CN107010031A - 一种装载机制动能回收再生***中关键元器件的参数匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种装载机制动能回收再生***中关键元器件的参数匹配方法，包括并联式混合动力装载机液压泵马达排量匹配、动力耦合器传动比匹配和蓄能器容积匹配；按照下述步骤进行：1、在进行参数匹配之前确定液压泵马达可选排量和制动能回收再生***与原装载机传动***的耦合位置；2、液压泵马达排量确定；3、动力耦合器传动比配置；4、蓄能器容积的匹配；本发明为并联式混合动力装载机的关键元器件参数匹配提供了一种切实可行的且简单易行的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合动力装载机制动能回收再生***的设计方法，尤其是一种并联式混合动力装载机制动能回收再生***中关键元器件的参数匹配方法，属于工程机械技术领域。
背景技术
工程机械是使用广泛的一类工程建设用机械产品。随着工程机械保有量的不断增加，大量工程机械所消耗的能源、排放的污染物对环境产生了严重的影响。节能、高效的工程机械新产品已经成为国内外工程机械的研发目标。
工程机械在作业过程中，带载工作装置的质量和惯性大，制动过程中的动能绝大部分转化为热能，不仅浪费能量，而且在频繁的制动过程中会对刹车造成较大损害，降低元件寿命。
为了提高***的节能性和减少排放，应考虑对装载机的制动能进行能量回收与再生利用。这样可以节约能源、减轻排放，并有效保护机件，降低维修成本，延长整机使用寿命。
混合动力装载机可以分为串联式、并联式和混合式三种，从回收方法主要有电气式、液压式以及两者相结合的电气液压式。
对于现有装载机车型的改造多针对并联式混合动力装载机。
专利CN204488470U提出了一种装载机上的液压混合动力节能***，通过液压泵马达在泵与马达两种工况之间的切换，实现制动能量的回收与利用。
专利CN201757707U提出了一种能满足液压混合动力装载机多能源动力***多工况试验需求的试验台架。
但是，对于并联式混合动力装载机关键元器件的参数匹配，目前并没有一个简单易行的设计方法。而关键元器件的参数匹配，直接关系到整机节能效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种装载机制动能回收再生***中关键元器件的参数匹配方法，以解决上述背景技术中的不足之处。
本发明提出的一种装载机制动能回收再生***中关键元器件的参数匹配方法，具体步骤如下：
(1)、在进行参数匹配之前需要确定制动能回收再生***与原装载机传动***的耦合位置和液压泵马达的可选排量，以获得最大改造空间为基本原则，确定制动能回收再生***与原装载机传动***的耦合位置；液压泵马达的可选排量包括：液压泵马达型号系列和改造空间，根据液压泵马达型号系列和改造空间确定选定系列液压泵马达中满足改造空间限制的最大排量，低于这一最大排量的排量作为液压泵马达的可选排量；
(2)、确定液压泵马达排量：
(2.1)根据制动能回收再生***与原装载机传动***的耦合位置，求得车速v与制动能回收再生***输出轴转速na的传动关系；其中：ia为制动能回收再生***输出轴转速与车轮车速的传动关系，na为制动能回收再生***输出轴转速，v是车速；
(2.2)对液压泵马达的可选排量从小到大进行步骤(2.3)到(2.5)进行匹配计算；
(2.3)根据装载机制动能回收再生***工作时的车速与液压泵马达的许用转速，求得动力耦合器的传动比极限值；
其中：ip为耦合器的传动比极限值，nmax为泵马达最大转速，na为制动能回收再生***输出轴转速，ia为制动能回收再生***输出轴转速与车轮车速的传动关系，vmax是最大车速；
(2.4)根据动力耦合器传动比极限值和液压泵马达排量，求得液压泵马达在最低工作压力下产生的制动力及其与目标制动力矩的大小关系；
其中：TP/M是能量再生***提供的制动力矩，ph是泵马达工作压力，qh是泵马达工作排量，ip是耦合器传动比，ih是耦合器输出轴到车轮的传动比，ηb是泵马达机械效率，η0是耦合器传动效率，ηT是耦合器输出轴到车轮的传动效率；
(2.5)根据液压泵马达在最低工作压力下产生的制动力矩与目标制动力矩的大小关系，确定该排量的液压泵马达是否满足目标制动力矩；
TP/M>T，其中：TP/M是能量再生***提供的制动力矩，T是目标制动力矩；
(2.6)当可选排量的液压泵马达都不满足目标制动力矩要求，则降低目标制动力矩，然后按照步骤(2.3)到(2.5)进行匹配计算；
(3)、动力耦合器传动比设置：
(3.1)根据制动能回收再生***工作时的车速确定动力耦合器的档位；
(3.1)根据动力耦合器各档位下最大车速与液压泵马达的许用转速确定对应档位下动力耦合器传动比；
(4)、蓄能器容积的匹配：
(4.1)根据装载机制动能回收再生***工作的最大车速计算装载机的动能；
(4.2)根据装载机在制动能回收再生***的最大工作车速下动能与蓄能器的储能能力进行蓄能器容积匹配。
本发明一种装载机制动能回收再生***关键参数匹配方法的基本原理是：
1.根据可改造的空间确定液压泵马达可选排量和制动能回收再生***与原装载机传动***的耦合位置。
2.根据制动能回收再生***与原装载机传动***的耦合位置、装载机制动能回收再生***工作时的最大车速计算动力和液压泵马达许用转速计算耦合器传动比的最大值，然后计算液压液压泵马达提供的制动力矩并与目标制动力矩匹配，得到符合要求的液压液压泵马达排量。
3.根据制动能回收再生***工作时的车速分配动力耦合器档位，根据液压液压泵马达许用转速与制动能回收再生***在各档位下工作的最大车速匹配动力耦合器的传动比。
4.采用蓄能器作为并联式混合动力装载机储能元件，根据制动能回收再生***工作最大车速下的动能进行蓄能器容积匹配。
本发明的有益效果是：
本发明通过提出一种装载机制动能回收再生***关键参数的匹配方法，为并联式混合动力装载机的研发改造提供了一种简单且切实可行的方法。
附图说明
图1是一种并联式混合动力装载机结构框图；
图2是并联式混合动力装载机液压液压泵马达排量匹配流程图；
图3是蓄能器容积匹配流程图；
图中标号：1—车轮；2—后桥及轮边减速器；3—发动机；4—转向泵；5—工作泵；6—液力变矩器；7—行星变速箱；8—低压蓄能器；9—驻车制动器；10—万向轴；11—蓄能器；12—制动阀；13—动力耦合器；14—控制器；15—液压泵马达；16—摩擦制动器；17—前桥及轮边减速器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1：
装载机一般具有三个档位，包括前进的两个档位和后退的一个档位，且前进二档车速>倒档车速>前进一档车速，我们基于这种情况进行匹配流程的说明。
如图1所示，车轮1、后桥及轮边减速器2、发动机3、转向泵4、工作泵5、液力变矩器6、行星变速箱7、低压蓄能器8、驻车制动器9、万向节10、蓄能器11、制动阀12、动力耦合器13、控制器14、泵马达15、钳盘制动器16、前桥及轮边减速器17是一种并联式液压混合动力装载机的结构框图，装载机正常运行时，发动机3的动力分别传递给转向泵4、工作泵5和液力变矩器6，经过液力变矩器6的动力传递给行星变速箱7，然后经过前桥及轮边减速器17和后桥及轮边减速器2传递到车轮1，从而带动装载机的运行；当利用制动能回收再生***进行制动时，车轮1上的制动力由前桥及轮边减速器17和后桥及轮边减速器2传递到行星变速箱7，然后经过万向轴10，通过动力耦合器13传递到液压泵马达15，液压泵马达15将制动力转化为液压能存储到蓄能器11中。
如图2所示，本发明一种装载机再生制动***关键参数匹配方法，按照下述步骤进行：
首先，根据改造空间确定耦合器的位置，然后结合泵马达系列初步确定泵马达的排量范围(排量越大所需改造空间越大)；
然后，从初步选定的泵马达排量的最小值开始计算对应排量下的耦合器传动比极限值ip，然后根据耦合器传动比极限值ip、最小工作压力P1和泵马达排量qh计算泵马达提供的再生制动力矩TP/M；
将原车制动力矩作为目标制动力矩T与之相比，若TP/M>T，则选择该排量的泵马达和对应条件下的耦合器传动比ip；若TP/M<T，判断该排量下的泵在倒档最大车速下是否能满足目标制动力，若满足则确定选择该排量的泵马达和对应条件下的耦合器传动比ip，若无法满足就提高泵马达排量并按照之前的步骤进行匹配计算；
当所有的排量的泵马达都无法满足将原车制动力矩作为目标制动力矩T时，则将根据国标制动距离计算的国标制动力矩作为目标制动力矩，然后按照之前的方法进行匹配计算。
最后得到泵马达排量qh、耦合器传动比ip和能量回收的最大车速。
在进行参数匹配之前需要确定制动能回收再生***与原装载机传动***的耦合位置和液压液压泵马达可选排量的确定；
结合选定的液压泵马达系列与装载机可供改造的空间，初步确定该系列液压泵马达能够满足改造空间的最大排量，这是因为排量与液压泵马达的体积有直接关系；
确定制动能回收再生***与原装载机传动***的耦合位置，这时可以得知车速v与制动能回收再生***输出轴转速na的传动关系：
na＝iav
结合选定系列液压泵马达各排量对应的许用转速nmax与制动能回收工况的最大车速vmax，确定耦合器传动比极限值；
结合极限传动比ip与液压泵马达排量计算液压泵马达在最低工作压力下所能提供的再生最大制动力矩；
将求得的对应排量下的再生制动力矩与目标制动力矩比较，确定满足目标制动力矩的液压泵马达排量作为液压泵马达排量的匹配结果；
若液压泵马达所有可选排量产生的再生制动力矩都无法满足目标制动力矩，则降低目标制动力矩的要求，重新进行液压泵马达排量的匹配；
目标制动力矩分为两种：(1)原车行车制动力矩；(2)使装载机制动距离符合国标制动距离的国标制动力矩；
确定液压泵马达排量和制动能回收再生***工作工况后可以将动力耦合器的档位进行分配，然后根据各档位的最大车速与液压泵马达许用转速进行传动比匹配；
在确定制动能回收再生***工作工况后，根据制动能回收工况最大车速下的动能进行蓄能器容积的匹配，如图3所示。
首先，根据装载机重量和车速计算装载机动能；
然后，根据蓄能器充气压力、最小工作压力、最大工作压力推导蓄能器容积与蓄能器存储能量的关系；
最后，将装载机动能作为已知条件求出蓄能器容积并圆整。
以上所述仅为本发明在并联式混合动力装载机参数匹配中应用的一个实例，对于本技术领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种装载机制动能回收再生***中关键元器件的参数匹配方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)、在进行参数匹配之前需要确定制动能回收再生***与原装载机传动***的耦合位置和液压泵马达的可选排量，以获得最大改造空间为基本原则，确定制动能回收再生***与原装载机传动***的耦合位置；液压泵马达的可选排量包括：液压泵马达型号系列和改造空间，根据液压泵马达型号系列和改造空间确定选定系列液压泵马达中满足改造空间限制的最大排量，低于这一最大排量的排量作为液压泵马达的可选排量；
(2)、确定液压泵马达排量：
(2.1)根据制动能回收再生***与原装载机传动***的耦合位置，求得车速v与制动能回收再生***输出轴转速na的传动关系；
其中：ia为制动能回收再生***输出轴转速与车轮车速的传动关系，na为制动能回收再生***输出轴转速，v是车速；
(2.2)对液压泵马达的可选排量从小到大进行步骤(2.3)到(2.5)进行匹配计算；
(2.3)根据装载机制动能回收再生***工作时的车速与液压泵马达的许用转速，求得动力耦合器的传动比极限值；
其中：ip为耦合器的传动比极限值，nmax为泵马达最大转速，na为制动能回收再生***输出轴转速，ia为制动能回收再生***输出轴转速与车轮车速的传动关系，vmax是最大车速；
(2.4)根据动力耦合器传动比极限值和液压泵马达排量，求得液压泵马达在最低工作压力下产生的制动力及其与目标制动力矩的大小关系；
其中：TP/M是能量再生***提供的制动力矩，ph是泵马达工作压力，qh是泵马达工作排量，ip是耦合器传动比，ih是耦合器输出轴到车轮的传动比，ηb是泵马达机械效率，η0是耦合器传动效率，ηT是耦合器输出轴到车轮的传动效率；
(2.5)根据液压泵马达在最低工作压力下产生的制动力矩与目标制动力矩的大小关系，确定该排量的液压泵马达是否满足目标制动力矩；
TP/M>T，其中：TP/M是能量再生***提供的制动力矩，T是目标制动力矩；
(2.6)当可选排量的液压泵马达都不满足目标制动力矩要求，则降低目标制动力矩，然后按照步骤(2.3)到(2.5)进行匹配计算；
(3)、动力耦合器传动比设置：
(3.1)根据制动能回收再生***工作时的车速确定动力耦合器的档位；
(3.1)根据动力耦合器各档位下最大车速与液压泵马达的许用转速确定对应档位下动力耦合器传动比；
(4)、蓄能器容积的匹配：
(4.1)根据装载机制动能回收再生***工作的最大车速计算装载机的动能；
(4.2)根据装载机在制动能回收再生***的最大工作车速下动能与蓄能器的储能能力进行蓄能器容积匹配。
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