[摘 要]本文提出了一种应用于隧道施工的柴电混合双动力系统装载机。阐述了混合双动力系统的工作原理，对系统中的离合器进行接触许应力计算和分析。运用的simulink对混合双动力装载机进行建模仿真分析。
　　[关键词]隧道；双动力；装载机；仿真
　　中图分类号：u455.3 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2014）20-0085-02
　　1.前言
　　近年来，随着国民经济的高速发展，越来越多的高速公路、高速铁路开工建设。为减少占用耕地，合理利用土地资源，开凿建设穿山过江隧道在所难免。装载机作为一种现代机械化施工不可缺少的土方工程设备，广泛地应用于隧道、铁路、公路、建筑等各个领域的施工建设。传统的装载机通常只有一种动力源即柴油机，这种单一动力的装载机在公路隧道、铁路隧道、城市地铁隧道、江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诸多问题。如进气质量下降，燃烧不充分，输出动力不足，造成能源浪费；若长期施工，排放废气将充满封闭的施工环境，将造成包括驾驶人员在内的施工人员的人身受到伤害。
　　针对装载机在隧道施工过程中出现的上述诸多问题，一种同时拥有柴油动力系统和电机动力系统的混合双动力装载机应运而生。混合动力装载机技术自90年代以来在欧美国家得到长足发展，如日立建机、沃尔沃、斗山重工等公司都有产品或样机推出。近年来，混合动力技术在国内也得到一定的重视和发展。WWW.11665.cOm
　　到目前为止，混合双动力系统还未应用于实际生产中[1]。因此，对混合双动力装载机动力系统的研究有着十分重要的意义。本文的研究目的是研究并设计一种新型双动力系统，使装载机可以根据作业环境使用不同的能源，以保证在隧道施工环境中，在不额外消耗能源的情况下保证装载机的动力性，同时改善施工人员的工作环境，保障其人身健康，从而起到提高工作效率，节约能源的目的。
　　2.系统方案的确定
　　所谓的混合双动力系统是指有两种工作原理不同的原动机组成的工作系统[2]。常见的混合双动力系统有并联式、串联式、分离式等。这三种系统由于本身结构的不同，因此适用于不同的工况。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。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。分离式双动力系统主要有分动箱、柴油机、电动机等组成。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。该结构布置紧凑，非常适宜用于对空间有限制的大型工程机械车辆。其结构原理图如图一所示。
　　由于隧道施工掌子面空间有限，受工作环境的限制，装载机机械设备布置必须结构紧凑，外形尺寸不宜过大。故综合考虑以上几种双动力系统驱动方案，选用分离式驱动系统串联式结构方案。该系统结构紧凑，柴电动力系统分离方便，性能可靠，符合隧道施工用装载机的技术要求。
　　3.系统工作原理
　　在本文中所述的混合双动力系统包括柴油机工作系统和电动机工作系统。当柴油机工作时，柴油机通过离合器合与电动机连接，把动力传递给变速机。变速机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，能够消除工作时所产生的冲击和振动，过载保护性能和启动性能好。液力变矩器的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。当电动机工作时，此时装载机的工作环境一般为隧道或固定场所，并需要引入外部电源。当离合器将电动机转子轴和柴油机输出轴分离开后，外部电源带动电动机工作，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。
　　4.离合器的及工作原理和接触许应力的计算
　　4.1 离合器的工作原理及结构图
　　本文的分离式混合双动力

统中的离合器采用两个单轮毂低副楔块式超越离合器来传递动力[4]。单轮毂低副楔块式超越离合器的工作原理为：当外环逆时针转动时，产生的离心力带动楔块滑向楔槽的窄端，楔紧内环与外环，内环紧随外环一起旋转。当内环逆时针转动时，所产生的离心力带动楔块滑向楔槽的宽端，使得内环与外环相分离，实现单向传递动力的功能。单轮毂低副楔块式超越离合器的结构图如图二所示。
　　4.2 离合器接触许应力的计算
　　根据离合器工作时各部件的受力情况，离合器中的楔块受力简图如图三所示[3]。
　　上图中为楔块所受的离心力，为外环作用于楔块上的正压力，为外环作用于楔块上的摩擦力，为内环作用于楔块上的正压力，为内环作用于楔块上的摩擦力，为楔块的偏置角度，为外环的半径，为内环与楔块形成的移动副到轴心的距离。
　　由楔块受力平衡得：
　　以zl50装载机为样机，取柴油机的最大扭矩为，故 。设许应力为，代人离合器的基本参数得，。
　　5.系统的仿真分析
　　simulink是matlab仿真软件中的一个可视化仿真模块。它基于matlab的框图设计环境，能够实现动态系统的建模、仿真和分析。因此simulink被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字信号处理和数字控制的建模与仿真。本文以zl50型装载机为样机，建立装载机各个环节包括柴油机模型、电动机模型、变矩器模型、变速箱模型、整车模型等各个系统的数学模型。并分别对各个数学模型在simulink中仿真分析。仿真过程中所有的参数全部按照zl50式装载机的实际参数输入，双动力装载机的动力由柴油机或电动机提供，根据不同的工作环境选取不同的动力驱动。经过仿真分析，混合双动力系统完全满足隧道施工需要。由于篇幅限制，本文不再对建模和仿真过程一一赘述。
　　6 结论
　　本文提出了一种应用于隧道施工的混合双动力系统装载机，该混合双动力系统由柴油机和电动机驱动，可以满足隧道施工过程中工作环境的要求。阐述了混合双动力系统的工作原理，并对系统的重要元件之一离合器进行接触许应力计算和分析，得出满足系统工作要求的结论。运用matlab仿真软件中的simulink模块，对双动力装载机进行建模仿真分析，仿真结果显示电动机驱动装载机作业同样可以满足其负载变化的要求。该双动力系统的应用改变了穿山隧道、江河隧道等狭小施工环境，即保证了施工人员的人身健康，同时对节能能源，保护环境也有着十分重要的意义。
　　参考文献
　　[1] 李军，工程机械双动力系统研究，长安大学.
　　[2] 蔡梦贫，混合动力系统概述，汽车电器，2005，1：55-59.
　　[3] 曲秀全，薛渊等，一种双楔块低副单向超越离合器，哈尔滨工业大学学报，2007，1：43-45.
　　[4] 黄家裕，钮心宪，超越离合器的力学分析，交通部上海船舶运输科学研究所学报，2000，12：77-83.
　　[5] 陈宁，王云超，装载机自动变速系统的建模与仿真，建筑机械，2010，2：106-112.