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1、 博士学位论文混合动力挖掘机轴系耦合特性研究 学科专业：机械工程研究方向： 学院（系、所）：机电一体化机电工程学院 编 号 ： 043110015中 南 大 学 2015 年 6 月分类号VDC 密级 博士学位论文混合动力挖掘机轴系耦合特性研究Research on Coupling Characteristic of the Hybrid Excavator Shaft system学科专业：机械工程研究方向： 学院（系、所）： 机电一体化 机电工程学院 编 号 ： 043110015 论文答辩日期 答辩委员会主席 中 南 大 学 2015 年 6月原 创 性 声 明本人声明，所呈交的学位论
2、文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期： 年 月 日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名： 导师签名 日期： 年 月 日摘 要
3、 降低能耗减少排放，开发研制环保节能型工程机械是我国工程机械行业的必由之路。混合动力工程机械以其动力和排放的综合优势现成为工程机械的发展趋势。混合动力工程机械的核心是混合动力驱动系统，由于发动机系统和电气系统对混合动力系统轴系的耦合作用改变了混合动力轴系的激励特性，将会使动力轴系振动和作用于各轴段的转矩及其机械应力发生改变，诱发轴系扭振，并造成扭转疲劳可使轴系损坏。因此，研究混合动力挖掘机的振动产生机理，以提高混合动力系统性能，优化混合动力能量分配，提高混合动力挖掘机的产品品质和使用寿命，并且具有重要的学术意义和实际应用价值。本文主要围绕发动机、液压泵和电动机之间的耦合作用规律及混合动力系统轴
4、系的振动特性开展深入分析和研究，具体如下： 1）对并联式混合动力系统的结构进行分析，并针对混合动力系统双动力的特点，设计了混合动力工作模式识别器，编写了控制策略，并建立了协调控制系统仿真模型，为并联式混合动力系统实际工作状态仿真分析做准备。2）利用MATLAB软件分别建立发动机压力重构仿真模型、电机仿真模型、蓄电池仿真模型、液压泵仿真模型，最后建立了通轴并联式混合动力系统仿真模型，仿真输出了发动机气缸压力、电机电磁转矩、液压泵负载转矩、蓄电池荷电状况等数据，既验证了仿真模型的可行性和可靠性又为后续混合动力轴系振动特性研究提供激励输入数据。3）基于多体动力学理论，建立了多刚体模型；以有限元法为基
5、础，建立了混合动力轴系有限元模型，并进行了模态分析，定性分析出联轴器附近为“易断轴段”，并分别建立了刚性连接和柔性连接的混合动力轴系动力学仿真模型，仿真对比得出柔性连接有利于改善轴系振动特性，最后对柔性连接的混合动力系统进行不同油门开度、发动机、电机助推、电机发电、重载工况下五种工作模式仿真。仿真结果表明：电机助推模式下轴系的扭振和水平弯振幅值稍有减小，但垂直弯曲振动和纵向振动幅值均匀增加；电机发电工作模式下的扭振和弯曲振动振幅均有所减小，纵向振动幅值稍有增大；在混合动力重载真实工况下，轴系的扭振和弯振幅值均有大幅度减小，纵振稍有增加，从而获得电机的引入对于动力系统轴系振动特性是有益的，即混合
6、动力工程机械系统相比传统工程机械系统的轴系振动特性有所改善的结论。4）从力学角度出发分析混合动力轴系耦合振动产生机理，推导出混合动力轴系机电耦合扭转振动的公式，为本文仿真结果提供理论支撑。5）设计与搭建了混合动力工程机械实验平台的，进行了三种工况下的机电耦合振动特性测试。得到以下结论：不同油门开度下，转速的增加时，混合动力轴系的扭转振动幅值也增加；电动机助推模式相比发动机模式下，混合动力轴系的振动幅值更大；电动机接入混合动力系统的周期越短，轴系的振动幅值更大，轴系振动也越严重。关键词：混合动力挖掘机，轴系，耦合特性，模型分析，耦合特性测试目 录第一章 绪 论11.1 研究背景及意义11.2 国
7、内外研究现状及发展趋势21.3 本文的主要研究内容6第2章 并联式混合动力系统结构与工作过程82.1 并联式混合动力系统结构82.2 并联式混合动力系统控制策略92.3 混合动力系统动态协调控制原理102.3.1 混合动力系统工作模式识别规则102.3.2 发动机油门控制方法112.3.3 混合动力协调控制系统建模122.4 本章小结13第3章 混合动力系统轴系振动激励分析143.1 概述143.2 混合动力系统动力元件建模143.2.1 发动机仿真模型143.2.2 电机仿真模型203.2.3 蓄电池仿真模型243.2.4 液压泵仿真模型253.3 混合动力系统激励建模仿真263.3.1 混
8、合动力系统激励仿真模型263.3.2 混合动力系统激励仿真分析273.4 本章小结30第4章 混合动力轴系动力学仿真分析314.1 概述314.2 轴系振动多体动力学建模原理314.2.1 多刚体动力学理论324.2.2 多柔体动力学理论324.2.3 混合动力轴系振动多体动力学分析方法334.3 混合动力系统轴系多体动力学建模344.3.1 混合动力系统轴系多刚体模型344.3.2 发动机曲轴有限元模型364.3.3 电机转子有限元模型374.3.4混合动力轴系有限元模型374.3.5 刚性连接的混合动力轴系柔性多体动力学仿真模型384.3.6 柔性连接的混合动力轴系柔性多体动力学仿真模型4
9、04.4 连接方式对混合动力轴系振动特性的影响分析434.4.1 混合动力轴系多体动力学联合仿真模型的建立434.4.2 刚性连接的混合动力轴系振动特性分析454.4.3 柔性连接的混合动力轴系振动特性分析514.4.4对比结果分析534.4.4.1时域特性对比分析534.4.4.2频域特性对比分析544.5柔性连接的混合动力轴系振动多体动力学仿真分析564.5.1不同油门开度下的轴系扭振仿真574.5.2 发动机工作模式下的轴系振动仿真584.5.3 电机助推工作模式下的振动仿真594.5.4 电机发电工作模式下的振动仿真614.5.5 重载工况下的振动仿真624.6 本章小结64第5章 混
10、合动力轴系振动机理研究655.1 概述655.2曲轴的耦合振动分析655.2.1 扭转横向耦合振动655.2.2 扭转纵向耦合振动675.3 混合动力系统轴系机电耦合振动分析705.3.1 电机电磁阻尼和电磁刚度705.3.2 电机转子振动产生的电磁拉力715.3.3 混合动力轴系机电耦合扭转振动735.4 本章小结74第6章 混合动力轴系机电耦合特性测试756.1 概述756.2 实验平台的设计与搭建756.2.1 实验平台的设计756.2.1 实验平台的搭建766.3 实验方案设计796.4 实验结果及分析806.5 本章小结83第7章 总结与展望847.1 全文总结847.2 全文展望8
11、5参考文献86攻读博士学位期间发表的论文及科研情况93致 谢94第1章 绪 论1.1 研究背景及意义 国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）中68个优先主题中的第一个就是“工业节能” 1，节能减排已成为现代社会的一个重要议题。用量大、能耗高、排放差的工程机械被引起了高度关注，减少工程机械的能耗关系到产品的市场竞争力，同时日益苛刻的排放标准不断提高，成为工程机械产品的入市门槛，国际先进的工程机械企业正在通过采用各种技术手段来降低能耗减少排放，开发研制环保节能型工程机械已是我国工程机械行业的必由之路。鉴于工程机械的高负载和复杂工作环境，混合动力技术以其动力和排放的综合优势成为工程机
12、械节能减排的主要解决途径而成为国内外先进工程机械企业的研究热点。2004年日本小松公司研制了世界第一台混合动力挖掘机试验样机，测试结果表明：该样机动力系统的平均油耗可以降低25左右，最大油耗可以降低41，节能降耗效果十分明显。2006年日立建机推出了7T级混合动力挖掘机。2008年日本小松公司向日本市场推出了20T级混合动力挖掘机。2009年，瑞典沃尔沃建筑设备公司向市场推出了混合动力轮式挖掘机。在国际主要工程机械制造企业的竞争和推动下，国内主要工程机械制造企业也相继开展了混合动力工程机械产品的研究。2007年詹阳动力研制了混合动力挖掘机。2010年三一重工、山河智能研制了混合动力挖掘机样机。
13、到目前为止，世界主要挖掘机制造企业都开展了混合动力挖掘机产品的研究，有的企业正处于样机研制阶段，有的企业已经开始了小批量推向市场2。混合动力工程机械的核心是混合动力驱动系统，通常由发动机、电机和液压泵等多种动力源组成，主要有三种驱动模式：发动机单独驱动、发动机和电机共同驱动、电机单独驱动3。由于发动机系统和电气系统对其混合动力系统轴系的耦合作用，不仅表现在柴油机和电动机之间的转速耦合，还存在电磁转矩耦合和电磁谐波转矩耦合等等，当柴油机曲轴周期性振动时，混合动力系统的动力轴系也会发生振动，动力轴系的振动会导致电动机转子与定子之间气隙不对称变化，由此产生的不平衡电磁力又会造成混合动力轴系的振动；同
14、时混合动力轴系的振动会导致液压泵回转体的不平衡，会加剧电机轴与液压泵传动轴同轴度误差引起的周期性不平衡力，由此产生的不平衡力又会造成混合动力轴系的振动。机电耦合作用改变了混合动力轴系的激励特性，将会使动力轴系振动和作用于各轴段的转矩及其机械应力发生改变，诱发轴系扭振，并0造成扭转疲劳，其程度取决于轴系本身的扭振特性、机电扰动性质等因素，轻者可忽略不计，重者可使轴系损坏甚至酿成灾难性事故，扭振问题在混合动力工程机械的研究开发过程中不容忽视。不仅如此，工程机械负载变化幅度大、变化频繁，混合动力单元各部件状态需要随负载变化不停的调整，匹配负载，过渡工况下会出现负荷扰动，动力轴系就会发生不稳定的扭振，此时造成的动力轴系上的最大转矩值比平稳工况下的静态转矩要大很多，冲击负荷每出现一次，就会激起一次
