（机械电子工程专业论文）工程机械双动力系统研究.pdf

摘要 随着我国社会经济水平和工业化程度的不断提高，交通及其他领域的基础建设工程 越来越多，尤其是高速公路、高速铁路、城市地铁以及过江、过河隧道建设工程量激增， 用于这些隧道施工的工程机械数量及品种也以同样的速度增长。但是，由于传统的常规 工程机械的机动性要求，几乎全部以柴油机作为动力源。这些机械在狭小密闭的隧道施 工环境中作业，柴油机的废气排放使得柴油机自身的进气条件变差，燃烧不充分、功率 下降，造成燃油浪费以及驾驶员长期呼吸有毒排放气体。因此，研究能够长期适应隧道 施工条件的高效环保型工程机械成为当务之急。借鉴汽车领域和国外工程机械领域的能 量回收型混合动力系统的成熟应用，本文提出了一种应用于工程机械上的双动力系统， 该双动力系统有两大动力源柴油机和电动机。装备了这种动力系统的工程机械可以 根据工作场合及条件的不同，选择柴油机或电动机作为动力源。当这种机械用于隧道施 工且有市网供电条件时，则可使用电动机作为动力源，实现零排放施工，改善隧道施工 环境，提高作业效率并充分体现人文关怀。 本文主要分析了双动力系统的连接方式串联式、并联式和分离式结构，根据各自的 特点，经过综合分析，选取分离式串联结构作为本论文的研究对象。对电动机结构进行 改进，在其内部设置超越离合器，柴油机和电动机通过超越离合器连接。当柴油机或电 动机独立工作时，超越离合器可以实现双动力的传递。以装载机为样机，建立了双动力 装载机动力传动框图，对传动系统各个环节建立数学模型，包括柴油机模型、电动机模 型、液力变矩器模型、变速箱模型、整车模型。最后在s i m u l i n k 环境下搭建了双动 力装载机动力传动仿真系统，分别以柴油机或电动机为动力源进行仿真，模拟装载机整 个工作过程，仿真结果显示，跟柴油机驱动系统相比，电动机驱动系统能够满足装载机 工作载荷的变化，过载能力强。在工作空间狭小的环境下，该双动力系统利用电动机驱 动，不仅实现了车辆尾气的零排放，保护驾驶员和施工人员的健康，而且从节能环保的 角度考虑，电动机驱动系统有很大的优势，对今后工程机械双动力系统的发展提供了理 论指导。 关键词：隧道，双动力系统，环保，仿真 a b s t r a c t w i t ht h es o c i o - e c o n o m i ca n di n d u s t r i a l i z a t i o nl e v e lr i s i n g ，i n f r a s t r u c t u r ep r o j e c t so f t r a n s p o r t a t i o na n do t h e rf i e l d sa r ei n c r e a s i n g ，e s p e c i a l l yc o n s t r u c t i o n so fh i g h w a y , h i g hs p e e d r a i l w a y , u r b a ns u b w a ya n dc r o s sf i v e rt u n n e l ，w h i l et h en u m b e ro ft u n n e lc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r ya n dv a r i e t i e sr i s e a tt h es a m ep a c e h o w e v e r , d u et ot h et r a d i t i o n a la n d c o n v e n t i o n a le n g i n e e r i n gm a c h i n e sm a n e u v e r a b i l i t yr e q u i r e m e n t , a l m o s ta l lt a k ed i e s e l e n g i n ea sp o w e rs o u r c e t h e s em a c h i n e sa r ew o r k i n gi nt h en a r r o ws e a l e dt u n n e l ，d i e s e l e n g i n e s e x h a u s te m i s s i o n sm a k et h e i ro w ni n t a k ec o n d i t i o n sw o r s e ，a n dc o m b u s t i b l e i n c o m p l e t e ，p o w e rd o w n ，r e s u l t i n gi nf u e lw a s t e da n dt h ed r i v e rl o n g - t e r mb r e a t h i n go ft o x i c e m i s s i o n s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h eh i g h - e f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n t a l l y - f r i e n d l y e n g i n e e r i n gm a c h i n e st h a tc a na d a p tt ol o n g t e r mt u n n e lc o n s t r u c t i o n , h a sb e c o m eat o p p r i o r i t y r e f e r e n c eh y b r i ds y s t e mm a t u r ea p p l i c a t i o ni nt h ec a r ，t h i sp a p e ra n a l y s e sad u a l p o w e r e ds y s t e mu s e di nt h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y t h es y s t e mh a st w op o w e rs o u r c e s d i e s e le n g i n ea n dm o t o r a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tw o r k p l a c e ，d i e s e le n g i n ea n dm o t o rc a n w o r ki n d e p e n d e n t l y w h e nt h em a c h i n ew o r k e df o rt u n n e lc o n s t r u c t i o na n dc i t yn e t w o r k p o w e rs u p p l yc o n d i t i o n s ，t h em o t o rc a nb eu s e da sap o w e rs o u r c e ，a c h i e v ez e r oe m i s s i o n , w h i l ei m p r o v et h et u n n e lc o n s t r u c t i o ne n v i r o n m e n ta n di n c r e a s eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c y , a n d f u l l yr e f l e c t st h eh u m a n i s t i cc a r e t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed u a l p o w e rs y s t e mc o n n e c t i o nm o d ei ns e r i a l s ，p a r a l l e l ，a n da s p l i t - t y p es t r u c t u r e ，a c c o r d i n gt ot h e i ro w nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h r o u g hc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ， s e l e c ts e p a r a t es e r i e ss t r u c t u r ea sar e s e a r c ho b j e c ti nt h i st h e s i s f o rm o t o rs t r u c t u r ei s i m p r o v e d ，i ni t si n t e r n a ls e t t i n g so v e r r u n n i n gc l u t c h , d i e s e lm o t o ra n dm o t o ra l ec o n n e c t e db y o v e m m n i n gc l u t c h w h e nt h ed i e s e lm o t o ro rm o t o rw o r k si n d e p e n d e n t l y , o v e r r u n n i n gc l u t c h c a nr e a l i z ed o u b l e - p o w e rt r a n s m i s s i o n l o a d e rf o rt h ep r o t o t y p ee s t a b l i s h e sad u a l p o w e r l o a d e r p o w e rt r a n s m i s s i o nd i a g r a m ，o na l la s p e c t s o ft r a n s m i s s i o n s y s t e me s t a b l i s h m a t h e m a t i c a lm o d e l ，i n c l u d i n gd i e s e le n g i n em o d e l ，m o t o rm o d e l ，t o r q u ec o n v e r t e rm o d e l ， g e a r - b o xm o d e l ，v e h i c l em o d e l f i n a l l yi nt h es i m u l i n ke n v i r o n m e n tb u i l td u a l - p o w e r l o a d e rp o w e rt r a n s m i s s i o ns i m u l a t i o ns y s t e m ，t h ed i e s e le n g i n eo rm o t o rr e s p e c t i v e l yt o s i m u l a t et h ep o w e rs o u r c e s i m u l a t i o no ft h ee n t i r ew o r kp r o c e s sf o rl o a d e r , s i m u l a t i o nr e s u l t m s h o w , c o m p a r e d 嘶t l lt h ed i e s e lm o t o rd r i v es y s t e m ，m o t o rd r i v es y s t e mc a l lm e e tc h a n g e s l o a di nl o a d e r , g r e a t e ro v e r l o a d w o r ki nt h en a r r o ws p a c ee n v i r o n m e n t ，t h ed u a lp o w e r s y s t e mi sp r o p e l l e db yt h em o t o r , n o to n l yt oa c h i e v et h ev e h i c l ee x h a u s tz e r oe m i s s i o n s ，t o p r o t e c tt h eh e a l t ho fd r i v e r sa n dc o n s t r u c t i o nw o r k e r s ，m o r e o v e r , f i o mt h ep e r s p e c t i v eo f e n e r g ys a v i n g ，m o t o rd r i v es y s t e mh a sag r e a ta d v a n t a g e ，c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yf u t u r e d e v e l o p m e n to fd u a l - p o w e rs y s t e mp r o v i d e sat h e o r e t i c a lg u i d a n c e k e yw o r d s ：t u n n e l ，d u a l - p o w e rs y s t e m ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , s i m u l a t i o n i v 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 能源是经济发展的战略重点，能源与人民生活和人类的生存环境休戚相关，在社会 可持续发展中起着举足轻重的作用。随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高， 对能源的需求量也迅速增加。长期以来，出于政治、经济多方面因素的考虑，中东地区 的一些石油输出国，对出口到不同地区的相同原油，采用不同的计价公式，从而造成亚 洲地区的石油进口国，要比欧美国家支付更高的价格。此现象甚至扩展到了液化天然气、 液化油气等产品。这种不平等的价格，即所谓的中东原油“亚洲溢价( a s i ap r e m i u m ) ”。 自1 9 9 2 年以来，亚洲国家每桶石油需要多付1 - - 1 5 美元。这损害了亚洲国家的利益， 亚洲为此每年要多花5 0 亿 - 1 0 0 亿美元。2 0 0 5 年9 月2 1 日，正在首尔参加“2 0 0 5 东北 亚石油论坛”的中韩日三国石油公司最高经营者，讨论了建立东北亚石油采购联合协商 机制问题，并就此达成共识。为了共同应对石油危机，东北亚三国应当建立联合协商机 制，以便推动亚洲石油共同市场的形成。中、韩、日三国代表表示，应该从世界第二产 油国俄罗斯，购买更多的石油，以降低西亚原油的价格。统计数据显示，2 0 0 4 年，中、 韩、日三国的石油消耗量，达到6 6 5 亿吨，占世界总量的1 7 4 ，总体的进口依存度约 为7 4 。2 0 0 9 年我国石油需求呈现先降后升、总体增长而增速放缓的态势。尽管目前 的经济增长减速以及政府节约能源的努力，2 0 0 9 年我国石油年需求量仍将从2 0 0 8 年的 3 8 7 亿吨增加到4 0 4 亿吨。我国石油年需求量在2 0 1 5 年前将达到5 亿至5 3 亿吨，并 在2 0 2 0 年前达到5 7 亿至6 2 亿吨。2 0 0 9 年中国能源蓝皮书预测，在石油消耗需求快 速增加和国内资源存在限制的共同影响下，2 0 2 0 年中国石油对外依存度将上升至6 5 。 按照国际观点，如果一个国家的石油依存度达到或者超过5 0 ，说明该国已进入了能 源预警期【l 】。高速的经济发展使我国能源消费呈现快速增长的趋势，目前我国己成为世 界第二大能源消耗国，与此相伴的是日益严重的环境问题，因此在保持经济快速增长的 同时，充分重视能源环境问题，减少环境污染，已成为一个极其紧迫而严峻的问题。 2 0 0 9 年末哥本哈根全球气候大会的召开，使得节能减排成为各国讨论的重点，在 此次会议上各国达成了哥本哈根协议。美国承诺2 0 2 0 年温室气体排放量在2 0 0 5 年 的基础上减少1 7 ，同时日本、欧盟等发达国家也做出相应的承诺，中国承诺到2 0 2 0 年单位国内生产总值二氧化碳排放比2 0 0 5 年下降4 0 灿5 ，根据现阶段我国的特殊 第一章绪论 情况，上面承诺的碳排放强度下降目标需要付出艰苦卓绝的努力，因此需要社会各个行 业的大力支持。 随着各国环保意识的增强，绿色设计作为一种新的设计方法在发达国家得到广泛的 认可和重视1 2 。在近几年的国际贸易中，发达国家往往以保护环境为名，通过立法手段， 制定严格的强制性技术标准，限制外国商品尤其是发展中国家商品的进口。 全球著名的工程机械和发动机制造商卡特彼勒公司始终致力于为客户提供适当的 解决方案，开发更清洁更绿色的产品，以减少排放，提高能源和燃料的利用率，降低对 环境的影响，使企业达到可持续性发展目标。2 0 0 5 年，可持续性发展成为卡特公司的“战 略性改进领域”，整个组织深化对可持续性发展的理解。紧跟时代潮流，中国工程机械 行业也把柴油机排放和噪声控制写进国家强制性标准。绿色工程机械作为绿色产品的分 支，其基本特征体现了机械制造学、材料学、社会学、管理学、环境科学的交叉与综合， 针对不同类型的产品各有侧重。 随着我国工业化的迅速发展，能源短缺和环境污染问题日益严重。工程机械多采 用柴油机一液压系统一多执行器驱动方案，耗油高、排放差，其节能问题已受到业界的 广泛关注 3 1 。由于柴油机在接近额定功率区效率较高，在低速和低转矩区工作效率比较 低。实际工作中，由于负载变化比较频繁、波动比较大，柴油机大多数时间工作在非高 效区内，燃料的利用率低，排放质量较差。因此，改善柴油机的工作状况使其工作在额 定功率区附近，是提高整体系统效率和改善排放质量的一个关键问题。在传统的功率匹 配控制中，为满足最大负载工况的要求，在工程机械的设计中按照工作过程中的最大功 率来选择柴油机，因此柴油机功率普遍偏大，燃油经济性较差。为解决这些问题，国外 各著名工程机械生产厂家普遍将研究开发方向转向到混合动力系统上，并取得了较好的 节能效果。 现阶段研究的混合动力系统都有能量回收装置，且电动机在整个系统中起平衡柴油 机功率的作用，使柴油机工作在高效区附近，提高了柴油机的效率，起到一定的节能效 果。武汉理工大学徐立对超级电容器应用于工程机械进行了仿真研究，并取得了一定的 成果1 4 1 。浙江大学王庆丰等人对混合动力工程机械节能效果及液压系统节能进行了仿真 研究，分别将马达能量回收、单独驱动、电动机直接驱动回转和进出口独立调节等节能 措旖与并联混合动力系统相结合，取得了很好的成果。吉林大学赵岩硕士论文并联式液 压混合动力汽车制动系统建模和仿真研究，应用液压蓄能器作为储能元件回收系统的制 动能量，达到较好的节能效剁5 1 。 2 长安大学硕士学位论文 由于我们面临的环境问题相当严峻，加之全球石油资源相当有限，开发一种新能源 已成为了各国政府的当务之急，混合动力系统就是在这种形式下被提出来的，它以其燃 料消耗少、排放污染小被广泛关注，减少了环境污染和能源短缺的压力。 1 2 国内外混合动力系统研究现状 混合动力技术自上世纪9 0 年代以来受到欧美等发达国家的高度重视，并取得了一 些重大的成果和进展。2 0 0 3 年，日立建机研制出了世界上第一台混合动力驱动的轮式 装载机；2 0 0 4 年，小松研制出世界上第一台混合动力液压挖掘机的试验机型。沃尔沃 2 0 0 8 年3 月正式亮相的l 2 2 0 f 轮式装载机，如图1 1 ，该机是一台油电混合动力装载机， 用蓄电池作为储能元件，节油率达1 0 ，该机型预计到2 0 1 0 上市 6 1 。2 0 0 9 年2 月5 日， 斗山重工宣布开始研发一种混合动力挖掘机，预计将在2 0 1 4 年完成。该新型混合动力 挖掘机的二氧化碳排放量将减少3 5 ，节约3 5 的燃料，每台机器一年将节省约1 7 0 0 万韩元。斗山此次开发新型挖掘机的计划是韩国知识经济部( m o k e ) 技术战略开发项目 的一部分。共有7 个来自韩国及海外组织促成了一个联盟，由斗山工程机械领导，总投 资达到1 8 0 亿韩元。新型混合动力挖掘机采用柴油发动机，弥补了柴油机在过载时输出 不足的缺陷，同时节约了剩余的动力。这种未来型挖掘机在减少燃料消耗及排放气体方 面实现了长足发展，并且加强了能源的有效利用。斗山计划开发2 2 t 挖掘机作为新机型。 通过安装动力转换装置，混合动力挖掘机的燃料利用率将提高3 5 ，这种动力转换装置 有助于机器重复使用转弯或操作过程中浪费的能源。项目负责人k i mn a k - i n 博士表示， 斗山工程机械将巩固其在世界混合动力挖掘机市场上作为领先的建筑设备制造商的地 位，到2 0 2 0 年将实现销售收入7 3 0 0 亿韩元。这种混合动力技术开发也将应用到轮式装 载机及叉车生产中。 2 0 0 9 年4 月，美国凯斯公司在法国工程机械展上展出了与日本住友公司最新研制 的c x 2 1 0 b 混合动力挖掘机，该挖机回转采用电机驱动，连接可储存电能的超级电容器。 与传统的蓄电池相比，超级电容器可直接储存电力，从而达到了节能的功效。2 0 0 9 年3 月日本住友建机株式会社推出世界首创的混合动力磁盘起吊式挖掘机。该挖掘机主要用 于处理碎钢铁作业，由于工作时间长，用于能源回收的机械本体旋转频度高，适合采用 混合动力技术，据称该机可节省燃料4 0 。 据日本经济新闻报道，三菱重工2 0 0 9 年1 0 月推出同时配备燃油柴油机和锂电 池的混合动力叉车，其燃油效率比普通车高四成。小松电机则计划在2 0 0 9 - 2 0 1 0 年间推 3 第一章绪论 出适用于混合动力车的发电机，供生产新一代叉车的子公司使用。此外，日本的丰田自 动织机公司从2 0 0 9 年1 2 月开始接单生产使用镍氢电池的混合动力型叉车。丰田自动织 机公司在美国混合动力车市场占据7 0 份额，其生产的丰田普锐斯高居混合动力车销量 榜首。丰田普锐斯所搭载的电池将被改良后用在叉车上。另据了解，目前德国也正在研 发新型混合动力挖掘机，预计降低能耗4 0 。 图1 1 沃尔沃l 2 2 0 f 装载机 国内工程机械企业在混合动力方面的应用与研发也已进入起步阶段。国内企业山河 智能的叉车产品中，可以配套混合动力系统，江麓机电科技公司牵头组织的“新型混合 动力工程机械关键技术及系统”重点科研项目在众多强劲对手中脱颖而出，已列入国家 “8 6 3 ”计划。目前，江麓机电科技有限公司以混合动力复合方式、动力参数匹配、能量 管理系统、能量回收方法以及混合动力专用部件的研究为突破口，正在积极开展新一代 混合动力工程机械的研制工作。 在第九届北京国际工程机械展览与技术交流会( 鲥国i c e s ) 展会上，贵州詹阳动力 重工推出的j y l 6 2 1 h 混合动力环保型轮式挖掘机引起了业内人士的极大关注阴。据介 绍，j y l 6 2 1 h 混合动力挖掘机采用了混合动力技术、微电脑控制挖掘操作过程的节能 技术、蓄电池能源管理及逆变控制技术、新架构的c a n 总线通讯控制系统以及冗余系 统设计，具有高效、节能、低排放、低噪音、低震动等特点。2 0 0 9 年1 1 月3 日召开的 第十届北京国际工程机械展览与技术交流会上，三一重工推出的首台国产混合动力挖掘 机进行了首场施工表演，并被称之为“看得见的节能”。据介绍，这一产品集中了混合动 力、柴油机功率优化控制、电子控制正流量系统、工作装置轻量化等各种节能技术，可 4 长安大学硕士学位论文 有效减少能量消耗，实现能量回收。该产品整机动作协调性好、安全性高，比传统挖掘 机节能3 0 以上、作业效率提高2 5 以上。 工程机械产品都是耗油大户，每一次生产企业在“省油”方面的技术进步，都成为产 品推向市场的巨大卖点。混合动力工程机械的研发与应用需要技术的不断完善，相对传 统产品，混合动力工程机械售价将会较高，其发展需要一个漫长的过程。但伴随着全球 环保节能理念的深入，混合动力将成为未来行业生产的一种趋势。相对于国外企业的全 面开花，我国在这方面还略显落后。对于正在谋求实现从制造大国向制造强国转变的中 国工程机械行业来说，无论是主机企业还是配套企业，提前把握市场未来的发展趋势， 率先开展先进技术的研发是十分必要的。 以上分析的国内外混合动力系统都具有能量回收装置，而双动力系统目前还未被应 用于实际生产中，通过实地考察，在一些狭小密闭的工作空间，柴油机驱动系统效率低 下，尾气污染严重，而电动机驱动系统不仅能够满足工作的需要，而且没有尾气的排放， 因此，本文主要研究一种应用于特种工作环境下的双动力系统。 1 3 课题研究的目的和意义 1 3 1 研究的目的 本课题是研发一种可应用于工程机械上的新型双动力系统，即在工程机械车辆的传 统动力系统基础上进行改进，使其能够在不同的环境和工况下使用不同的能源完成作业 要求。传统的工程机械车辆通常只有一种动力源即柴油机，当这种机械在越来越多的现 代公路隧道、铁路隧道、城市地铁隧道、过江、过河隧道施工中进行土石方施工时，由 于施工空间狭小、通风不畅，柴油机本身的排放废气破坏了机械自身以及驾驶人员的工 作环境，使得以柴油机为动力源的工程机械在非开放式场合作业时面临两方面问题：第 一，进气质量下降，燃烧不充分，输出动力不足，意味着能源浪费：第二，排放废气充 满封闭的施工环境，也包括驾驶人员的工作环境，意味着驾驶员无法长期工作和人身伤 害。因此，本课题的研究目的是研发一种新型双动力系统，使工程机械可以根据作业环 境使用不同的能源，以保证在特殊环境中、在不额外消耗能源的情况下保证工程机械的 动力性，同时改善驾驶人员的工作环境，保障人身健康，提高工作效率，节约能源。 1 3 2 研究的意义 随着我国经济的飞速发展，工程机械在各个行业得到广泛的应用，在我国现代化建 5 第一章绪论 设中发挥了巨大的作用。工程机械中的铲土运输机械是施工机械中用途最广泛的一大 类，它们可以用来铲装、运输、平整和推挖土方、石方及各种散装物料。这些机械在国 内、外被广泛的应用于道路建筑、机场修建、民用建筑、水利建设、码头建造、农田改 良及国防建设等；在公路工程施工项目中，这种机械常被用作主要机种进行铲挖平整； 在作业条件恶劣、人烟稀少、物力不足的高原、沙漠、沼泽地带和高寒地区等地，采用 这些机械，对减少劳力、提高生产效率、加快施工速度，就显得更为有利。但是传统的 工程机械都是大排量高污染的高耗能产品，在消耗大量能源的同时也给环境带来很大的 压力，因此，研发自主知识产权的节能型绿色工程机械刻不容缓。 本课题的研究就是试图解决一种应用于特殊工作环境下的双动力工程机械，比起传 统工程机械在工作过程中的能耗大、尾气污染严重的问题，使用电能来做工程机械的燃 料还是很廉价的，且电动机驱动可以实现尾气的零排放。随着我国交通建设事业的迅速 发展，大断面隧道和地下工程逐渐增多，各种不同的工程机械也相继应用于隧道施工中， 对于较长的隧道施工如果通风不及时，加上工程机械车辆大量尾气的排放，对现场施工 人员的健康造成很大的伤害；大中等城市近年来迅速发展，地铁已经成为了这些城市发 展的一部分，各种类型工程机械都被应用于城市地铁建设中，与此同时地下施工对工程 机械节能减排提出更高的要求。因此，研究一种尾气排放较低甚至零排放又能适应施工 要求的工程机械迫在眉睫，工程机械双动力系统的研究无疑对隧道或地下施工产生了重 要的影响，由于可以采用市网电源驱动工程机械，实现尾气的零排放，因此将广泛的应 用于我国的交通建设中，对今后工程机械的发展方向有一定的指导意义。 1 4 课题的主要研究内容 本文所研究的混合动力系统为双动力系统，与一般的混合动力系统不同，没有考虑 系统能量的回收，重点研究双动力系统各自独立工作的性能。因此对双动力系统的连接 方式有较高的要求，当其中一个动力源工作时另一动力源必须断开连接，使整车的动力 切换自如。根据不同的工作场所选取不同的动力来驱动车辆，提高了车辆的出勤率和作 业的适应性。同时在紧急情况下需要电源时，柴油机可以驱动电动发电机工作，向外 输出交流电源，这时该双动力设备相当于一台移动式电源。目前国内大部分工程机械厂 家都没有这方面的技术，或者都还停留在理论阶段。因此，在工程机械双动力技术方面 的研究是必要的，本论文就是在这样的形式下提出的，其研究的主要内容： 1 柴油机动力与外接电源( 和自发电源输出) 动力在工程机械上应用的必要性研究 6 长安大学硕士学位论文 ( 从安全、环保、效率等方面) 。 2 两种动力混合时的传动方案( 串联、并联、分离) 研究。 3 柴油机工作时，电动机( 或发电机) 的分离方案研究( 如在串联方案中，电动机 或发电机转子与定子之间的电磁作用及其对柴油机性能的影响) 。 4 电动机( 或发电机) 工作时，柴油机的分离方案研究。 5 在特定机型( 如隧道装载机) 的特定工况下，柴油机或电动机与载荷的匹配性、 适应性研究。 其中双动力系统传动方案的研究以及柴油机或电动机与载荷的匹配性、适应性研究 为本文研究的关键技术。 1 5 本章小结 通过分析当今各国面临的能源问题，提出节约能源的重要性，以及对工程机械行业 的影响，各工程机械厂家纷纷投入混合动力系统的研究。结合国内外混合动力工程机械 的发展现状，提出一种应用于特殊环境下施工的双动力工程机械。 7 第二章双动力系统传动方案的研究 第二章双动力系统传动方案的研究 2 1 双动力系统的选型分析 混合动力系统就是将工作原理不同的两种以上的原动机组合起来使其工作的系统 【8 】。根据混合动力驱动系统连接方式，以及目前最为常用的机械能和电能的组合。本文 研究的双动力系统分为串联式、并联式、分离式，下面分别介绍这三种双动力系统的基 本原理。 2 1 1 串联式驱动系统 本文研究的串联式双动力系统主要由柴油机、电动机、液压泵等组成。图2 1 是串 联式双动力系统的原理图。串联式双动力系统具有两个动力源：柴油机和电动机，当车 辆在野外作业和行走及用电不方便的情况下，用柴油机来驱动工作机构，此时车辆驱动 形式跟传统车辆一样。当车辆在狭小密闭空间或易燃易爆的工作环境下作业时，接上市 网交流电源，由机载交流电动机驱动作业机构工作，保证了工程机械车辆作业的清洁环 境和安全可靠性。 图2 1 串联式双动力系统 串联式双动力系统中，当柴油机作为动力源驱动车辆工作时，需要通过电动机把动 力传递给液压泵。如图2 1 所示，柴油机输出轴与电动机转子轴连接，此时电动机转子 也跟着柴油机一块旋转，极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组 ( 相当于绕组的导体反向切割励磁磁场) 。由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动， 电枢绕组中将感应出大小和方向按周期变化的三相对称交流电源。电动机相当于一台发 电机，将反作用于柴油机，消耗柴油机功率，对柴油机工作性能产生影响，由于柴油机 受电磁作用的干扰，部分输出功率用于发电，所以能量损失比较大，只有部分功率传递 到工作机上，严重影响了工程机械车辆的作业。工程机械车辆一般大多在野外作业现场， 遇到紧急情况需要动力电源、照明等情况，由于现场条件的限制，不可能方便的获得市 8 长安大学硕士学位论文 网电源。串联式双动力系统中柴油机就可以带动电动机( 此时相当于一台发电机) 发电， 供现场用电设备和灯具照明等使用，此时工程机械车辆就相当于一个移动式电源。其工 作原理如图2 2 所示。 图2 2 移动式电源设备 当电动机通过市网电源驱动车辆工作时，由电动机带动液压泵工作，电动机转子轴 与柴油机输出轴连接，当电动机工作时柴油机输出轴也转动，相当于电动机多了一个负 载，使得柴油机在怠速运转，不仅浪费了大量的电能，而且对柴油机的寿命也有影响。 同时使电动机旋转磁场切割磁励线速度减慢，影响电动机输出转速，输出功率减少。 从上面的分析可以看出，当柴油机和电动机两大动力源工作时，与液压泵都 是机械连接方式，中间没有能量的转换过程，能量利用率较高。但是由于两大动 力源分别工作时相互干涉，有部分能量的损失。因此，串联式双动力系统适用于 对功率要求不高的工程机械的行走装置和工作装置。 2 1 2 并联式驱动系统 并联式双动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。可 以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱 动。当汽车加速爬坡时，电动机和柴油机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速 达到巡航速度，汽车将仅仅依靠柴油机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发 电机使用，以平衡柴油机所受的载荷，使其能在高效率区域工作。但是由于柴油机和驱 动轮采用机械连接，在城市工况时，柴油机并不能总是运行在最佳工况点，车辆的燃油 经济性比串联时要差。由于没有单独的发电机，柴油机可以直接通过传动机构驱动车轮， 这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，因此得到比较 广泛的应用 9 1 。 本文研究的并联式双动力系统主要由柴油机、电动机、切换装置和液压泵等组成。 图2 3 是并联式双动力系统原理图。 9 第二章双动力系统传动方案的研究 图2 3 并联式双动力系统 如图所示，柴油机和电动机两大动力通过动力切换装置可以独立的驱动工作机构， 根据工作场所的不同选取不同的驱动方式，动力切换非常灵活。充分发挥了并联式双动 力系统的优势，提高了整车的工作性能。 与串联式双动力系统不同的是增加了一个动力切换装置，从而克服了串联式双动力 系统中两大动力系统相互干涉的问题。并联式双动力系统有两条驱动能量流线，第一条 是柴油机切换装置一液压泵一液压系统，第二条是外接电源一电动机一切换装置一液 压泵一液压系统【1 0 1 。两个独立的驱动系统通过切换装置来控制，发挥各自的特点，协调 工作。 并联式系统中，两个动力系统可以分别独立的工作，没有能量的损耗浪费。因此工 作效率比串联式要高，在工程机械上应用前景广阔。但由于并联式系统的体积大，结构 布局受到空间的限制，控制策略较为复杂。所以比较适合于大型的工程机械车辆上的应 用。 2 1 3 分离式驱动系统 分离式双动力系统是在柴油机和电动机两大动力系统之间设置分离装置的双动力 系统。当其中一个动力工作时，另一个动力系统可以方便的分离出来。上面提到的并联 式双动力系统就属于分离式驱动系统，由于其结构方面的限制归入到并联式驱动系统 中。 分离式驱动系统根据柴油机和电动机连接方式的不同分为串联式和并联式两种。为 了适应不同工程机械和安装空间的需要，根据电动机功率大小的不同。一般2 0 0 k w 以 内的电机推荐用串联式结构，2 0 0 k w 以上的电机采用并联式结构，并配有分动箱【1 1 1 。 如图2 4 为分离式驱动系统的串联式结构，该分离式驱动系统由柴油机、分离装置、电 动机、液压泵等组成。如图所示柴油机输出轴通过分离装置与电动机转子轴连接，电动 机转子轴另一端与液压泵的输入轴相连。柴油机和电动机两套动力系统只需要带动同一 个液压泵。需要柴油机工作时，柴油机的输出轴转动，通过分离装置带动电动机转子轴 1 0 长安大学硕士学位论文 转动，电动机输出轴驱动液压泵工作。需要电动机工作时，电动机转子轴直接转动，带， 动液压泵工作。由于分离装置的作用，当电动机转子轴转动时，不会带动柴油机输出轴 转动，柴油机不工作。 图2 4 分离式驱动系统串联式结构 当紧急情况需要电源时，分离式驱动系统串联式结构也可以作为一台临时发电设备 对外供电。其工作原理如图2 5 所示。 图2 5 移动式电源设备 分离式驱动系统并联式结构一如图2 6 ，该分离式驱动系统主要由柴油机、分动箱、 分离装置、电动机、液压泵等组成n 2 1 。 图2 6 分离式驱动系统并联式结构一 图中柴油机的输出轴和电动机的转子轴分别通过分离装置与分动箱的输入轴相连 接，该柴油机和电动机的输入端分别插入分离装置的输入端，分动箱的输入轴与分离装 置的输出端连接。该分动箱的输出轴与液压泵输入轴连接。为适应安装空间柴油机和电 第二章双动力系统传动方案的研究 动机分别位于分动箱两侧。分动箱设有一根输入轴，柴油机和电动机位于分动箱两侧， 该分动箱的输入轴一端通过分离装置与柴油机连接，另一端通过分离装置与电动机连 接；其中分离装置位于分动箱里面。 分离式驱动系统并联式结构二如图2 7 ，该分离式驱动系统主要由柴油机、分动箱、 分离装置、电动机、液压泵等组成。该分动箱设有两根输入轴，其中一根输入轴通过分 离装置与柴油机连接，另一根输入轴通过分离装置与电动机连接；离合装置设置在分动 箱里面。结构二中柴油机和电动机位于分动箱左侧，液压泵位于分动箱右侧中部位置。 分离式驱动系统结构三如图2 8 ，该分离式驱动系统主要由柴油机、分动箱、分离装置、 电动机、液压泵等组成。该分动箱设有两根输入轴，其中一根输入轴通过分离装置与柴 油机连接，另一根输入轴通过分离装置与电动机连接；离合装置设置在分动箱里面。由 于安装空间布局的需要，结构三中柴油机、电动机和油泵布置在分动箱一侧，其中油泵 位于柴油机和电动机中间。 图2 7 分离式驱动系统并联式结构二 如图2 7 所示，分动箱一根输入轴与柴油机输出轴和分离装置连接，另一根输入轴 与电动机转子轴和分离装置连接。分动箱输出轴与液压泵连接，输出动力。 1 2 长安大学硕士学位论文 柴油机 液压泵 电动机 分! 离i 装 置j 分 动 箱 图2 8 分离式驱动系统并联式结构三 如图2 8 所示，分动箱一根输入轴与柴油机输出轴和分离装置连接，另一根输入轴 与电动机转子轴和分离装置连接。分动箱输出轴与液压泵连接，输出动力。该结构较结 构二布置紧凑，对空间有限制的大型工程机械车辆适宜采用。 2 2 隧道用装载机双动力系统方案选型 2 2 1 适用于隧道装载机的双动力系统类型 由于隧道装载机机械设备布置空间相对狭小，工作环境的限制，长期在狭窄空间工 作，本身装载机的外形就比较小。综合考虑以上几种双动力系统驱动方案。分离式驱动 系统串联式结构较为紧凑，两大动力系统分离方便可靠，符合隧道装载机的要求。因此， 我们选取分离式驱动系统串联结构为系统连接方式。装载机在隧道内工作时，现场粉尘 比较大。如果采用传统的柴油机驱动形式，在隧道有限的空间内，柴油机进气质量下降， 燃烧不充分，使得尾气排放相当严重，对驾驶员和现场施工人员的健康造成很大的威胁。 双动力系统可以克服以上难题，根据现场具体情况，采用电动机驱动形式，真正实现零 排放。 2 2 2 隧道装载机双动力系统结构原理 隧道装载机双动力系统的结构原理如图2 9 所示 第二章双动力系统传动方案的研究 离合 图2 9 隧道装载机双动力系统的结构原理图 该双动力系统中，柴油机通过离合器( 其实为普通单向超越离合器) 与电动机连接， 把动力传递给变速器，变速器由液力变矩器和变速箱组成，液力变矩器把动力又传递给 液压泵来驱动液压系统作业。液力变矩器的输入轴和输出轴靠液体联系，工作构件间没 有刚性连接。能消除冲击和振动，过载保护性能和启动性能好，输出轴转速可大于或小 于输入轴的转速，两轴的转速差随传递扭矩的大小而不同；有良好的自动变速性能，载 荷增大时输出转速自动下降，反之自动上升；保证动力机有稳定的工作区，载荷的瞬态 变化基本不会反映到动力机上。 外接电源是当装载机在隧道或固定场所工作时，连接到电动机上使其成为工作机。 电动机工作时，通过前面的离合器可以使电动机转子轴和柴油机输出轴分离，此时装载 机系统为纯电动驱动系统。 控制系统的作用是收集各种传感器信号并进行处理，把转换后的电信号传输给电磁 阀，由电磁阀来控制液压系统工作。 2 3 双动力系统在工程机械上应用的可行性研究 2 3 1 双动力系统与传统动力系统的共性 本文研究的工程机械双动力系统在野外作业，用电不方便的情况下，其驱动形式与 传统动力系统是相同的。在复杂的作业环境下，柴油机作为主要的动力源给行走工况和 作业工况提供动力。柴油机应该选取符合国家排放标准的节能型柴油机，尽量减少尾气 的排放，使柴油机大部分时间能工作在高效区附近，因此双动力系统和传统动力系统都 对柴油机的工作性能有很高的要求。 1 4 长安大学硕士学位论文 2 3 2 双动力系统与传统动力系统的差异 双动力系统在结构设计、空间的布置、尾气排放及经济性等方面跟传统动力系统差 别很大。下面通过表格2 1 对比两者之间的差异。 表2 1 双动力系统与传统动力系统对比【1 3 】 动力系统动力源传动方式结构布置 经济性 尾气排放 双动力 柴油杌电动机机械传动简便、灵活好轻度污染或零排放 系统 传统动力 柴油机机械传动复杂差重度污染 系统 由上面的表格分析看出，双动力系统是在原有动力系统的基础上安装了一台电动 机，在没有改变原有动力系统基本功能的基础上，使其经济性和尾气排放有较大的改善。 在结构布置上比传统动力系统更加简便、灵活。在特定场合通过分离装置可以切换到电 动机工作模式，满足工作要求的同时，使尾气实现零排放。在当今石油价格猛涨和环境 污染日益加重的情况下，双动力系统在工程机械上的应用有很大的潜力。 2 4 本章小结 本章对双动力系统的连接方式做了详细分析，分别介绍了串联式、并联式、分离式 三种连接方式在双动力系统上的应用。串联式结构有电动机电磁作用的影响，并联式结 构对空间布置有限制，而分离式串联结构由于有分离装置，且结构布置紧凑，被应用于 工程机械的双动力系统中。对比传统动力系统和双动力系统的不同，提出研究双动力系 统的可行性。 第三章双动力系统分离方案的研究 第三章双动力系统分离方案的研究 本文研究的混合动力系统为双动力系统，与一般的混合动力系统有差别。两大动力 系统是分别独立的工作，其中双动力系统分离装置的选取至关重要。根据双动力系统连 接方式的不同，其结构的布置以及分离装置的选取也不同。机械联接上应用的分离装置 有离合器、机械式分动箱、液力耦合器等，下面详细介绍离合器和机械式分动箱两种分 离装置。 3 1 离合器 离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或接合，以保证汽车起步时将柴油机与 传动系平顺地接合，确保汽车平稳起步；在换挡时将柴油机与传动系分离，减少变速器 中换挡齿轮之间的冲击；在工作中受到大的动载荷时，能限制传动系所承受的最大转矩， 防止传动系各零件因过载而损坏；有效地降低传动系中的振动和噪声。因此对离合器的 要求有：接合