新型液压混合动力及无级变速技术应用分析

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1、新型液压混合动力及无级变速技术应用分析   1、前言　　工程机械除了完成特定工作所必需消耗的能量即有用功以外，还必须提供附加的能量来完成工作循环，包括重力势能与运动动能，附加能量通常通过制动机构消耗掉了。比如挖掘机，重达几顿的转台要频繁的起停，动臂和斗杆需要不断的上升下降；再如几顿和十几吨重的的叉车和装载机，要在料场到运输车之间来回穿梭，其中浪费了相当多能量。工程机械的能量利用率即有用能耗与总能耗之比，普遍较低，有的还不到50%。因此，工程机械节能的空间相当巨大。　　工程机械的节能主要围绕着如何提高原动机的效率与如何回收附加能量来展开。要提高

2、原动机效率，就必须使用无级变速技术使原动机在大幅度变化的负载工况下，一直能工作在高效区。要回收附加能量就必须有高效的能量转换与储存装置。　　工程机械中的主要耗能机构是以液压缸驱动的直线运动部件和以马达驱动的旋转运动部件。其中能量浪费最大的是其转动或者行走机构，其传动的主要形式有三种：一是采用摩擦式离合器+机械变速器即手动档，传动效率高，但劳动强度大，磨损快。二是用液力变矩器+机械自动变速器形式，传动平稳，但在频繁起停的工程机械上，效率很低，最高效率85%，平均效率甚至低于70%。三是采用液压或者电动马达直接驱动。三类传动形式各有优缺点，前两种

3、的问题是只能匹配单一动力源和能量的单向流动，不能实现制动能量的回收，主要用在叉车和装载车等轮式行走机构中。后一种传动则要通过能量形式转换，虽然能回收部分制动能，但传动效率不高，主要用在履带式行走机构中。　　最近十多年来，随着电池和功率电子技术的进步，具有百年历史的电动技术又逐步加盟到工程机械动力总成中来，构成油电混合动力传动（HybridElectricVehicle，HEV）。它能够实现工程机械制动动能的部分回收，还在深度混合动力中同时实现无级变速，即ECVT，。但是，油电混合也存在明显的弱点，首先是成本高，需要大功率的电机、电机控制器和大

4、功率电池，增加数万元的成本，短期内还很难被市场所接受。其次是转换次数多导致节能效率不高，如工程机械中大量使用的液压马达驱动，需要回收的是工作部件的重力势能，在油电混合动力中是通过发电机发电，并储存到电池或者超级电容中。回收效率受限于电池充电功率，实际能达到比常规传动方式节油20%-25%。　　在石油资源相当匮乏，工程机械尾气排放污染相当严重，而工程机械产业又在高速发展的中国，如何找到一种能够迅速产业化，成本低又高效节能减排的传动技术，是工程机械产业界面临的巨大挑战。　　液压技术是一种低成本、高比功率、安全成熟的技术，在工程机械的各种液压执行机

5、构中已经得到广泛应用，随着现代技术的进步，以液压传动为基础的低成本高效节能液混动力无级变速技术必将在工程机械中得以全面推广应用。　　关于液压与电动混合动力的特点，请参见哈尔滨工业大学姜继海教授在本刊2010年第10期和第11期上“液驱及电动混合动力在挖掘机的运用”的文章，做了非常详细的分析和对比。本文重点推荐一种新型的混合动力与无级变速节能技术。　　2、液压马达驱动的混合动力节能技术　　2.1系统结构与原理　　在工程机械中，大量采用液压马达作为驱动动力源，如挖掘机上的转台，履带式行走机构等。传统的制动方式是用制动盘或者制动鼓把机械的动能转换为

6、热能散发到空气中去了。也有用发电机来制动，转换为电能储存在电池中，但成本高，效果一般。　　本文介绍一种简单高效的混合动力驱动方法，其结构见图1：　　该机构由一台液压泵/马达装置、一个液压蓄能器、一个控制阀与传动控制器TCU构成。其工作原理是，外界压力油源驱动液压马达带动工作机械旋转，到达工作位置后，液压马达转换为液压泵对工作机械制动，液压泵输出高压油进入液压蓄能器，将机械动能转换为液压能储存起来。当下一个循环启动时，液压蓄能器中的高压油将驱动液压马达带动工作机械旋转，从而使制动能量得以部分再生利用。　　2.2数字控制四象限变量液压泵/马达装置

7、　　本结构中的关键部件是要能在四象限运转的变量液压泵/马达。通常而言，传统的液压马达是不能作为液压泵使用，而液压泵也不能作为液压马达使用，并且，液压泵也不能双向旋转，否则，其使用寿命、工作效率将大幅度下降，而噪声大幅度上升。本文作者与力源液压公司通过数年的共同努力，开发出一种全数字闭环反馈控制，能实现四象限运行的高效低噪声液压泵/马达装置。　　由该泵/马达组成的一款双联静压传动装置HST如图2，它由两个四象限液压泵/马达构成。　　其中任意一个泵/马达的参数如下：　　外形尺寸：　　长x宽x高220x180x200mm　　重量：28kg　　工作/

8、最高压力：30/35Mpa　　工作/最高转速：2500/3200rpm　　噪声：84db，离泵1M处测量　　比功率达到4.6kw/kg和18kw/L。其重量、体积、