液压混合动力升高车节能影响因素分析与优化
金平升高车出租, 金平升高车租赁, 升高车租赁 升高车作业过程中存在频繁的起动和制动,由于整机质量大,减速制动时会释放出大量的能量,因此,采用混合动力技术回收浪费掉的制动动能和重物势能成为节能降耗的一项有效措施。液压混合动力作为混合动力技术的一个重要分支,具有功率密度大、可靠性高、容易实现正反转等优点,在工程机械行走装置和军用车辆的驱动系统中显示出较强的可应用性。本文以为研究对象,分析作业过程中的能耗损失、节能潜力和能量回收的主要途径。设计的并联式液压混合动力节能方案,详细分析作业工况、控制策略参数、混合动力系统参数匹配等因素对节能效果和整机性能的影响。
1混合动力节能潜力分析: 的动力,一部分通过液力变矩器和变速器驱动行驶机构,实现行驶;另一部分通过液压油泵驱动液压油缸,实现转向和装载工作。作业工况的需求功率为P=Pd+Ph+Pa Pd———驱动功率Pa———整机附件功率Ph———液压执行机构驱动功率行驶工况的驱动功率为 Pd=Gfv3.6+Giv3.6+CDAv376.14+δmv3.6dvdt 式中 m———质量 G———重量 v———行驶速度 f———滚动阻力系数 i———坡度阻力系数 δ———质量转换系数 CD———空气阻力系数 A———装功机迎风面积液压混合动力基本参数,典型的作业工况。根据图1所示的工况,得出在作业工况下的能耗和可回收能量对比。 作业工况的能耗中,发动机的能量损耗、克服路阻的能量损耗和液压执行机构的能量损耗较多,而克服风阻消耗的能量很小。发动机的能量损耗主要由装机功率过大,而正常工况下发动机常处于小负荷/高油耗区域所致。液压系统的能量损失主要与元件的工作原理、材料性能和加工工艺有关。作业工况的行驶速度低,平均车速通常为10km/h,因此,整机克服风阻的能耗只有5kJ,可忽略不计。作业工况时存在着频繁的制动和下坡,进行能量回收几率多,可回收能量的级别大。在可回收的能量中,动臂处的可回收重物势能较小,只有44kJ;而整机制动动能和下长坡重物势能很大,分别为451kJ和237kJ,因此液压混合动力的能量回收,主要为整机的制动动能和下坡势能。 并联式液压混合动力的配置方式。液压泵/马达、液压蓄能器和溢流阀等构成液压再生系统,与发动机一起形成双动力驱动。制动时,液压泵/马达工作于泵工况,回收车辆的制动能,并将其存储于高压蓄能器中,用于的再起动和铲掘工况,保证使发动机工作于最佳燃油经济区,减少液压工作系统的溢流阀损失。
的行驶工况主要分为高速行驶工况和低速作业工况。低速作业工况下,前进最高车速为11.5km/h,倒车的最高车速为16.5km/h,发动机经常工作在低效率的部分负荷工况下;高速行驶工况通常是到达作业区域前的行驶工况,最高车速为37km/h。两种工况的加减速频率不一样,再生能量占整个作业工况驱动能量的比例也有很大不同。在低速作业工况下,整机制动频繁,可回收能量所占的比重明显高于高速行驶工况,实际上,绝大部分时间都处于低速作业工况,因此液压混合动力只对低速作业工况的制动动能进行能量回收。
液压混合动力系统输出转矩: 液压混合动力系统功率密度大,可单独驱动和制动车辆。制动时,传统的摩擦制动系统可较少甚至不参与制动过程。整机制动转矩为Tr=2πmdvdtri0 r———车轮半径 i0———主减速比. 根据土方机械制动系统标准,的制动距离为L=v268+v2124m. (4)作业速度下的制动距离为3.7m,制动时间与制动距离及制动转矩的关系如图3所示。由图可见,液压混合动力系统的制动转矩必须大于900N·m。液压混合动力系统的输出转矩与耦合器传动比的关系为Tr=pVp/mip/m p———液压蓄能器工作压力Vp/m———液压泵/马达排量ip/m———耦合器传动比扭矩耦合器传动比的设计要保证液压泵/马达在驱动和制动过程中工作于高效区,即iP/M=0.377rneP/Mi0v neP/M———液压泵/马达效率最高时对应转速扭矩耦合器的传动比对制动能的回收和液压泵/马达的工作效率有着直接的影响。 由于作业时车速较低,因此,扭矩耦合器传动比增大,有助于使用小排量的液压泵/马达,降低成本;扭矩耦合器传动比降低有助于提高液压泵/马达的工作效率。从图4可见,随着扭矩耦合器传动比的增大,整机所需液压泵/马达的排量和质量明显降低,而液压泵/马达的工作效率略有降低,因此需要综合考虑价格、整车质量增加以及效率等因素来选择耦合器传动比,使系统的整体性能最佳。
液压蓄能器容积: 由于作业工况车速较低,因此液压蓄能器容积的确定应以回收作业工况下制动时的全部动能为准。为了便于铲掘,铲掘时的制动能可不回收,则蓄能器的容积参数由下式决定E=-∫vtv1pdV=p1V1n-1p1p1-nn-1≥12(mev21+mfv2r+mfv21) p1———液压蓄能器最低工作压力 V1———液压蓄能器内气体在最低压力的体积 n———气体的多变过程指数 me———空载质量 mf———满载质量 v1———前进一挡最高车速 vr———倒挡最高车速. 液压蓄能器的最低工作压力应满足为提供运输车速下的全部制动转矩,即pmin≥2πmdvdtri0iP/MVP/M (8)同时,液压蓄能器最高工作压力不得大于液压泵/马达所允许的最高工作压力。不同容积液压蓄能器在制动时压力变化如图533第3期石荣玲等:液压混合动力节能影响因素分析与优化所示。在液压蓄能器最低工作压力一定的情况下,液压蓄能器的容量越大,可回收的能量越多,系统压力在回收能量的过程中变化幅度越小,液压混合动力系统提供的再生制动转矩变化幅度越小,制动过程中摩擦制动系统参与制动工作的几率越大,单一制动工况下能量回收率略低;液压蓄能器的容量越小,系统压力在回收能量的过程中变化幅度越明显,液压混合动力系统提供的再生制动转矩变化幅度越大,摩擦制动系统参与制动工作的几率越小,单一制动工况下能量回收率略高,但由于容积有限,液压蓄能器常因充满而提前结束液压再生制动,造成整个作业工况的制动能回收率降低。对图1所示工况进行节能效果进行研究,得出使用不同液压蓄能器情况下整机的制动能回收率情况。可见,采用大容积的液压蓄能器,系统的制动能回收率得到了明显提高,但液压蓄能器的容积达到最优值后(40L),随着蓄能器容积的继续增加,制动能的回收率降低,同时大容积的液压蓄能器也给整机安装带来了困难。 控制参数制动时,整车控制器根据踏板下行的幅度、速度以及加速度来识别目标制动减速度,进而对摩擦制动转矩和液压再生制动转矩进行分配。 (1)当制动减速度ab≤a再生制动减速度参考值,a=TP/Mmr时(轻度制动),这种情况一般出现在正常作业的工况下,整车制动力完全由液压泵/马达提供。 (2)当制动强度a<ab<b(紧急制动参考值)时,采用复合制动方式,并以液压再生制动为主,摩擦制动为辅,制动力不足的部分由摩擦制动进行补充。 (3)当制动强度ab≥b时,考虑车辆制动的安全性,液压再生制动不参与工作,制动力全部由摩擦制动系统提供[11]。再生制动减速度参考值a的选择对整车节能效果有着直接的影响,再生制动减速度参考值对车辆制动能回收的影响如图6所示。再生制动减速度参考值a增大,整车制动距离降低,克服路阻消耗的能量降低,回收的制动能量增加;当再生制动减速度参考值达到最优值后,随着a的进一步增加,整机所需的制动转矩超过液压混合动力系统可提供的最大制动转矩,传统摩擦制动系统提供不足的制动转矩,实际回收的制动能降低。因此控制策略中,液压再生制动的减速度参考值应选择回收能量最大时所对应的减速度。根据上述结论,图4所述的混合动力制动能控制策略中的再生制动减速度参考值a选择为1.6,这样可保证整机安全制动的前提下,最大限度地回收的制动能。
载荷在满载和空载情况下,的质量相差很大,可回收能量对比。可见,满载工况下,整机的可回收能量明显高于空载工况,并且在制动减速度1.3m/s2时,可回收的能量差额最大。因此在根据制动减速度设计整机的制动策略时,可根据整机载荷情况动态调整再生制动减速度参考值。满载时,液压再生制动减速度参考值可相应地降低,反之,则相应地拓宽。根据上述结论,图7所述的液压混合动力控制策略采用动态调整控制参数的方法,即空载时,再生制动减速度参考值a选择为1.6m/s2,满载时,混合动力再生制动减速度参考值a选择为1.3m/s2,这样可在安全制动的前提下,进一步提高混合动力系统的制动能回收率。
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