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1、F E A T U R E S l 蠲图 混合动力 l 匕 口 J 液压挖掘机势能回收系统研究 Re s e a r c h o n P o t e n t i a l E n e r g y R e c o v e r y S y s t e m i n Hy b r i d Hy d r a u l i c E x c a v a t o r s 张大庆 胡 鹏 龚俊 刘昌盛 1 山河智能装备 集团现代工程装备节能关键技 术湖南省重点实验 室 湖南 长沙4 1 0 1 0 0 2 中南大学 高性能复杂制造国家重点 实验 室 湖南 长沙 4 1 0 0 1 2 0 引言 液压挖掘机是一种重要
2、的土方施工机械 通常用于 在相同工况下做循环的施工作业 而挖掘机的动臂和斗 杆等工作装置质量较大 因此在其作业过程中 当动臂 等装置进行频繁的下降和减速时 会产生大量的重力势 能和惯性动能 1 在传统的液压挖掘机中 这些能量通 常都在节流口处以热量的形式散发 并且产生系统发热 等负面问题 受到液压元件技术瓶颈的制约 通过减少 液压系统节流损失来减少能量浪费的效果不太理想 因 此 对上述惯性能量进行 回收再利用也被公认为解决挖 掘机能量浪费的重要措施之一 将混合动力技术应用于液压挖掘机 是 目前世界 范围内挖掘机研究领域 的一个热点 其原理正是将挖 掘机工作过程 中产生的惯性能量通过能量转换手段
3、进 行回收再利用 国内外均有工程机械制造企业推 出了 混合动力液压挖掘机产品的样机 但其中只有小松的 2 0 t 级混合动力 挖掘机P C2 0 0 8 实现 了批量销售 目 前 对挖掘机工作装置势能回收的研发 中 没有 出现 能结合速度平稳性 良好的操控性与高效回收于一体 的产 品口 而前人对挖掘机能量 回收 的相关研究表 明 在挖掘机 的可 回收能量中 动臂和斗杆 的回收能 基金项目 国家科技支撑计划项 目 2 0 1 4 B A A 0 4 B 0 1 量约 占7 0 以上 因此势能回收应是挖机能量回收的重 点 l 研究表明 对挖掘机工作装置进行势能回收需要 解决的难点问题主要有三个 首
4、先 由于将一部分油 液能量转换成了电能 势能回收对整机的速度稳定性 和操控性有较大的负面影响 其次 挖掘机工作过程 中工作装置下放时间短 通常为2 3 s 因此短时间内 完成具有较强冲击性势能的回收对相应 的回收元件有 很高的要求 最后 通常的挖掘机势能回收系统动态 响应特性差 回收时间长 效率低 基于此 本文提 出一种采用辅助变量泵与回收马达 同轴工作的混合动力液压挖掘机势能回收系统 并通过 仿真分析对其进行相关研究 研究结果表明 该系统能 有效回收势能并具有较好的综合效果 1方案和工作原理 综合国内学者对混合动力液压挖掘机工作装置势能 回收的研究 主要有两类系统方案 第一类是采用动臂 和斗
5、杆液压油缸回油腔分别与液压马达相连 每个马达 均与电机同轴连接 当工作装置下降或减速制动时 回 油腔的液压油推动马达并带动电机反转发电 由于每个 装置的油缸均由液压马达带动电机发电 因此该类方案 的优点是系统可同时回收工作装置的势能 但由于挖掘 机在工作时不同的液压执行元件要求的背压也不相同 因此该类方案的缺点是增加回收马达后会导致各执行装 置的运动速度难以准确控制 从而影响挖掘机的整体操 控性和工作效率 第二类方案是将工作装置油缸回油腔 的油路分成两路 其中一路经过节流阀流回油箱 另一 路通过连接回收马达带动电机反转发电 并储存在超级 电容中 该类方案中 由于油缸回油腔的油液必须经 过多个节
6、流阀 因而导致大量液压能以发热的方式浪费 在节流阀上 从而降低了系统的回收效率 本文提出的势能回收系统 通过辅助变量泵与液压 回收马达同轴的方式辅助系统供油 同时 三位四通电 磁阀可以根据系统的需要进行待机充电 其工作原理如 图1 所示 该回收系统主要包括用于发电和供电的电机 三位 四通电磁阀3 辅助泵 回收马达以及储能部分的逆变 器和超级电容 图1 中 当动臂上升时 比例电磁阀1 不 得电 系统压力油从主泵出发 经过系统多路阀后进入 动臂油缸大腔 推动油缸向上运动 当动臂下降时 电 磁阀1 得电 使油缸大腔回油油路与插装阀2 连通 流出 动臂油缸大腔的压力油流经插装阀2 后分为两路 一路 直
7、接回油箱 另一路经过变量回收马达后流回油箱 回 收马达带动同轴的辅助泵工作 由控制器控制电磁 阀3 的工作位置 根据反馈信号判断是否需要辅助泵给主油 路辅助供油 并计算所需泵的排量 阀1 的开口大小由 控制检测到的手柄先导信号决定 本系统中 辅助泵的 主要作用是给主油路辅助供油 解决复合动作时其他执 行机构因动臂油液回收出现的速度不稳定和动作响应慢 的问题 从而在实现势能有效回收再利用的同时提高整 机速度稳定性和操控性 2 1泵模型 本文研究对象为三泵系统的小型液压挖掘机 3 个 泵 由2 个具有相同排量的斜盘式变量泵和1 个小型定量齿 轮泵组成 2 个变量泵排量同步一致 为总功率控制模 式
8、小排量的定量齿轮泵则优先控制变量泵组的排量 由3 个泵共同实现近似的恒功率控制 本回收系统中 泵组的功率控制可以由公式 1 表示 当 2 尸 时 0 3 式中 P o P b P o 依次是泵a b c 的输出压力 依次是泵a b c 的排量 为定值 是泵a b c 的最大输出压力 该定值大小 由主溢流阀设定 是 泵a b 的最大排量 为定值 c 是泵组a b c 的功率之 和与发动机转速的比值 为定值 由公式 1 2 3 可建立恒功率控制泵组的A ME s i m仿真模型 如图2 所示 2 2 变负载模型 众所周知 挖掘机工作时动臂油缸大小腔的压力会 随动臂的升降运动而不断变化 J 因此需要
9、建立一个变 负载模型才能准确地对势能回收进行模拟仿真 本文通 图1势能 回收 系统原理 图2三泵系统恒功率控制理论模型 4 7 过A d a ms 与AME S i m的联合仿真来模拟建立这一变负载 荷 主要操作过程如下 1 通过三维软件P r o E 建立挖掘机各组成部件模 型 并进行整体装配 2 在A d a ms 中导入建好的三维模型 在具有相 对运动的铰接处以及执行油缸上添加相应的约束 并定 义各计算所需变量 3 在 A ME S i m中建立挖掘机势能回收系统的液 压系统模型 4 再根据模型设置联合仿真软件相应的接口 5 由于该仿真中需要将液压挖掘机的动力学模 型作为普通模块来使用
10、因此需要在A ME S i m仿真环境 中生成系统子模块 该仿真中 A d a ms 在作为主控软件 的A ME S i m中运 行仿真进程 由于本文只研究动臂的势能回收 故所 建立的A d a ms 模型与A ME S i m模型关联参数为动臂油缸 压力 运动速度和位移 据此建立变负载的联合仿真模 型 如图3 所示 2 3 马达模型 从图l 可知 动臂油缸大腔的回油在进入插装阀后 有一路流向回收马达 由马达的排量变化可调节动臂 油缸回油腔 的背压大小 从而实现对动臂油缸运动速 度的控制 同时 辅助变量泵与回收马达同轴相连 通过电磁阀3 的动作以及控制该辅助泵的排量 可以辅 助给挖掘机其他执行
11、元件供油 提高元件动作响应速 度 并改善元件速度平稳性和整机操控性 另外 通 过对发 电机的制动控制 可实现对与其同轴的回收马 达的启制动控制 回收马达的力矩平衡方程为 等 6 m 4 式中 尸 分别为马达的进油压力和排量 T N 为电机输 入端扭矩 为马达一 电机等效转动惯量 为马达转动角 速度 b m 为马达粘性阻尼 T f S J 马达一 电机等效摩擦力矩 2 4 电机模型 电机动力学方程为 1 5 p i L L i 5 dc o 1 一 F m o r 6 甜 7 甜 7 J 式中 为 电机力矩 p 为电机极对数 为电机功率因 数 f 为q 轴电流 f d 为d 轴 电流 d 为d
12、轴电感 为q 轴电 感 为 电机转速 J m 为 电机转动惯量 为电机摩擦 阻力系数 为电机转角 2 5超级电容模型 超级电容等值电路如图4 所示 各变量数学关系为 i R 8 普一f 半 1 0 R d i 面一 1 1 由式 8 1 1 可得超级 电容的端 电压 为 广 l 吉 e d e lC iR s 1 2 式中 为电容理论电压 沩 电容工作 电流 R 为电容 电阻 i L 为电容漏 电流 C 为电容容量 为电容漏电 内阻 g o 为电容初电压 v t 为电容实际电压 通过电容充电功耗与储能的关系 可得出电容在充 电至一定电压后所储存的能量 E c V j od f f Vo C V
13、 d V o c 式中 为电容内部 电流 2 6 插装阀模型 根据压力控制插装阀的结构 在A ME S i m中建立插 图3变负载联合仿真模型 图4 超级 电容等值 电路 装阀仿真模型 如图5 所示 2 7 系统整体模型 根据各组成部分子模型 建立 挖掘机动臂势能 回收的系统仿真的 AME S i m整体模型 为简化模型界 面 对系统部分子模型进行超级元 件封装 得到该势能回收系统的整 体模型 如图6 所示 3 仿真分析 3 1仿真条件与工况 根据上文对该势能回收系统的 分析 结合挖掘机实际典型工况 选择仿真模型各部分参数 如表1 所 示 另外 超级电容初始电位哪 电 容c 根据MA X WE
14、 L L 公司提供 的参数 设 置 仿 真过程 中 选取 动臂 上 升 和下降为挖掘机势能回收的一个循 环 则可以知道该循环内动臂上升 和下降的行程相等 即均为0 6 m 设置仿真时间一周期为6 S 3 2结果分析 3 2 1 回 收 效 率 通过A ME S i m分别进 行辅助 泵 工作和不工作时系统势能回收的仿 真 利用Ma t l a b 将仿真得到的数 据 进行 曲线拟合 即可得到该系统的 回收率曲线 如图7 所示 从拟合 曲线 中可 以看出 辅助 泵在工作和不工作的条件下 一个 周期内系统 回收的势能 占动臂总势 能 的比重分别 为7 1 3 和7 0 6 两 者相差0 7 占势能 回收总量比重 为0 9 8 因此该势能回收系统在辅 助泵参与势能回收时同样能进行高 效势能回收 3 2 2 系统 响应特性 挖掘机典型的工作通常都是在 复合动作下进行 因此在进行势能 回收的同时应该使整机系统具有 良 好的响应特性 以保证整机具有良 好的速度平稳性和操控性 受条件 限制 本文只进行动臂下降时的系 统响应特性研究 设置系统压力为 F E A T U R E S 园圈 4 9
