任佳信， 黄伟男， 权 龙， 冯克温
(太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室， 山西 太原 030024)
轮式挖掘机，简称轮挖，其行走系统为阀控液压马达开环系统，由发动机驱动液压泵输出高压油液，经多路阀控制液压马达驱动行走系统[1]。轮挖行走时加减速非常频繁，发动机与负载长时间不匹配导致效率低下；
由于整机质量大，轮挖在高速行走时具有的动能很大，制动时动能由机械制动器消耗，能量损失严重。降低行走机构的能耗，现有的研究主要集中在动力源优化匹配和制动动能回收2个方面。
(1) 动力源优化与匹配 刘均益[2]针对轮式挖掘机行走系统，提出了发动机变速控制功率调节等控制方案，试验表明发动机平均功率利用率提高了4.43%。融合两种或多种动力源的混合动力系统通过协调控制，能够很好地改善发动机工作特性。油电混合动力系统已经成功应用于挖掘机、装载机、起重机等工程机械，节能减排效果良好[3]。相比于油液混合动力，液压混合动力系统功率密度大、可有效提高车辆的燃油经济性[4-5]。于安才[6]将二次调节混合动力技术应用到轮式挖掘机的行走机构中，利用液压泵/马达回收惯性能，结果表明，发动机工作在燃油经济区，频繁制动的工况节省燃油达到31.27%。
(2) 制动动能回收 回收制动动能主要有电气和液压两种方式[7]。电气回收方式将能量储存至超级电容，关澈等[8]将挖掘机动臂下落时的重力势能回收到超级电容中，回收的能量用于驱动系统主电机，可降低系统能耗21.8%。液压回收方式将能量回收至蓄能器，LEE S Y等[9]将制动过程中的油液回收于蓄能器，再次起动时将油液释放到液压马达进油口，节能效果较好。杨坤等[10]以复合蓄能器并联式液压混合动力公交车为研究对象，高压蓄能器先回收制动能量，低压蓄能器回收剩余能量，制动能量回收率得以提高。左旸等[11]采用液压飞轮式蓄能器回收电梯动势能，能量密度显著提高。李洁等[12]利用超级电容和蓄能器进行挖掘机动臂-回转复合工况下的能量回收，结果表明，与原电驱挖掘机相比，降低能耗29%。
轮挖作为主要应用在城市建设中的工程机械，非常适合采用高能效的电动机代替柴油发动机，直接驱动车辆行走，减少排放污染。然而轮挖行走工况复杂，大功率场合较多，如果采用纯电驱动方案，会造成电机装机功率过大，增加成本。权龙等[13]结合电机高能效与液压系统高功率密度的优势，提出液电混合主被动复合驱动原理。王翔宇等[14]将此原理应用在电铲提升系统中，结果表明，电机装机功率、系统能耗显著降低。郝云晓等[15]将此原理应用于液压缸驱动系统，由电-机械执行器控制运动，由液压缸克服外负载力，结果表明，相较于阀控缸系统，能耗降低43.1%。乔舒斐等[16]提出液电混合半主动驱动机械臂储能系统，将其应用与挖掘机动臂，结果表明，能效提升51%～56%。秦涛等[17]提出液电混合挖掘机回转系统，仿真结果表明，所提系统能耗大幅降低。曹宏利等[18]将此原理应用于轮式机械行走驱动系统中，仿真结果表明，该方案能够高效回收利用车辆行走的制动能。
本研究提出液电混合驱动轮式挖掘机行走系统，电机控制行走速度，液压泵/马达与蓄能器组合，回收制动动能，并在加速等大功率工况辅助电机驱动行走系统。对关键元件进行参数设计，制定驱动与制动控制策略，建立液电混合驱动行走系统的仿真模型，对原机行走系统及所提系统进行仿真分析。
1.1 系统构成与工作原理
图1所示为轮式挖掘机液电混合驱动行走系统原理图。系统由液压驱动单元、电气驱动单元、离合器5、变速箱、控制器等组成。液压驱动单元主要包括恒压油源1、蓄能器2、开关阀3、液压泵/马达4，电气驱动单元主要包括伺服电机6、电机驱动器、制动电阻7。液压驱动单元的液压泵/马达4与电气驱动单元的伺服电机6通过离合器5同轴连接，实现功率的耦合，最终经变速箱减速增扭后驱动车轮行走。
1.恒压油源 2.蓄能器 3.开关阀 4.液压泵/马达 5.离合器 6.伺服电机 7.制动电阻
轮挖直线行驶时的受力平衡方程式为：
Fk=Ff+Fi+Fj+Fw
(1)
式中，Fk—— 驱动力
Ff—— 滚动阻力
Fi—— 坡道阻力
Fj—— 加速度阻力
Fw—— 空气阻力
各项阻力表达式为：
(2)
式中，G—— 车辆重力
α—— 坡道角
f—— 综合滚动阻力系数，公路取0.03，土路取0.2
CD—— 空气阻力系数，取0.5
A—— 迎风面积
δ—— 旋转质量换算系数
v—— 车速
当轮挖加速启动时，离合器连接，电机处于电动状态，开关阀左位全开，液压泵/马达处于马达工况，蓄能器释放高压油液，驱动液压泵/马达旋转，通过离合器辅助电机驱动行走系统。当蓄能器油液压力低于恒压油源的设定压力时，代表系统流量不足，由恒压油源与蓄能器共同提供压力油。受力分析如式(3)所示：
(Td+Tp/m)i=Fk·r
(3)
式中，Td，Tp/m—— 电机、液压泵/马达的输出扭矩
i—— 总减速比
r—— 车轮半径
当轮挖匀速行驶时，离合器断开，开关阀关闭，液压驱动单元不工作，由电机单独驱动行走系统，受力分析如式(4)所示：
Td·i=Fk·r
(4)
当轮挖制动时，离合器连接，液压泵/马达处于泵工况，制动动能反向驱动液压泵/马达向蓄能器充液，制动动能转换为液压能，存储到蓄能器中。当液压泵/马达可提供扭矩小于需求制动扭矩时，电机处于发电状态，与液压泵/马达共同提供制动扭矩，利用电阻消耗所回收的少量能量。紧急制动时，采用机械制动器摩擦制动，保证制动安全性。受力分析如式(5)所示：
(Td+Tp/m+Tm)i=Fk·r
(5)
式中，Tm—— 机械制动器提供的摩擦扭矩。
1.2 驱动与制动控制策略
轮挖行走工况复杂多变，难以准确判断驾驶员的操作信号，因此采用后向建模的方法对液电混合驱动行走系统进行仿真分析，即以行驶工况为输入，功率沿着传动系统向后传递，最终计算得到系统能耗，后向建模适宜用于不同方案之间的比较，控制策略如图2所示。
图2 液电混合驱动行走系统控制策略
主控制器根据行驶工况输出需求扭矩及电机目标转速信号给工作模式判断器，工作模式判断器判断当前工况，形成不同的驱动/制动模式，对伺服电机采用转速闭环控制，精准控制行驶速度，扭矩分配模块通过改变液压泵/马达的排量对其输出扭矩进行调节，电机输出扭矩为需求扭矩与液压泵/马达输出扭矩的差值，紧急制动时，制动扭矩全部由机械制动器提供。
以某型6 t轮式挖掘机为研究对象，其行走系统参数如表1所示。
表1 某型6 t轮式挖掘机参数
2.1 伺服电机
根据液电混合驱动行走系统原理，伺服电机应能够独立驱动轮挖以最高速度匀速行驶，由式(1)、式(2)、式(4)计算可得该工况所需扭矩约为87 N·m。本研究选择体积小、效率高的永磁交流同步伺服电机，额定转速为2000 r/min、额定功率为20 kW、额定扭矩为97 N·m。
2.2 液压泵/马达
液压泵/马达的最大功率应满足轮挖在最大爬坡度下行驶的功率需要：
(6)
式中，Pp/m—— 液压泵/马达的功率
Pd—— 电机的功率
vslope—— 爬坡速度
η—— 系统到车轮的传动效率，取90%
最终选择A4VSO71型液压泵/马达，其排量为71 mL/r、最大功率为91 kW、最大转速为2200 r/min；
最大扭矩为395 N·m。
2.3 蓄能器
蓄能器的最高工作压力应低于液压泵/马达的最高压力，同时蓄能器最低工作压力、最高工作压力、预充压力及气体体积有如下关系：
p1=(0.6～0.85)p2
(7)
0.25p2≤p0≤0.9p1
(8)
(9)
式中，p0，p1，p2—— 蓄能器预充压力、最低工作压力、最高工作压力
V0，V1，V2——p0，p1和p2对应的气体体积
C—— 常数
n—— 气体的多变过程指数，绝热过程取1.4，等温过程取1
蓄能器的容积应能够回收轮挖在最高车速下制动的动能：
(10)
最终选择容积为50 L的蓄能器，最低工作压力为19.8 MPa、最高工作压力为33 MPa、预充压力为 8.25～17.8 MPa。
2.4 变速箱传动比的确定
轮挖一般有2个档位，在爬坡或路面条件较差时行驶用低速档，在路面条件较好时行驶用高速档。
根据最高车速要求确定高速档位的传动比i2：
(11)
最终确定变速箱高速档位传动比i2为1.02。
图3所示为轮式挖掘机机械模型的建立流程。首先，根据轮式挖掘机实际结构和尺寸，在SolidWorks软件中对各部件零件体进行建模与装配；
然后将其导入到仿真软件SimulationX中，设置质量、转动惯量、质心等关键参数，添加各工作装置之间的运动副和约束，预留多学科联合仿真接口；
最终搭建完成如图4所示的整机机械模型。
图3 轮式挖掘机机械模型建立流程
图4 轮式挖掘机机械模型
按照原机行走系统的工作原理，完成原机阀控液压马达行走系统仿真模型的搭建；
根据液电混合驱动行走系统的工作原理，建立如图5所示的液电混合驱动轮式挖掘机行走系统多学科联合仿真模型，其中，液压系统模型主要包括恒压油源模型，液压泵/马达、蓄能器以及开关阀组成的能量回收利用模型；
电气系统模型主要包括伺服电机矢量控制模型；
机械系统模型为轮式挖掘机整机机械模型。
图5 液电混合驱动轮式挖掘机行走系统多学科联合仿真模型
轮式挖掘机在作业时行走较少，能量回收不明显，所以本研究以轮挖高速转场过程为研究对象。轮挖在转场时，加速启动、匀速、制动工况交替进行，基于此典型工况，对原机阀控液压马达行走系统和液电混合驱动行走系统展开仿真研究。
首先，将原机仿真车速曲线处理后得到传动轴转速曲线，将其输入电机驱动控制器中，经过仿真，得到如图6所示的两系统行走速度特性对比图。结果表明：从静止启动到达到最高车速35 km/h，所提系统与原机系统用时分别为20.55 s和20.05 s，制动时间分别为7.24 s和7.01 s，偏差值较小，在可接受范围内，表明液电混合驱动行走系统具有与原机行走系统相同的速度控制精度，运行特性良好。
图6 两系统行走速度特性对比
4.1 能效特性分析
图7为原机行走系统在典型工况下的能效特性。
由图7知，0～20 s时，轮挖加速启动，液压泵的输出功率为45 kW；
20～40 s时，匀速行驶，所需驱动力减小，液压泵的输出功率降为20 kW；
40～47 s时，制动，液压泵不输出能量，主要依靠机械制动器提供制动力；
47～60 s时，停车；
60～80 s时，轮挖再次加速启动，液压泵的输出功率为45 kW；
80～87 s时，制动， 与上个制动过程相同；
87～90 s时，停车。典型工况下，液压泵输出能量2206 kJ。
图7 原机行走系统能效特性
图8为液电混合驱动行走系统在典型工况下的能效特性。
图8 液电混合驱动行走系统能效特性
由图8a所示的功率曲线图知，0～20 s时，轮挖加速启动，蓄能器不输出功率，由恒压油源单独驱动液压泵/马达旋转，通过离合器辅助电机驱动行走系统，随着车速的提高，电机与恒压油源输出功率均逐渐增大，其中电机峰值功率为20 kW，恒压油源峰值功率为23 kW；
20～40 s时，匀速行驶，电机与液压泵/马达之间的离合器断开，开关阀切换到关闭状态，液压驱动单元不工作，仅由电机提供驱动力，此时电机的输出功率为18.8 kW；
40～47 s时，制动，液压泵/马达处于泵工况，向蓄能器充入高压油液，蓄能器输出功率为负代表制动动能转化为液压能，同时电机提供部分制动力，由制动电阻消耗回收的能量，随着车速的降低，蓄能器与电机输出功率均逐渐减小；
47～60 s时，停车；
60～80 s时，轮挖再次加速启动，蓄能器释放油液驱动液压泵/马达，76 s时，系统流量不足，蓄能器输出功率减小，恒压油源输出功率增大，由恒压油源与蓄能器共同输出油液驱动液压泵/马达，电机峰值功率为20 kW；
80～87 s时，制动，具体过程与上个制动过程相同；
87～90 s时，停车。
由图8b所示的能耗曲线知，蓄能器压力大幅上升与下降，代表有效回收与再利用了制动动能。典型工况下，电气驱动单元输出能量799 kJ，液压驱动单元输出能量160 kJ，故液电混合驱动行走系统输出能量959 kJ，与原机行走系统相比能耗降低56.5%。
4.2 制动能量回收分析
受路面交通情况影响，轮式挖掘机在转场工况经常需要制动减速，且大多数情况下制动强度较低，适宜采用液压再生制动回收能量，定义制动能量回收率ε为评价制动能量回收效果的指标，制动能量回收率计算公式为：
(12)
当制动加速度为1.6 m/s2时，制动强度较大，采用液电混合制动模式，液压泵/马达与电机共同提供制动扭矩，仿真结果如图9所示。轮式挖掘机的行驶速度从35 km/h降为0 km/h，7 s完成制动，其中，液压泵/马达输出扭矩为264 N·m，电机输出扭矩为97 N·m。根据仿真结果计算，整个制动阶段液压泵/马达回收能量171 kJ，制动能量回收率为61.3%。
图9 液电混合制动仿真结果
当制动加速度为0.98 m/s2时，制动强度较小，采用液压制动模式， 由液压泵/马达提供全部制动扭矩，仿真结果如图10所示。轮式挖掘机的行驶速度从35 km/h 降为0 km/h，10 s完成制动，其中，液压泵/马达输出扭矩为190 N·m，电机输出扭矩在振荡后稳定在0 N·m，代表电机不参与制动。根据仿真结果计算，整个制动阶段液压泵/马达回收能量196 kJ，制动能量回收率为70.3%。
图10 液压制动仿真结果
综上所述，所提系统的制动能量回收率总体上较高，有效回收了轮式挖掘机行走过程中的制动动能，在确保制动安全的前提下，应尽量利用液压制动模式获得更好的能量回收效果。
(1) 为降低轮式挖掘机行走过程中的能耗，提出液电混合驱动行走系统，电机控制行走速度，液压泵/马达与蓄能器组合，回收制动动能，并在加速工况辅助电机驱动行走系统，系统运行平稳，显著降低了电机的装机功率，相同工况下，与原机行走系统相比，液电混合驱动行走系统能耗降低56.5%。
(2) 液电混合驱动行走系统具有不同的制动模式，大大降低了机械制动器的使用频率，在确保制动安全的前提下，应尽可能采用液压制动以获得更好的能量回收效果。
液电混合驱动行走系统充分融合液压传动高功重比与电气传动高能效的优势，集驱动、传动与控制于执行器，通过消除节流损失、高能效回收利用制动动能，大幅改善行走系统能量效率，为工程装备行走驱动系统的电动化改造提供了一种创新解决方案。在后续研究中将进一步优化能量控制策略，充分发挥液电混合驱动系统的节能及动力优势。
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