混合动力装载机电力变矩机理.pdf

第 1 2卷第 4期 2 0 1 4年 8月 中国工程机械学报 CHI NE S E J ( ) URNAL OF CONS TR UC TI ON MACHI NER Y Vo 1 1 2 No 4 Au g 2 0 1 4 混合动 力装载机 电力变矩机 理 邹乃威 ， 韩 平 ， 常 胜 ， 周大帅 ( 佳木斯大学 机械工程学院， 黑龙江 佳木斯 1 5 4 0 0 7 ) 摘要： 在分析导致装载机油耗率偏高原因的基础上 ， 针对装载机油耗特性提出了一种混合动力装载机机电耦合 方案 该方案不仅便于实现所有的混合动力工作模式 ， 其电力变矩工作模式还采用两 自由度的行星排取代液力 变矩器， 通过提高传动效率进一步降低装载机油耗率 电力变矩工作模式将发动机的功率按工况要求分配给传 动系统和电力驱动系统 ， 电机通过反转发电的方式回收发动机的盈余功率 ， 同时利用行星排的降速增扭特性满 足装载机在低转速、 大转矩工况的动力需求 ， 避免液力传动的功率损失 ， 提高能量的有效利用率 关键词： 装载机； 混合动力； 行星排；电力变矩； 中图分类号 ： T H 1 2 2 文献标志码 ： A 传动效率 文章 编号 ： 1 6 7 25 5 8 1 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 2 8 7 0 6 El e c t r i c t or q ue c o nve r s i o n m e c hani s m of hy br i d l oa de r s ZOU Na i we i ，HAN Pi n g，C HANG S h e n g，Z HOUDa s h ua i ( C o l l e g e o f Me c h a n ic a l E n g i n e e r i n g ，J i a Mu S i U n i v e r s i t y ， J i a mu s i 1 5 4 0 0 7 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Du e t o t h e h i g h f u e l c o n s u mp t i o n r a t i o o f l o a d e r s ， a n e l e c t r o me c h a n i c a l c o u p l i n g s c h e me i s p r o p o s e d b a s e d o n t h e f u e l c o n s u mp t i o n p r o p e r t i e s Th i s s c h e me i s u s e d t o r e a l i z e t h e h y b r i d wo r k i n g mo d e B y s t a b i l i z i ng t h e e ng i n e wo r ki ng r a ng e t o r e d u c e t h e l o a d e r f u e l c o ns u mp t i o n r a t i o， t h e e l e c t r i c t o r q u e c o n v e r s i o n mo d e i s a p p l i e d wi t h t wo f r e e d o m p l a n e t a r y r o w i n s t e a d o f h y d r o me c h a n i c a l c o n v e r t e r By e n h a n c i n g t h e c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y t o f u r t h e r r e d u c i n g t h e l o a d e r f u e l c o n s u mp t i o n r a t i o ， t h e e l e c t r i c t o r q u e c o n v e r s i o n mo d e i s a p pl i e d wi t h e n gi ne p o we r a l l o c a t i o n t o t r a ns mi s s i o n a nd e l e c t r i c a l s ys t e ms As s u c h， t h e p o we r g e n e r a t i o n b y m o t o r r e v e r s i o n i s u se d t o r e c y c l e t h e s u r p l u s d y n a mo po we r ，whi l s t t h e p l a n et a r y r o w i s us e d t o r e d uc e t o r q u e i n c r e me n t p r o p e r t y f o r l o w s p e e d a n d h i g h t o r q u e wo r k i n g c o n d i t i o n s Th e r e i n， t h e p o we r l o s s o f h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n i s a v o i d e d wi t h h i g h e n e r g y e f f i c i e n c y Ke y wo r d s ：l o a d e r ；h y b r i d p o we r ；p l a n e t a r y r o w；e l e c t r i c t o r q u e c o n v e r s i o n；t r a n s mi s s i o n e f f i c i e n c y 装载机是一种以散装物料为作业对象的工程 机械 ， 其 自动化程 度高、 环境适 应性强 、 作 业模式 多 ， 在建筑 、 矿 山和港 口等领域均得到 了广泛 的应 用 ， 但其燃油经济性和排放性仍有待改善 近几年， 在燃油价格上 涨和排放法规 日益严格 的双重压力 下 ， 这一问题 也越来越引起 人们的关注 学术 界针 对装载机的工作特性提出了很 多节 能减 排技术方 案 ， 其 中混合动力技术是较 活跃的一个分支l 1 理 论上 ， 混合动力装载机存在多种节能途径 ， 历届 国 际工 程机 械 展 会 上 也 展 出 过 节 能 途 径 各 异 的 混 合 动力装载机 ， 究竟哪种节能途径最具节能潜力和实 用价值至今尚无定论 2 本文介绍一种利用行星排 的两 自由度结构将发动机和 电机动力耦合 的混合 动力装载机结构方案 ， 该方案在实现各种混合动力 工作模式的 同时还通过行星排取替液力变矩器实 现降速 、 增扭功能 ， 从 降低发动机的油 耗率和提高 传动系统 的传动效率两方面改善装载机 的油耗和 排放性能， 充分挖掘混合动力装载机的节能潜力 基金项 目：国家 自然基金 ( 5 1 1 0 5 1 7 3 ) 作者简介 ： 邹乃威 ( 1 9 7 7一) ， 男 ， 副教授 ， 硕士生导师 ， 博士 E ma i l ： n a i we i z o u 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 1 2卷 l 装载机油耗率高的原因分析 装载机的工作性质决定 了其能耗率 高和机动 性强的特性 ， 这一特性限制 了其 向电动化方 向的发 展 由于移动 电源的能量密度较低 ， 使装 载机 的供 能要求无法得到满足 ， 而电网供 电又制约了装载机 的机动性能 ， 所以当前一段时间内装载机仍将依靠 发动机提供动力 发动机需要燃烧石化燃油转化为 机械能进而产生动力 ， 石化燃料具有能量密度高和 补充燃料方便等优点 但是石化燃料是一种不可再 生的资源 ， 稀缺性决定 了其价格上涨 的不可逆转趋 势 ， 因此装载机的燃油经济性将 成为未来行业竞争 的焦点， 装载机的节 能技术改造势在必行 要实现 装载机的节能首先要找出导致其油耗高的原 因， 针 对其能耗特性制定相应的节能方案 1 1 燃油利用率较差 典型的装载机工作循环可 以描述为 ： 空载驶 向 料堆一全负荷铲掘物料一满载后退一满载前进( 同 时举升物料) 一 向运输卡车卸料空载退 回初始点 ( 同时收回工作装置) 六个阶段_ 3 j ， 如图 1所示 图 1 典型装载 机工作循 环 Fi g 1 Du t y c y c l e o f t y p i c a l l o a d e r 装载机作业周期通常较短 ， 在作业周期 内发动 机需要频繁调整工作负荷为装载机提供充 足的动 力 ， 如图 2所示 为满足装载机的动力需求 ， 一方面 发动机的工作点要分布在较宽阔的区域 内， 由于不 同工作区域油耗率差异较大 ， 因此不利于通过将工 作区域稳定在低油耗范围内的方法提高燃油经济 性 ； 另一方面工作点的瞬态迁移会使发动机油耗率 成倍增加 ， 也将导致燃油经济性下降 混合动力 系统 中除 了发动机还增加 了一套辅 助动力装置 ， 通 常是 电力驱动装置 发动机仅 为装 载机提供平均功率 ， 进而使其工作点稳定在油耗率 较低的区域 ， 同时避免了由于工作点瞬态迁移所造 成油耗率上升的现象 ， 利用辅助动力系统能量转换 效率高 、 可控性能好且反应迅速的特点满足负载动 力的波动需求 采用混合动力技术可 以有效地解决 上述 由于发动机工作点频繁迁移从而引起油耗率 上升的问题 昌 杰 蜱 暴 发动机转速 ( r mi n 。) 图 2 装载机某工作循环发动机工作点 的分 布情 况 Fi g 2 W o r k i n g p o i n t d i s t r i b ut i o n o f l o a d e r s e n g i n e i n s i ng l e d u t y c y c l e 另外 ， 混合 动力技术通过 降低发 动机功率 ， 减 少发动机 自身的能量消耗 ， 装载机怠速时关闭发动 机等途径也可以降低燃油消耗率 ， 再生制动还可以 获得一部分“ 免费” 能量 ， 使混合动力 系统 的燃油利 用率得到进一步提高 J 1 2 传动效率较低 为了满足插入料堆等低转速、 大转矩工况的动 力要求 ， 同时保护动力 传动部件免 于损坏 ， 传统装 载机普遍采用液力变矩器 自动协调发 动机动力供 应与负载动力需求之间的矛盾 经过半个多世纪的 发展与完善 ， 液力变矩器在 自适应行驶阻力突变 和 防止冲击方面显示了其特有的优势 但 由于液力变 矩器采用流体介质传递动力 ， 动力传递过程 中始终 伴随着液力损失 ， 导致 其传 动效率较 低 ， 尤其在低 转速 、 大转矩工况， 其传动效率接近于“ 0 ” ， 而装载 机却要频繁地工作在这种工况下， 因此传动效率低 是造成装载机燃油经济性差的另一个主要原因 5 如果在混合动力 装载机上采用 一种具有更 高 传动效率的传动方式代替液力传动 ， 且 同样满足降 低转速 、 增加转矩 的动力传动要求 ， 使其低转速 、 大 转矩工况的传动效率得到提高 ， 则意味着驱动同样 的负载需要发动机供给更小的功率 ， 这也是提高燃 油经济性的一种方法 事实上， 传动效率 的提 高对 装载机的节能往往更直接、 更有效 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 邹乃威 ， 等 ： 混合动力装载机电力变矩 机理 2 行星排 的动 力学特性 行星排就是一种具有降低转速 、 增加转矩 功能 的传动机构， 且其传动效率可达到机械传动水平， 其三构件两 自由度 的结构可 以在保持一个动力输 入端动力供应不变的状态下 ， 通过调节另一个动力 输入端 的运转状 态使动力输 出端满 足各种动力要 求 本文仅以双星行星排为例介绍行星排 的动力传 动特性 2 1 行星排的转速关系 双星行星排是一种典型的正号机构l_ 6 ， 其三个 构件的转速关系可以描述为 一 。一 ( 1一 l0 ) = 0 ( 1 ) 式 中： 为齿圈转速 ； 为行星架转速 ； 。 为太 阳 轮转速 ； 10为行星排结构参数 ， l0 =Z s ， 其中 为 齿圈齿数 ， 为太阳轮齿数 行星排 的转速方程 ( 1 ) 中有三个变量 ， 仅 一个 方程式进行约束 ， 属于典型的两 自由度结构 为 了 分析问题方便 ， 本文采 用“ 虚拟杠杆 ” 分析各 构件 的运动关 系， “ 虚拟杠杆 ” 能够更直 观地表示 三个 构件 的转速关 系 三条 相互平 行 的纵轴 分别 表示 三个构件 的转速 ， 转速 的“ 0 ” 点位于 同一条水平线 上 ， 三条纵轴之 间的距 离表示 三个构 件转速 之 间 的约束 关 系， 由行 星排结 构 参数 l0决定 受方 程 ( 1 ) 的约束 ， 行星排三个构件的转速在三条纵轴上 的位置始终 在一条“ 直线” 上 ， 三个 构件 的转 速点 仿佛在一条 “ 杠 杆” 上 ， 只要 确定 了其 中两个 构件 的转速 ， 第三个构件 的转速便随之确定下来 7 ， 如 图 3所 示 图 3 双星行星排三构件的运动关 系 Fi g 3 Sp e e d r e l a t i o n o f t h r e e e l e me n t s f o r d ua l - p i n p l a ne t a r y r o w 2 2 行星排的转矩关系 双星行星排三个构件的转矩关系可以表示为 号= 1 一T p p L 式 中： T 为齿圈转矩 ， T 为行星架转矩 ， T 为太 阳轮转矩 式 ( 2 ) 表明在平衡条 件下， 作用在双星行星排 三个构件的转矩满足一定 的比例关系 ， 这个 比例关 系同样 由行星排结构参数 l0决定 行星排三个构件 转矩的大小和方 向也可 以借助“ 虚拟杠杆” 进行分 析 如图 4所示 ， 以“ 虚拟杠杆” 的三个节点 中任意 一 个节点作为支点 ， 另外两个节点 的转矩值与其节 点到支点的距离 的乘积之 和为“ 0 ” 如果将作用在 各支点的转矩值看作是作用在支点上的“ 力 ” ， 则作 用在“ 虚拟杠杆” 上 的“ 力矩” 满足力矩平衡 的条件 利用“ 虚拟杠杆” 能够快速分析 出平衡条件下作用 在行星排构件上的转矩方向和大小 图 4 双星行星 排三 构件的转 矩关系 Fi g 4 To r q ue r e l a t i o n o f t h r e e e l e me n t s f o r d ua l - p i n p l a n e t a r y r o w 行 星排与 “ 虚拟杠杆” 之间的对应关 系如表 1 所 示 表 1 行星排与“ 虚拟杠杆” 的对应 关系 T a b 1 Pl a n e t a r y r o w a n d “ v i r t u a l l e v e r a g e ” c o r r e s p o n d e n c e 行 星排 “ 虚拟杠杆” 构件 结构参数 构件 转速 转 矩 节点 力臂 到 0 线的位移 力 2 3 行星排的功率平衡关系 假设忽略行星排各构件之间摩擦 ， 则行星排 的 输入功率应与其输出功率保持平衡 ， 即三构件 的功 率关 系可以表示为 P + P + P。= 0 ( 3 ) 式 中： P 为齿圈上的输出功率 ， P 。 为行星架上的输 入功率 ， P 为太 阳轮上的输入功率 式 ( 3 ) 可以进一步写成如下形式 ： 丁 + T + 丁 = 0 ( 4 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 邹乃威， 等： 混合动力装载机电力变矩机理 4 2电力变 矩模 式工 作过 程 以铲掘物料工况为例说 明电力 变矩模 式的工 作过程 ： 当装载机接近料 堆时 ， C 1和 C 2离合器均 处于接合状态 ， 整机处 于发动机驱动模式 ， 行星排 处于单 自由度状态 ， 整个行 星排 蜕化成 为一个 刚 体， 各部件始终保持相同的转速， 电机空转， 如图6 中“ 虚拟杠杆” 的位置 当铲斗接触到料堆 ， 装载 机行驶阻力开始增加时， C 1离合器分离 ， 行 星排恢 复两 自由度状态 ， 变速器输入轴转速和齿圈转速迅 速下降 ， 驱动转矩 开始增 加， 电机空转转速 随装载 机车速降低迅速下降， 如图 6中“ 虚拟杠杆 ” 的位 置 当装载机继续插入料堆， 行驶 阻力进一步增大 ， 车速进一步降低时 ， 整 机处 于电力变 矩模式 ， 电机 开始反转发 电， 回收发动机的盈余 功率 ， 此 时发动 机保持在油耗率较低的工作区域 ， 变速器输入轴转 速进一步降低以适应较低 的行驶车速 ， 同时驱动力 进一步增加 以平衡迅速增加的插入 阻力 ， 如 图 6中 “ 虚拟杠杆” 的位置 图 中 T。 表示 发动机转矩 ， 。 表示发动机转速， T 表示 电机转矩 ， 表示 电 机转速 ， T 表示变速器输入轴转矩， 表示变速器 输 入轴 转 速 图 6电力变矩机理 Fi g 6 El e c t r i c t o r q u e c o n v e r s i o n me c h a n i s m 在铲掘工况 ， 混合动力装载机 的行星排机 电耦 合装置将发动机功率分成两部分 ： 一部分功率用于 克服插入阻力驱动装载机 ， 齿 圈的转速较 低 ， 同时 齿圈上的驱动转矩被行星排放 大， 行星排机 电耦合 装置代替变矩器实现降速增扭功能 8 ， 此时克服插 入阻力的功率仅 占发动机输出功率 的一部分 ， 可以 用齿 圈转矩与转速的乘积表示 ， 且这部分功率随着 齿圈转速的降低逐渐减小 ； 另一部分功率用于拖动 电机反转发 电， 回收发动 机的盈余 功率 ， 铲掘工况 开始时电机 的发 电功率为“ 0 ” ， 如 图 6中“ 虚拟杠 杆” 的位置， 随着插入阻力的增大和车速的降低 ， 电机的发电功率不断增 加 ， 当装载机车速 降为“ 0 ” 时 ， 发电功率达到最大 ， 即： 发动机的全部功率被电 机吸收 ， 从而避 免了传统装 载机变矩器 的液 力损 失 ， 提高了传动效率 4 3 电力变矩模式的动力性能分析 当混合动力装载机处于电力变矩模式时， 行 星 排机电耦合装置的转速关系如图 6所示 ， 式 ( 1 ) 可 写成 1 ， 1 、 = t + ( 卜 150 ) O ) m ( 5 ) e + l 一 J L 发动机 的转速 可 由变 速器输入 轴 的转 速 和电机转速 及行星排结构参数 P共 同决定 因为发动机工 作状态的改变会 引起 油耗 特性发 生 较大的变化 ， 所 以应将其转速稳定在油耗率较低 的 经济 区域 10一般不可变 ， 而电机具有效率高 和可 控性能好的特性 ， 因此可以通过调节电机转速的方 法使装 载机 的车速满足要求 ， 从 而保 持转速方 程 ( 5 ) 的平衡 行 星排机电耦合装置的转矩关 系如图 6所示 ， 代入式( 2 ) 得 T =一 p T ( 6 ) 发动机转矩 丁 。是变 速器输 入轴转 矩 T 的 l0倍 ( 1D 1 ) ， 即发动机转矩被放大了 l i p倍 同理 ， 电机 的发电转矩为 T =一 ( 1一 l0 ) T ( 7 ) 将式( 5 ) ( 7 ) 代人式 ( 4 ) ， 按照 图 6所示 的对应关 系一一替换 ， 得到行星排机 电耦合装置 的功率平衡 关系为 厂 1 T t 0 3 t T t ( 1一l0 ) 一p T t 【 t + L 1 、 ( 1一 )砌 I =0 ( 8 ) 、 - I 式( 8 ) 中第一项表示装载机传动系统克服插入 阻力 吸收的功率 ， 第二项表示电机发电吸收 的发动机盈 余功率 ， 第三项表示发动机输 出功率 式( 8 ) 可以进 一 步简化为 一 +丁 ( 1 一lD ) c u ， 即： 发动机输 出 动力被划分为两部分， 一部 分功率用于克服插入 阻 力 T ， 随着变速 器输人轴转速 的下 降而逐渐减 小直至装载机车速为“ 0 ” ， 此时的驱动转矩 T 仍可 以维持较高的数值 ； 另一部分功率用于拖动 电机反 转发电 T ( 1 一lO ) ， 随着 电机反转转速的增加 ， 回 收功率逐渐增加直至发动机 的功率完全被吸收， 整 个电力变矩过程 中发动机的功率 除了驱动装 载机 克服插入阻力所吸收的部分， 剩下的全部被电机吸 收 ， 以电能的形式存储起来 以备 电机驱动时使用 电力变矩模式提高 了混合动力装载机在低转速、 大 转矩工况下的传动效率 ， 进一步改善了其燃油经济 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 9 2 中国工程机械学报 第 1 2卷 性 ， 拓宽了混合动力系统的节能途径 5 结论 ( 1 )装载机燃油利用率差和传 动效 率低是造 成其油耗率较高的两个主要原因 ( 2 )行星排不但能够满足混合动力 系统 机 电 耦合 的要求 ， 还能够代替液力 变矩器满 足降低转 速、 增加转矩的传 动要求 ， 且传动效率能达到机械 传动水平 ( 3 )混合 动力装载机 的电力变矩模式利用 行 星排将发动机的动力分成两部分 ， 一部分克服装载 机的铲掘阻力 ， 另一 部分被 电机反转发 电吸收， 且 随着牵引功率的降低发电功率逐渐增加 ( 4 )混合 动力装载机的行星耦合方案 能从 提 高燃油利用率和变矩传动效率两方面改善燃 油经 济性 参 考 文献 ： 2 3 4 5 6 7 1 石荣玲， 赵继云， 孙辉 液压混合动力轮式装载机节能影响因 素分析与优化 J 农业机械学报， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 3 ) ： 3 1 3 5 8 S HI R o n g l i n g ， Z H A O J i y u n ， S U N Hu i E n e r g y s a v i n g p o t e n t ia l a n d i n f l u e n c i n g f a c t o r s f o r h y d r a u l i c h y b r i d wh e e l l o a d e r J Tr a n s c t io n s o f t h e Ch i n e s e S o c i e t y f o r Ag r i c u l t u r a l Ma c h i n e r y， 2 0 1 1， 4 2 ( 3 )： 3 1 3 5 徐晓美 ， 唐倩倩 ， 王哲 混合 动力装 载机 的研 究现 状及发 展趋 势_ J 工程机械 ， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 2 ) ： 5 3 5 6 X U Xi a o me i ， T A N G Q i a n q i a n ， WAN G Z h e H y b r i d wh e e l l o a d e r r e s e a r c h s t a t u s a n d d e v e l o p m e n t t r e n d J C o n s t r u c t io n Ma c hi n e r y a n d Eq u i p me nt ， 2 0 1 2， 4 3( 2) ： 5 35 6 龚捷 ， 崔玉鑫 装 载机 铲掘 作业 的轨迹 规划 J 机 械工 程学 报 ， 2 0 0 9 ， 4 5 ( 7 ) ： 2 93 4 G 0 N G J i e ， C UI Y u x i n T r a c k p la n n i n g f o r a wh e e l l o a d e r i n a d i g g i n g J J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 9 ，4 5 ( 7 )： 2 9 3 4 S U N Hu i ， J I N G J u n q i n g R e s e a r c h o n t h e s y s t e m c o n f i g u r a t i o n a n d e n e r g y c o n t r o l s t r a t e g y f o r p a r a l l e l h y d r a u l i c h y b r i d l o a d e r _l J A u t o ma t i o n i n Con s t r u c t i o n， 2 0 1 0 ， 1 0 ( 1 9 ) ： 2 1 32 2 0 李秀兰 ， 杨宏 韬 装载机液力变矩器闭锁控制 J 长春工业大 学学报 ： 自然科学 版， 2 0 1 3 ， 9 ( 4 ) ： 1 5 1 1 5 4 LI Xi u l a n。 Y ANG Ho n g t a o L o c k i n g c o nt r o l f o r h y d r a u l i c t o r q u e c o n v e r t e r s o n l o a d e r J J o u r n a l o f C h a n g c h u n U n i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y： Na t u r a l S c i e n c e Ed i t i o n， 2 0 1 3， 9( 4) ： 1 5 11 5 4 L E V AI Z S t r u c t u r e a n d a n a l y s i s o f p l a n e t a r y g e a r t r a i n s J J o u r n a l o f Me c h a n i s ms ， 1 9 6 8 ， 3 ( 3 ) ： 1 3 1 1 4 8 L AUI BI ES MAI L E Te a c h i n g p la n e t a r y g e a r t r a i ns wi t h t he a i d o f n o mo g r a p h s J A d v a n c e s i n Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 01 3， 2 01 3： 19 ENI ) ( )H， I TO M ， 0Z EKI T De v e l o p me n t o f To y o t a S t r a n s a x l e f o r mi n i v a n h y b r i d v e h i c l e s J J S A E R e v i e w， 2 0 0 3 ， 2 4 ( 1 )： 1 0 9 1 1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m