控制器進(jìn)行控制，其控制依據(jù)包括工況循環(huán)參數(shù)、駕駛員的操作信號(hào)和車輛制動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)等。圖4為控制器模型示意圖。通過(guò)分析可知，影響裝載機(jī)能量回收的主要因素是行駛速度、制動(dòng)力矩、蓄能器容積等，當(dāng)行駛速度較高、制動(dòng)力矩較大時(shí)，能量回收系統(tǒng)能夠回收的能量更多，再生效率也較高，通過(guò)仿真試驗(yàn)與實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證，節(jié)能效果達(dá)20%以上。

  4結(jié)論

  混合動(dòng)力技術(shù)是工程機(jī)械節(jié)能的有效方式，特別是對(duì)于裝載機(jī)，如果混合動(dòng)力技術(shù)獲得廣泛的應(yīng)用，每年可以節(jié)約的燃油、降低的排放將十分可觀，這不但可以提升我國(guó)裝載機(jī)的技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，還能減少對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

混合動(dòng)力系統(tǒng)的使用，也會(huì)給傳統(tǒng)裝載機(jī)帶來(lái)一 些新的問(wèn)題，如再生系統(tǒng)的增加會(huì)增加整機(jī)重量，增加系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制難度，可能會(huì)增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，對(duì)輔助動(dòng)力元件的壽命也提出了更高要求，這些是后續(xù)混合動(dòng)力系統(tǒng)推廣應(yīng)用需要進(jìn)一步研究與解決的問(wèn)題。

5摘要：介紹了混合動(dòng)力技術(shù)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、當(dāng)前應(yīng)用于工程機(jī)械上的混合動(dòng)力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、連接方式及其技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了液壓并聯(lián)混合動(dòng)力在裝載機(jī)行走液壓系統(tǒng)的制動(dòng)能量回收方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并指出了存在的問(wèn)題及后續(xù)的研究方向。