本發(fā)明涉及一種混合動力裝載機制動能回收再生系統(tǒng)的設計方法，尤其是一種并聯(lián)式混合動力裝載機制動能回收再生系統(tǒng)中關鍵元器件的參數(shù)匹配方法，屬于工程機械技術領域。

背景技術：

工程機械是使用廣泛的一類工程建設用機械產(chǎn)品。隨著工程機械保有量的不斷增加，大量工程機械所消耗的能源、排放的污染物對環(huán)境產(chǎn)生了嚴重的影響。節(jié)能、高效的工程機械新產(chǎn)品已經(jīng)成為國內(nèi)外工程機械的研發(fā)目標。

工程機械在作業(yè)過程中，帶載工作裝置的質(zhì)量和慣性大，制動過程中的動能絕大部分轉化為熱能，不僅浪費能量，而且在頻繁的制動過程中會對剎車造成較大損害，降低元件壽命。

為了提高系統(tǒng)的節(jié)能性和減少排放，應考慮對裝載機的制動能進行能量回收與再生利用。這樣可以節(jié)約能源、減輕排放，并有效保護機件，降低維修成本，延長整機使用壽命。

混合動力裝載機可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混合式三種，從回收方法主要有電氣式、液壓式以及兩者相結合的電氣液壓式。

對于現(xiàn)有裝載機車型的改造多針對并聯(lián)式混合動力裝載機。

專利cn204488470u提出了一種裝載機上的液壓混合動力節(jié)能系統(tǒng)，通過液壓泵馬達在泵與馬達兩種工況之間的切換，實現(xiàn)制動能量的回收與利用。

專利cn201757707u提出了一種能滿足液壓混合動力裝載機多能源動力系統(tǒng)多工況試驗需求的試驗臺架。

但是，對于并聯(lián)式混合動力裝載機關鍵元器件的參數(shù)匹配，目前并沒有一個簡單易行的設計方法。而關鍵元器件的參數(shù)匹配，直接關系到整機節(jié)能效果。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種裝載機制動能回收再生系統(tǒng)中關鍵元器件的參數(shù)匹配方法，以解決上述背景技術中的不足之處。

本發(fā)明提出的一種裝載機制動能回收再生系統(tǒng)中關鍵元器件的參數(shù)匹配方法，具體步驟如下：

(1)、在進行參數(shù)匹配之前需要確定制動能回收再生系統(tǒng)與原裝載機傳動系統(tǒng)的耦合位置和液壓泵馬達的可選排量，以獲得最大改造空間為基本原則，確定制動能回收再生系統(tǒng)與原裝載機傳動系統(tǒng)的耦合位置；液壓泵馬達的可選排量包括：液壓泵馬達型號系列和改造空間，根據(jù)液壓泵馬達型號系列和改造空間確定選定系列液壓泵馬達中滿足改造空間限制的最大排量，低于這一最大排量的排量作為液壓泵馬達的可選排量；

(2)、確定液壓泵馬達排量：

(2.1)根據(jù)制動能回收再生系統(tǒng)與原裝載機傳動系統(tǒng)的耦合位置，求得車速v與制動能回收再生系統(tǒng)輸出軸轉速na的傳動關系；其中：ia為制動能回收再生系統(tǒng)輸出軸轉速與車輪車速的傳動關系，na為制動能回收再生系統(tǒng)輸出軸轉速，v是車速；

(2.2)對液壓泵馬達的可選排量從小到大進行步驟(2.3)到(2.5)進行匹配計算；

(2.3)根據(jù)裝載機制動能回收再生系統(tǒng)工作時的車速與液壓泵馬達的許用轉速，求得動力耦合器的傳動比極限值；

其中：ip為耦合器的傳動比極限值，nmax為泵馬達最大轉速，na為制動能回收再生系統(tǒng)輸出軸轉速，ia為制動能回收再生系統(tǒng)輸出軸轉速與車輪車速的傳動關系，vmax是最大車速；

(2.4)根據(jù)動力耦合器傳動比極限值和液壓泵馬達排量，求得液壓泵馬達在最低工作壓力下產(chǎn)生的制動力及其與目標制動力矩的大小關系；

其中：tp/m是能量再生系統(tǒng)提供的制動力矩，ph是泵馬達工作壓力，qh是泵馬達工作排量，ip是耦合器傳動比，ih是耦合器輸出軸到車輪的傳動比，ηb是泵馬達機械效率，η0是耦合器傳動效率，ηt是耦合器輸出軸到車輪的傳動效率；

(2.5)根據(jù)液壓泵馬達在最低工作壓力下產(chǎn)生的制動力矩與目標制動力矩的大小關系，確定該排量的液壓泵馬達是否滿足目標制動力矩；

tp/m>t，其中：tp/m是能量再生系統(tǒng)提供的制動力矩，t是目標制動力矩；

(2.6)當可選排量的液壓泵馬達都不滿足目標制動力矩要求，則降低目標制動力矩，然后按照步驟(2.3)到(2.5)進行匹配計算；

(3)、動力耦合器傳動比設置：

(3.1)根據(jù)制動能回收再生系統(tǒng)工作時的車速確定動力耦合器的檔位；

(3.1)根據(jù)動力耦合器各檔位下最大車速與液壓泵馬達的許用轉速確定對應檔位下動力耦合器傳動比；

(4)、蓄能器容積的匹配：

(4.1)根據(jù)裝載機制動能回收再生系統(tǒng)工作的最大車速計算裝載機的動能；

(4.2)根據(jù)裝載機在制動能回收再生系統(tǒng)的最大工作車速下動能與蓄能器的儲能能力進行蓄能器容積匹配。

本發(fā)明一種裝載機制動能回收再生系統(tǒng)關鍵參數(shù)匹配方法的基本原理是：

1.根據(jù)可改造的空間確定液壓泵馬達可選排量和制動能回收再生系統(tǒng)與原裝載機傳動系統(tǒng)的耦合位置。

2.根據(jù)制動能回收再生系統(tǒng)與原裝載機傳動系統(tǒng)的耦合位置、裝載機制動能回收再生系統(tǒng)工作時的最大車速計算動力和液壓泵馬達許用轉速計算耦合器傳動比的最大值，然后計算液壓液壓泵馬達提供的制動力矩并與目標制動力矩匹配，得到符合要求的液壓液壓泵馬達排量。

3.根據(jù)制動能回收再生系統(tǒng)工作時的車速分配動力耦合器檔位，根據(jù)液壓液壓泵馬達許用轉速與制動能回收再生系統(tǒng)在各檔位下工作的最大車速匹配動力耦合器的傳動比。

4.采用蓄能器作為并聯(lián)式混合動力裝載機儲能元件，根據(jù)制動能回收再生系統(tǒng)工作最大車速下的動能進行蓄能器容積匹配。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過提出一種裝載機制動能回收再生系統(tǒng)關鍵參數(shù)的匹配方法，為并聯(lián)式混合動力裝載機的研發(fā)改造提供了一種簡單且切實可行的方法。

附圖說明

圖1是一種并聯(lián)式混合動力裝載機結構框圖；

圖2是并聯(lián)式混合動力裝載機液壓液壓泵馬達排量匹配流程圖；

圖3是蓄能器容積匹配流程圖；

圖中標號：1—車輪；2—后橋及輪邊減速器；3—發(fā)動機；4—轉向泵；5—工作泵；6—液力變矩器；7—行星變速箱；8—低壓蓄能器；9—駐車制動器；10—萬向軸；11—蓄能器；12—制動閥；13—動力耦合器；14—控制器；15—液壓泵馬達；16—摩擦制動器；17—前橋及輪邊減速器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步描述。

實施例1：

裝載機一般具有三個檔位，包括前進的兩個檔位和后退的一個檔位，且前進二檔車速>倒檔車速>前進一檔車速，我們基于這種情況進行匹配流程的說明。

如圖1所示，車輪1、后橋及輪邊減速器2、發(fā)動機3、轉向泵4、工作泵5、液力變矩器6、行星變速箱7、低壓蓄能器8、駐車制動器9、萬向節(jié)10、蓄能器11、制動閥12、動力耦合器13、控制器14、泵馬達15、鉗盤制動器16、前橋及輪邊減速器17是一種并聯(lián)式液壓混合動力裝載機的結構框圖，裝載機正常運行時，發(fā)動機3的動力分別傳遞給轉向泵4、工作泵5和液力變矩器6，經(jīng)過液力變矩器6的動力傳遞給行星變速箱7，然后經(jīng)過前橋及輪邊減速器17和后橋及輪邊減速器2傳遞到車輪1，從而帶動裝載機的運行；當利用制動能回收再生系統(tǒng)進行制動時，車輪1上的制動力由前橋及輪邊減速器17和后橋及輪邊減速器2傳遞到行星變速箱7，然后經(jīng)過萬向軸10，通過動力耦合器13傳遞到液壓泵馬達15，液壓泵馬達15將制動力轉化為液壓能存儲到蓄能器11中。

如圖2所示，本發(fā)明一種裝載機再生制動系統(tǒng)關鍵參數(shù)匹配方法，按照下述步驟進行：

首先，根據(jù)改造空間確定耦合器的位置，然后結合泵馬達系列初步確定泵馬達的排量范圍(排量越大所需改造空間越大)；

然后，從初步選定的泵馬達排量的最小值開始計算對應排量下的耦合器傳動比極限值ip，然后根據(jù)耦合器傳動比極限值ip、最小工作壓力p1和泵馬達排量qh計算泵馬達提供的再生制動力矩tp/m；

將原車制動力矩作為目標制動力矩t與之相比，若tp/m>t，則選擇該排量的泵馬達和對應條件下的耦合器傳動比ip；若tp/m<t，判斷該排量下的泵在倒檔最大車速下是否能滿足目標制動力，若滿足則確定選擇該排量的泵馬達和對應條件下的耦合器傳動比ip，若無法滿足就提高泵馬達排量并按照之前的步驟進行匹配計算；

當所有的排量的泵馬達都無法滿足將原車制動力矩作為目標制動力矩t時，則將根據(jù)國標制動距離計算的國標制動力矩作為目標制動力矩，然后按照之前的方法進行匹配計算。

最后得到泵馬達排量qh、耦合器傳動比ip和能量回收的最大車速。

在進行參數(shù)匹配之前需要確定制動能回收再生系統(tǒng)與原裝載機傳動系統(tǒng)的耦合位置和液壓液壓泵馬達可選排量的確定；

結合選定的液壓泵馬達系列與裝載機可供改造的空間，初步確定該系列液壓泵馬達能夠滿足改造空間的最大排量，這是因為排量與液壓泵馬達的體積有直接關系；

確定制動能回收再生系統(tǒng)與原裝載機傳動系統(tǒng)的耦合位置，這時可以得知車速v與制動能回收再生系統(tǒng)輸出軸轉速na的傳動關系：

na＝iav

結合選定系列液壓泵馬達各排量對應的許用轉速nmax與制動能回收工況的最大車速vmax，確定耦合器傳動比極限值；

結合極限傳動比ip與液壓泵馬達排量計算液壓泵馬達在最低工作壓力下所能提供的再生最大制動力矩；

將求得的對應排量下的再生制動力矩與目標制動力矩比較，確定滿足目標制動力矩的液壓泵馬達排量作為液壓泵馬達排量的匹配結果；

若液壓泵馬達所有可選排量產(chǎn)生的再生制動力矩都無法滿足目標制動力矩，則降低目標制動力矩的要求，重新進行液壓泵馬達排量的匹配；

目標制動力矩分為兩種：(1)原車行車制動力矩；(2)使裝載機制動距離符合國標制動距離的國標制動力矩；

確定液壓泵馬達排量和制動能回收再生系統(tǒng)工作工況后可以將動力耦合器的檔位進行分配，然后根據(jù)各檔位的最大車速與液壓泵馬達許用轉速進行傳動比匹配；

在確定制動能回收再生系統(tǒng)工作工況后，根據(jù)制動能回收工況最大車速下的動能進行蓄能器容積的匹配，如圖3所示。

首先，根據(jù)裝載機重量和車速計算裝載機動能；

然后，根據(jù)蓄能器充氣壓力、最小工作壓力、最大工作壓力推導蓄能器容積與蓄能器存儲能量的關系；

最后，將裝載機動能作為已知條件求出蓄能器容積并圓整。

以上所述僅為本發(fā)明在并聯(lián)式混合動力裝載機參數(shù)匹配中應用的一個實例，對于本技術領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。