混合动力液压挖掘机势能回收系统研究.pdf

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 ，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，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 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 Ⅶ 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 ,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 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