姚運(yùn)仕，劉 龍，馮忠緒，沈建軍，陳世斌

（1.長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064；2.上海三一科技有限公司研究院，上海 201200）

雙鋼輪振動壓路機(jī)是一種往復(fù)循環(huán)作業(yè)式機(jī)械。在一個(gè)循環(huán)中，起步／起振過程約3s，僅占總循環(huán)時(shí)間的5%，但此動態(tài)過程卻需克服較大的整機(jī)平動慣性力和激振系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣性力矩。為了滿足循環(huán)時(shí)間僅占5%左右的起步／起振過程的功率要求，雙鋼輪振動壓路機(jī)的裝機(jī)功率必須是穩(wěn)定壓實(shí)過程所需功率的2倍多，造成較大的功率浪費(fèi)［1－6］。在停振／停車過程，較大的慣性負(fù)荷又易造成發(fā)動機(jī)反拖。因此，實(shí)現(xiàn)功率優(yōu)化匹配、降低功率損失、提高經(jīng)濟(jì)性是雙鋼輪振動壓路機(jī)的重要研究方向。

混合動力在節(jié)能環(huán)保方面顯示出巨大的優(yōu)勢，許多國家和地區(qū)已經(jīng)把混合動力系統(tǒng)應(yīng)用在汽車上，并取得了較好的節(jié)能效果［7－10］。工程機(jī)械混合動力技術(shù)的研究和應(yīng)用得到廣泛關(guān)注［11］。混合動力裝載機(jī)和混合動力挖掘機(jī)具有高效、節(jié)能、低排放、低噪聲、低振動等特點(diǎn)［12－14］。

與汽車或鏟土運(yùn)輸類工程機(jī)械不同，雙鋼輪振動壓路機(jī)最基本的要求是保證壓實(shí)質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高雙鋼輪振動壓路機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和作業(yè)質(zhì)量，本文擬根據(jù)某雙鋼輪振動壓路機(jī)的工作特點(diǎn)和負(fù)荷特性進(jìn)行其混合動力系統(tǒng)的仿真研究，在保證壓實(shí)質(zhì)量的前提下為雙鋼輪振動壓路機(jī)的功率匹配和新型節(jié)能技術(shù)提供參考。

1 混合動力系統(tǒng)要求及特點(diǎn)

為了保證雙鋼輪振動壓路機(jī)的壓實(shí)質(zhì)量，其混合動力系統(tǒng)有如下要求和特點(diǎn):

（1）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速必須恒定。雙鋼輪振動壓路機(jī)液壓傳動系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)與行走變量泵和振動變量泵等直接相連，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化會引起兩個(gè)變量泵輸出流量的變化，導(dǎo)致行走速度和振動頻率的波動，從而造成壓實(shí)不均勻等的作業(yè)質(zhì)量問題。因此，雙鋼輪振動壓路機(jī)不能以低油耗和高生產(chǎn)效率為最高控制目標(biāo)，而應(yīng)首要保證發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。

（2）載荷大小及變化較規(guī)律。雙鋼輪振動壓路機(jī)是典型的循環(huán)往復(fù)作業(yè)式機(jī)械，作業(yè)過程的載荷大小及變化較規(guī)律，可較準(zhǔn)確和方便地預(yù)測，有利于優(yōu)化和簡化控制策略。因此，雙鋼輪振動壓路機(jī)可實(shí)現(xiàn)荷電維持型混合動力系統(tǒng)，即在一個(gè)工作循環(huán)前后電池的SOC（State of charge，荷電狀態(tài)）保持不變，或滿足＜0.05，波動很小。

（3）需求轉(zhuǎn)矩的預(yù)測較準(zhǔn)確、簡單。混合動力系統(tǒng)控制策略的重要內(nèi)容之一是準(zhǔn)確預(yù)測需求轉(zhuǎn)矩，這是轉(zhuǎn)矩分配策略的前提。雙鋼輪振動壓路機(jī)的液壓系統(tǒng)壓力直接反映需求轉(zhuǎn)矩，通過檢測液壓系統(tǒng)壓力和變量泵斜盤位置即可預(yù)測需求轉(zhuǎn)矩。

（4）制動能量回收方便。傳統(tǒng)雙鋼輪振動壓路機(jī)停振／停車過程中，行走系統(tǒng)和振動系統(tǒng)較大的慣性負(fù)荷成為動力源，液壓馬達(dá)和液壓泵角色互換，制動慣性負(fù)荷帶動液壓馬達(dá)（充當(dāng)泵）驅(qū)動液壓泵（充當(dāng)馬達(dá)）反拖發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)制動。若采用混合動力系統(tǒng)，制動過程中液壓泵充當(dāng)液壓馬達(dá)直接驅(qū)動電機(jī)，只需將電機(jī)狀態(tài)改為發(fā)電模式就可回收制動能量。

現(xiàn)有的汽車或鏟土運(yùn)輸類工程機(jī)械混合動力技術(shù)并不能完全適用于雙鋼輪振動壓路機(jī)，必須結(jié)合其要求和特點(diǎn)予以研究。

2 混合動力系統(tǒng)方案及元件選型

2.1 混合動力系統(tǒng)方案

某雙鋼輪振動壓路機(jī)采用全液壓驅(qū)動，行走系統(tǒng)和振動系統(tǒng)均為閉式單變量泵雙定量馬達(dá)系統(tǒng)，行走變量泵和振動變量泵及輔助系統(tǒng)驅(qū)動泵等通過分動箱由發(fā)動機(jī)驅(qū)動。根據(jù)串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)兩種結(jié)構(gòu)形式的對比，結(jié)合雙鋼輪振動壓路機(jī)液壓傳動系統(tǒng)傳動效率低和整機(jī)結(jié)構(gòu)布置困難等特點(diǎn)，采用并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)較合適。

因行走系統(tǒng)與振動系統(tǒng)方案類似，以行走系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。圖1為某雙鋼輪振動壓路機(jī)雙軸合成式并聯(lián)混合動力系統(tǒng)［15］。與參考文獻(xiàn)［1－5］所述原系統(tǒng)相比增加了電機(jī)、動力電池、壓力傳感器、泵斜盤傾角檢測器、轉(zhuǎn)矩合成裝置等。在電機(jī)與轉(zhuǎn)矩合成裝置之間安裝變速器以調(diào)整電機(jī)的工作點(diǎn)，若與電控發(fā)動機(jī)配合還可實(shí)現(xiàn)純電動工況。轉(zhuǎn)矩合成裝置可以采用常嚙合的齒輪、鏈傳動或帶傳動。

兩只壓力傳感器分別檢測系統(tǒng)高壓側(cè)與低壓側(cè)的壓力，并將檢測結(jié)果送入控制器，由控制器計(jì)算系統(tǒng)壓差；斜盤傾角檢測器將檢測到的斜盤位置送入控制器并在控制器中轉(zhuǎn)化為斜盤的排量；控制器通過壓差與排量計(jì)算泵傳動軸上的轉(zhuǎn)矩需求，并根據(jù)控制策略向電機(jī)發(fā)出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)驅(qū)動、混合驅(qū)動、充電、能量回收等模式。

2.2 元件選型

考慮起步／起振過程和穩(wěn)定壓實(shí)過程不同的動力性特點(diǎn)，結(jié)合壓實(shí)作業(yè)中須保持發(fā)動機(jī)恒定轉(zhuǎn)速的要求，某雙鋼輪振動壓路機(jī)行走系統(tǒng)的并聯(lián)混合動力系統(tǒng)采用發(fā)動機(jī)為主、電機(jī)為輔的混合驅(qū)動方式，發(fā)動機(jī)在整個(gè)壓路機(jī)工作、運(yùn)行過程中連續(xù)運(yùn)行，電機(jī)只是在系統(tǒng)功率需求較高時(shí)提供輔助動力。原雙鋼輪振動壓路機(jī)功率匹配以滿足系統(tǒng)最大組合功率消耗來選擇發(fā)動機(jī)功率，裝機(jī)功率為93kW，而實(shí)際穩(wěn)定工作所需要的功率只占起步／起振過程峰值功率的45%左右，甚至更低。對于混合動力系統(tǒng)而言，發(fā)動機(jī)功率僅需滿足穩(wěn)定工作要求即可，動態(tài)過程所需功率不足的部分可由電機(jī)提供?；旌蟿恿ο到y(tǒng)主要元件選型如下:采用康明斯4BTA3.9－C80發(fā)動機(jī)，額定功率為60kW，額定轉(zhuǎn)速為2200r／min；采用永磁同步電機(jī)，額定功率為49kW；采用NIMH45鎳氫電池20節(jié)，最大功率為60kW，電池組額定電壓為240V，單體指標(biāo)12V／45Ah。液壓元件與原系統(tǒng)相同。

3 工作模式及控制策略

3.1 工作模式

根據(jù)雙鋼輪振動壓路機(jī)工作特點(diǎn)和混合動力系統(tǒng)方案分析，將雙鋼輪振動壓路機(jī)混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)與電機(jī)工作狀態(tài)分為幾個(gè)模式:純發(fā)動機(jī)模式、混合驅(qū)動模式、行車充電模式、減速／制動能量回收模式、停車／怠速模式。各工作模式在液壓系統(tǒng)壓力曲線上的位置如圖2所示?？紤]壓實(shí)作業(yè)對速度穩(wěn)定性的要求，通過控制發(fā)動機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩使其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在小范圍內(nèi)，近似實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)恒定工作點(diǎn)控制。

圖2 雙鋼輪振動壓路機(jī)混合動力系統(tǒng)工作模式Fig.2 Work modes of parallel hybrid system for tandem vibratory rollers

3.2 控制策略

混合動力系統(tǒng)控制策略的主要目的是將需求轉(zhuǎn)矩最優(yōu)地分配給發(fā)動機(jī)和電機(jī)。

根據(jù)發(fā)動機(jī)性能參數(shù)、起步／起振峰值功率、穩(wěn)定壓實(shí)功率及輔助系統(tǒng)功率等要求，確定150 N·m為發(fā)動機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩，即在系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)矩小于150N·m時(shí)完全由發(fā)動機(jī)提供，大于150 N·m時(shí)不足部分由電機(jī)提供。相應(yīng)的控制策略為:

（1）純發(fā)動機(jī)模式:在整機(jī)起動的初始階段和其穩(wěn)定工作階段，需求轉(zhuǎn)矩小于150N·m時(shí)，由發(fā)動機(jī)提供全部的動力:

式中:Tp為液壓泵的需求轉(zhuǎn)矩，可通過檢測系統(tǒng)壓力與泵斜盤位置計(jì)算得到；Te為發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tm為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

此模式下，當(dāng)動力電池的SOC低于設(shè)定的下限值（即SOC＜SOClow）時(shí)，切換到充電模式。

（2）混合驅(qū)動模式:在整機(jī)起動階段的中后期或爬坡等大負(fù)荷工況下，當(dāng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩需求超過發(fā)動機(jī)提供的最大轉(zhuǎn)矩限值時(shí)，動力電池輸出能量驅(qū)動電機(jī)提供輔助動力。即，若SOC＞SOClow，則:

此模式下，若動力電池的SOC較低，為保護(hù)電池不被過度放電，控制電機(jī)不工作。為保證系統(tǒng)仍能起動，取消發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩限值，以提供足夠的轉(zhuǎn)矩。即，若SOC＜SOClow，則:

（3）行車充電模式:當(dāng)動力電池的電量比較低時(shí)，為保證下一個(gè)工作循環(huán)的能量供應(yīng)，發(fā)動機(jī)除了提供正常工作所需動力外還要提供多余的動力驅(qū)動電機(jī)充電。即，若SOC＜SOClow，則:

式中:Tm＿gen為電機(jī)充電轉(zhuǎn)矩。

需要說明的是，對于荷電維持型混合動力系統(tǒng)，行車充電模式并不是一個(gè)經(jīng)常的狀態(tài)，只在電池電量低于最低限值時(shí)才為電池充電，以保護(hù)電池和保證電機(jī)所需電量。

（4）減速／制動能量回收模式:在停振／停車過程中，液壓系統(tǒng)反向壓力增大，采用電機(jī)制動，同時(shí)可吸收部分制動能量至電池。電機(jī)制動能力不足時(shí)，再利用發(fā)動機(jī)反拖制動進(jìn)行補(bǔ)充。即:

式中:Tm＿gen＝ min （Tp，Tm＿gen＿max）；Tm＿gen＿max為電機(jī)最大充電轉(zhuǎn)矩。

此模式下，若SOC＞SOChigh，則Tm＿gen＝0。即為防止對電池過度充電，完全由發(fā)動機(jī)反拖制動。

（5）怠速停車模式:在停車或發(fā)動機(jī)怠速時(shí)，需根據(jù)電池的電量判斷是否需充電，即:

4 混合動力系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)上述控制策略，在某雙鋼輪振動壓路機(jī)原有行走液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立了并聯(lián)混合動力系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示，包括電機(jī)模型、動力電池模型、電機(jī)控制單元模型以及轉(zhuǎn)矩合成裝置模型等。

圖3 行走系統(tǒng)的并聯(lián)混合動力系統(tǒng)模型Fig.3 Parallel hybrid system model for driving system

對仿真模型用AMESim和ADAMS聯(lián)合仿真方法進(jìn)行了從高速起步到停車制動的一個(gè)載荷循環(huán)過程仿真分析，結(jié)果見圖4～圖9。

圖4 行走加速度變化規(guī)律Fig.4 Curve of driving acceleration

圖5 行走速度變化規(guī)律Fig.5 Curve of driving speed

由圖4、圖5可知:起步最大加速度約為1.5 m／s2，加速度峰值不大，降低了液壓系統(tǒng)峰值壓力，改善了液壓系統(tǒng)性能。加速過程持續(xù)了約2.8s，略短于原液壓傳動系統(tǒng)，改善了起步過程壓實(shí)質(zhì)量。加速過程結(jié)束后行走速度穩(wěn)定在3.2 m／s附近，波動較小，保證了壓實(shí)均勻性。停車制動過程相反，最大加速度約為1.85m／s2，制動過程略短于加速過程。

圖6 轉(zhuǎn)矩特性Fig.6 Characteristics for torque

圖7 功率特性Fig.7 Characteristics for power

由圖6、圖7可知:起步過程發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩被限制在一定范圍，起步初始階段（第1s內(nèi)）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩不斷增加，但未達(dá)到限值150N·m，發(fā)動機(jī)提供全部轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為零。起步中后期轉(zhuǎn)矩繼續(xù)增加，超過限值150N·m時(shí)，所需轉(zhuǎn)矩不足部分由電機(jī)提供。穩(wěn)定行駛過程需求轉(zhuǎn)矩下降至不足70N·m，發(fā)動機(jī)提供全部轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，輸出轉(zhuǎn)矩為零。制動過程，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，克服大部分制動力矩。制動力矩超過電機(jī)最大發(fā)電力矩的部分由發(fā)動機(jī)反拖提供。發(fā)動機(jī)的最大輸出功率為35kW，電機(jī)的最大輸出功率為42kW，說明對發(fā)動機(jī)和電機(jī)額定功率的選擇是合理的，同時(shí)發(fā)動機(jī)的功率利用率由原來的15%提高到23%。

由圖8可知:與原液壓傳動系統(tǒng)相比，起步過程發(fā)動機(jī)的掉速由原350r／min降低到150r／min，停車制動過程發(fā)動機(jī)的反拖升速由原250r／min降低到100r／min，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動范圍減小一半以上，極大地改善了發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，降低了慣性負(fù)荷對發(fā)動機(jī)的損傷。

圖8 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律Fig.8 Curve of engine speed

圖9 電池SOC變化規(guī)律Fig.9 Curve of SOC

仿真結(jié)果表明，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)可應(yīng)用在雙鋼輪振動壓路機(jī)上，能有效降低裝機(jī)功率，提高功率利用率，降低能耗，改善發(fā)動機(jī)工作條件。若采用電控發(fā)動機(jī)，制定更加復(fù)雜的控制策略，對發(fā)動機(jī)實(shí)行恒速多工作點(diǎn)控制，在保證壓實(shí)質(zhì)量的前提下，以降低油耗和改善排放為控制目標(biāo)，混合動力系統(tǒng)的優(yōu)勢將更加明顯。

5 結(jié) 論

將并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)應(yīng)用在雙鋼輪振動壓器機(jī)上，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）雙鋼輪振動壓路機(jī)起步和制動過程發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動范圍減小一半以上，降低了慣性負(fù)荷對發(fā)動機(jī)的損傷。穩(wěn)定壓實(shí)過程的行走速度較穩(wěn)定，保證了壓實(shí)質(zhì)量。

（2）雙鋼輪振動壓路機(jī)起步過程發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩未超過設(shè)定的限值，不足轉(zhuǎn)矩由電機(jī)提供；穩(wěn)定行駛過程發(fā)動機(jī)提供全部轉(zhuǎn)矩。

（3）雙鋼輪振動壓路機(jī)制動過程實(shí)現(xiàn)了能量回收；循環(huán)前后＜0.005，基本上實(shí)現(xiàn)了電池荷電的維持。

［1］沈建軍，劉龍，唐紅彩.基于AMESim與ADAMS的雙鋼輪壓路機(jī)振動液壓系統(tǒng)的仿真分析［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，7（1）:31－35.Shen Jian－jun，Liu Long，Tang Hong－cai.Simulation and analysis on vibratory hydraulic system on tandem rollers using AMESim and ADAMS［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2009，7（1）:31－35.

［2］沈建軍.雙鋼輪壓路機(jī)動態(tài)特性分析及慣性負(fù)荷的抑制［D］.西安:長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，2009.Shen Jian－jun.Analysis of dynamic characteristic and control of inertial loads on tandem vibratory roller［D］.Xi'an:School of Construction Machinery，Chang'an University，2009.

［3］沈建軍，馮忠緒，侯勁汝，等.雙鋼輪壓路機(jī)行走液壓系統(tǒng)參數(shù)的匹配［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，29（5）:122－126.Shen Jian－jun，F(xiàn)eng Zhong－xu，Hou Jin－ru，et al.Parameters matching of hydraulic driving system of tandem vibratory roller［J］.Journal of Chang'an University（Natural Science Edition），2009，29（5）:122－126.

［4］劉龍，唐紅彩，沈建軍.雙鋼輪壓路機(jī)行走液壓系統(tǒng)仿真分析［J］.建筑機(jī)械，2009，29（7）:62－67.Liu Long，Tang Hong－cai，Shen Jian－jun.Simulation analysis of travel hydraulic system on tandem roller［J］.Construction Mechinery，2009，29（7）:62－67.

［5］馮忠緒，侯勁汝，沈建軍，等.雙鋼輪振動壓路機(jī)功率的配置［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，29（6）:107－110.Feng Zhong－xu，Hou Jin－ru，Shen Jian－jun，et al.Power balance of double－drum vibratory roller［J］.Journal of Chang'an University（Natural Science Edition），2009，29（6）:107－110.

［6］李立民，馮忠緒，張藝莎，等.中國與外國雙鋼輪振動壓路機(jī)的主要差距［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，31（3）:102－106.Li Li－min，F(xiàn)eng Zhong－xu，Zhang Yi－sha，et al.Main performance difference of double－drum vibration roller made in China compared with that made in other countries［J］.Journal of Chang'an University（Natural Science Edition），2011，31（3）:102－106.

［7］G?kdere L U ，Benlyazid K，Dougal R A ，et al.A virtual prototype for a hybrid electric vehicle［J］.Mechatronics，2002，12（4）:575－593.

［8］Baumann B M，Washington G，Glenn B C，et al.Mechatronic design and control of hybrid electric vehicles［J］.IEEE／ASME Transactions on Mechatronics，2000，5（1）:58－72.

［9］劉濤，劉清河，姜繼海.并聯(lián)式液壓混合動力車輛再生制動的影響因素［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2010，40（6）:1473－1477.Liu Tao，Liu Qing－h(huán)e，Jiang Ji－h(huán)ai.Factors influencing regenerative braking of parallel hydraulic hybrid vehicles［J］.Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition），2010，40（6）:1473－1477.

［10］崔星，項(xiàng)昌樂.多模式機(jī)電混合驅(qū)動系統(tǒng)特性［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2011，41（2）:303－308.Cui Xing，Xiang Chang－le.Characteristics of multimode electro－mechanical vehicular drivetrain［J］.Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition），2011，41（2）:303－308.

［11］于安才，姜繼海.液壓混合動力挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)裝置控制方式的研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45（7）:30－33，49.Yu An－cai，Jiang Ji－h(huán)ai.Control strategy for hydraulic hybrid excavator slewing［J］.Journal of Xi'an Jiaotong University，2011，45（7）:30－33，49.

［12］Xiao Qing，Wang Qing－feng，Zhang Yan－ting.Control strategies of power system in hybrid hydraulic excavator［J］.Automation in Construction，2008，17（4）:361－367.

［13］王慶豐，張彥亭，肖清.混合動力工程機(jī)械節(jié)能效果評價(jià)及液壓系統(tǒng)節(jié)能的仿真研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41（12）:135－140.Wang Qing－feng，Zhang Yan－ting，Xiao Qing.Evaluation for energy saving effect and simulation research on energy saving of hydraulic system in hybrid construction machinery［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2005，41（12）:135－140.

［14］Lin Tian－liang，Wang Qing－feng，Hu Bao－zan，et al.Development of hybrid powered hydraulic construction machinery［J］.Automation in Construction，2010，19（1）:11－19.

［15］劉龍.雙鋼輪壓路機(jī)液壓系統(tǒng)分析與仿真［D］.西安:長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，2010.Liu Long.Simulation and analysis of hydraulic system on tandem roller［D］.Xi'an:School of Construction Machinery，Chang'an University，2010.