装载机节能技术研究

摘 要：装载机节能化已成为未来发展的主要趋势，针对目前国内外对装载机节能方面的研究，本文从传动系统取消液力变矩器、实现自动换挡，行驶系统采用液压驱动系统，转向系统采用独立控制，混合动力系统结构、参数匹配和控制策略，制动系统能量回收方面进行总结研究分析，来降低系统能量损失，提高能量利用率，以达到节能减排的效果。

关键词：节能技术 装载机 能量损失

中图分类号：TH243 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（a）-00-02

装载机使用场地十分广泛，但是由于其能耗高、排放差的问题，很多场地受到限制，所以节能技术的研究十分重要。目前国内外研究主要从两方面，一方面是对传统装载机中耗能元件的改变，另一方面是对新能源装载机技术的研究。

1 传动系统研究

传统装载机在行驶工作中，为防止过载，使用液力变矩器，但普通液力变矩器传动效率低，能量损失严重。通过对发动机和液力变矩器优化参数匹配，设计出闭锁离合器电-液控制系统，结合装载机的实际工作需求对闭锁离合器的闭锁和解锁进行控制，可以减少传动系统能量损失。或是用行星机构取代传统液力变矩器，行星机构不仅能实现液力变矩器的功能还能回收能量，在提高传动系统的效率的同时进一步提高装载机的能量利用率。

装载机工作过程中，需要频繁启停和换挡，为减少驾驶员疲劳，提高换挡效率，减少能量损失。采用以油门开度、车速和作业载荷系数为控制参数的自动变速控制原理，配以变矩器效率为最优的节能换挡规律；以整车牵引力最大的动力换挡规律；当车辆降挡时以最大牵引力和当车辆升挡时以液力变矩器效率最优为换挡目标的综合换挡规律进行自动换挡[1]。采用数字控制静液传动有级自动变速方案，可以实现数字泵与发动机、数字马达与变化负载的动态匹配，使发动机一直处于经济运行区。

2 行驶系统研究

液压系统具有作业平稳、效率高、可以实现无级调速，方便实现各种调节控制，随着液压传动技术不断成熟，以及电液控制技术的发展，对液压系统可以更好的控制，越来越多的人开始研究全液压传动系统。全液压传动装载机的工作系统和行驶系统都采用液压驱动[2]，采用全液压传动装载机较液力机械传动装载机，具有结构简单，布置灵活，可以简单适宜地使发动机和行驶系统与工作系统之间始终保持合理的匹配，可以有效解决装载机在工作过程中因载荷变化大而对零部件有损伤的同时保持较高的效率。

3 转向系统研究

对于转向系统，传统装载机的转向系统和液压工作系统共用一个定量液压泵，在转向作业时，液压泵会优先对转向系统优先供油，其余油通过溢流阀返回油路，造成能量损失严重。采用负荷传感转向系统，在转向时会将多余的油全部供给工作装置，会减少由于转向系统供油过多，造成的功率损失，但是还会有溢流能量损失。采用独立变转速泵控转向原理，用伺服电机驱动定量液压泵独立供油，通过伺服电机的转速和转角让方向盘的角速度和转角与转向速度与转角相匹配，不会产生多余油，从而减少能量损失。为进一步提高转向系统的能量效率，可以采用闭式泵控流量原理来匹配转向系统。由于转向盘与转向轮之间有机械（或液压）联系，转向系统会不够灵敏，可以采用线控转向系统，转向系统可以根据工况进行调节，灵敏度更高，并为驾驶员提供合适的路感，解决了装载机作业效率与高速行走稳定性之间的矛盾[3]。

4 混合动力技术研究

针对装载机能耗高、排放差的问题，开始借鉴汽车行业中的新能源技术，把节能减排的重点放在混合动力技术，目前混合动力装载机主要有两种混合动力形式，串联式混合动力装载机和并联式混合动力装载机。串联式混合动力装载机发动机与电机电连接，使传动系统布置灵活，并且发动机可以一直处于经济运行区，但是需要两次能量转换；并联式混合动力装载机能量转换次数少，存在两个动力源，能量利用率相对较高，对传统装载机改装较少，但是需要动力耦合器，结构复杂，传动系统布置困难[4]。

混合动力装载机关键技术在参数匹配和控制策略。参数匹配是基于装载机的工作方式和载荷谱对混合动力装载机传动系统参数进行匹配，然后根据系统中关键元件的特性参数利用粒子群优化算法、多目标优化算法对参数进行优化，得到最优参数。混合动力装载机控制策略比较多，运用逻辑门限值控制策略，可以让发动机始终处于高效区进行工作，简单方便易于实现。运用模糊逻辑控制策略，对混合动力系统需求转矩进行估计，从而控制发动机和电动机的输出转矩，可以有效地提高装载机的燃油经济性。运用电机最小助力控制策略，尽量提高发动机的利用率，降低电机的利用率，避免超级电容频繁充放电，可以减少能量转换的损耗，提高能量利用率。运用瞬时等效油耗最低控制策略，使发动机一直处于经济运行，时时对发动机和电机进行转矩分配，可以使系统处于功率损失最小状态。

装载机混合动力系统的控制策略的关键问题在于载荷的感知，使用油门踏板载荷感知方案，方便快捷易于实现，但是装载机在工作模式下，油门踏板经常处于全开状态，容易使超级电容一直处于缺电状态，SOC值难以平衡。使用变矩器转速比载荷感知方案，可以很好的反应行驶系统的载荷变化情况，但是液压系统的载荷变化情况不能感知。使用需求转矩在线估计方案，并运用卡尔曼滤波方法估计法，可以将行驶系统和液压系统的载荷变化都全面反应。

5 制动系统研究

装载机工作形式主要有“L”型“V”型和“T”型，最常用的工作形式是“V”型作业方法，第一步先空车驶向料堆，铲料；第二步满载退回起点，第三步满载驶向运输车，卸载物料；第四步空载退回起点。一次作业至少需要3次刹车，可见刹车非常频繁，为节约能源可以将制动能量进行回收再利用[5]。通过分析制动模式和车轮在制动过程的受力分析，采用模糊逻辑控制算法对再生制动和传统制动模式进行合理区分，通过电机进行能量回收。使用制动力矩的分配因子，以模糊控制作为理论基础，将制动力矩的大小，SOC值，行驶速度等作为输入值，将液电制动力矩与再生制动力矩的比值作为输出值，进而制定能量回收控制策略以提高能量回收效率。

6 结语

装载机可以通过闭锁离合器电-液控制系统或行星机构取消液力变矩器，采用自动变速器，提高传动系统效率。采用液压驱动行驶系统，增加工作过程中参数匹配能力，保持整车高效率。采用独立变转速泵控制转向系统，可以提高液压系统能量利用率。采用粒子群优化算法、多目标优化算法对混合动力参数进行优化匹配，利用现代控制策略对混合动力装载机进行控制，提高整个系统的能量利用率。对制动能量进行回收利用可以进一步节约能源。

参考文献

[1]赵丁选，李天宇，康怀亮，等.混合动力工程车辆自动变速技术[J].吉林大学学报（工），2014，44（2）：358-363.

[2]罗石忠.全液压装载机液压系统仿真与实验研究[D].吉林大学，2012.

[3]赵树恩，张可启.线控转向系统变角传动比特性研究[J].机械工程，2018，11（14）：1476-1482.

[4]曹万仓，林慕义，王连新，等.液压混合动力工程车辆能量控制策略[J].液压与气动，2015（12）：25-30.

[5]丛元英.串联式混合动力装载机动力系统参数匹配及控制策略研究[D].吉林大學，2016.

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