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2 0 1 3年 1 月 第4 1卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J a n . 2 01 3 Vo 1 . 41 No . 2 DOI 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1~3 8 8 1 . 2 0 1 3 . 0 2 . 0 3 5 混合动力挖掘机工作装置液压系统设计及仿真研究 吕其 惠 广东交通职业技术学院,广东广州 5 1 0 6 5 0 摘要将混合动力技术应用于液压挖掘机工作装置液压系统 ,以I S G发电电动一体机和超级电容为辅助动力核心部件 , 设计了液压挖掘机柴油机辅助动力系统和转台电动回转系统;以能量回收为目标,改进了工作装置液压驱动系统和动臂油 缸 一液压马达能量回收系统,实现了对动臂油缸重力势能和转台惯性动能的回收利用。仿真结果表明采用该设计方案降 低了发动机装机功率及油耗,可以节约能源、减少排放污染。 关键词混合动力液压挖掘机;方案设计 ;能量回收 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 21 0 0 4 Re s e a r c h o n Hy d r a u l i c Sy s t e m De s i g n a nd Si mu l a t i o n o f Hy br i d Ex c a v a t o r W o r k i n g De v i c e L V Q i h u i G u a n g d o n g C o mm u n i c a t i o n P o l y t e c h n i c ,G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 6 5 0 ,C h i n a Ab s t r a c t Hy b ri d t e c h n o l o g y w a s a p p l i e d i n t h e e x c a v a t o r h y d r a u l i c s y s t e m. Di e s e l a u x i l i a r y p o we r s y s t e ms a n d t u r r e t e l e c t ri c r o t a r y s y s t e m o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r w e r e d e s i g n e d w i t h I S G p o we r g e n e r a t i o n e l e c t ric ma c h i n e a n d s u p e r c a p a c i t o r a u x i l i a r y p o w e r c o r e c o mp o n e n t s . I n o r d e r t o r e a l i z e e n e r g y r e c o v e ry , t h e wo r k i n g h y d r a u l i c d ri v e s y s t e m a n d t h e b o o m c y l i n d e r e n e r gy r e c o v e ry s y s t e m o f h y d r a u l i c mo t o r we r e i mp r o v e d .En e r gy r e c y c l i n g o f t h e b o o m c y l i n d e r g r a v i t a t i o n a l p o t e n t i al e n e r g y a n d t u r n t a b l e i n e i al k i n e t i c e n e r g Y wa s r e a l i z e d .T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s h o ws t h a t a d o p t i n g t h e d e s i g n,t h e e n g i n e i n s t all e d p o w e r a n d f u e l c o n s u mp t i o n a r e r e d u c e d, e n e r gy i s s a v e d a n d e mi s s i o n s p o l l u t i o n i s r e d u c e d . Ke y wo r d s Hy b rid h y d r a u l i c e x c a v a t o r ;S c h e ma t i c d e s i g n;En e r gy r e c o v e ry 液压挖掘机是使用范围最广的工程机械产品,随 着我国基础设施建设力度加大 ,挖掘机市场取得了爆 发性增长。目前在用 的液压挖掘机功率匹配系统 中, 柴油机与液压泵作为动力系统在最大负载时才能较好 地进行功率匹配,但挖掘机作业工况复杂,负载波动 剧烈,最大功率与最小功率交替出现;柴油机输出扭 矩也剧烈波动,柴油机在小负荷时严重脱离经济区。 为满足最大负荷工况的要求 ,挖掘机都按峰值功率来 选择柴油机,造成大部分时间功率偏大,燃油经济性 差,排放污染;如果按平均功率选择柴油机,则发动 机过载和过热,不能实现全局功率的匹配 。由于挖 掘机耗油量较大,能源使用成本居高不下 ,开发节能 环保产 品更显得迫切 。近年来 ,蓄电池容量 的增加及 超级电容器的应用使混合动力液压挖掘机的设计及应 用成为可能,也为挖掘机实现全功率匹配 、节能降耗 提供了条件。文中探讨在液压挖掘机动力系统中引进 混合动力技术 ,改进工作装置液压系统和回转机构驱 动系统的设计方案 ,优化挖掘机柴油机与液压系统的 功率匹配,提高柴油发动机的工作效率,改善废气排 放的质量,节约能耗。 1 混合动力液压挖掘机液压驱动 系统的设计 1 . 1 辅 助动 力 系统结构 挖掘机挖掘工况需要较大的功率输出而回转 、卸 料时功率输出较小,在一个台班作业周期中平均功率 仅为 6 2 % ,其动力需求波动大且周期强。设计方案 中,混合动力挖掘机以柴油发动机作为系统的主动力 源 ,在柴油机与液压泵连接单元中加装 I S G发电电动 一 体机 电动机 。电动机和储能装置组成辅助动力 系统 ,柴油机作为主动力源与电动机并联共同驱动液 压泵 ,主动力源与辅助动力系统通过电控系统进行合 理的功率匹配。电动机作为辅助动力可工作于发电或 电动状 态 ,柴油发动机 的功率主要用于驱动外载 ,多 余或不足部分由电动机转化或补充。辅助动力系统储 能装置储存的能量在挖掘机超载和重载时释放出来辅 助驱动,对柴油发动机起到动力 “ 削峰填谷” 的功 能,降低了柴油发动机装机功率和装机成本;使柴油 机输出转矩得到均衡控制并平稳地工作在经济运行区 间,减低能耗及排放。 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 2 7 作者简介吕其惠 1 9 7 1 一 ,男,硕士,副教授,研究方向为电液控制技术。Em a i l l q h l O 0 1 2 6 . e o m。 第 2 期 吕其惠混合动力挖掘机工作装置液压系统设计及仿真研究 1 0 1 1 . 2 工作装置油缸三泵三回路驱动 。进 出口独立 调节的系统方案 传统液压挖掘机多采用柴油机一液压泵一执行机 构 液压马达的驱动方案。其工作机构液压系统 是由驱动工作装置液压油缸回路和驱动转台的双泵双 驱动回路组成。工作装置动臂油缸、小臂油缸、转斗 油缸共用一个泵 驱动 ,主控制阀进出油节流 口联动调 节,进出口都有压力损失。由于各个工作装置液压油 缸的压力相差较大,液压泵的输出压力必须高于负载 最高压力而低压负载则需要压力补偿 ,导致补偿压力 损失、能量损耗、功率下降,泵输出压力也跟着提 高。在单泵驱动多执行器液压系统中,无法消除进油 节流损失 。作者采用三泵三 回路系统,动臂油缸 、 小臂油缸、转斗油缸分别由单独的液压泵驱动,液压 泵的输出压力根据油缸需求配置,压力降低 ;出口采 用独立调节,通过调节出油节流口的开度来控制执行 油缸的运动速度,克服传统双泵双驱动回路的压力补 偿阀造成的压力损失和效率低下问题 ,可以进一步降 低系统的能耗损失,达到节能效果。三泵三回路驱动 液压 系统 如图 1 所示 。 图 1 混合动力液压挖掘机工作装置液压系统图 1 . 3 液压 马 达节 能 回收 系统设 计 由于液压挖掘机作业时行驶系统都处于停止状态 且挖掘机长距离转移时均采用拖车拖运,行驶系统对 功率及节能影响很小 ,在节能系统设计时不作考虑 , 采用传统成熟的液压系统方案。液压挖掘机工作装置 主要通过回转平台、动臂 、小臂、铲斗的相互配合来 完成作业任务。由于工作装置质量很大,加在动臂油 缸上的重力比较大 ,动臂油缸减速制动时会产生大量 的惯性能量和重力势能 ,且必须安装背压阀,惯性能 量都消耗在控制阀和背压阀的节流 口上,造成了能量 浪费同时也产生大量的热量,导致液压油温度升高, 降低了液压元件及液压油的使用寿命。为了使这部分 能量得到回收利用,设计了由电机、能量 回收马达 、 单泵驱动动臂油缸和进出口独立调节共同组成的混合 动力挖掘机新型节能回收系统。在动臂油缸主控制阀 回油出口处串联能量回收马达代替背压阀,将动臂油 缸回位时的重 力势 能 回收并 转 化为 马达 输 出 的机 械 能,使原本消耗在压力补偿阀上的能量被液压马达回 收用来驱动发电机发电,其电能经过变频器整流并储 存在储能电容中以供回转电机使用 ,实现能量的循环 再生 应用。 由于动臂油缸的回油连接回收液压马达 ,通过控 制液压马达的流量 ,调节动臂油缸的背压P实现控制 动臂油缸的下降速度 。当动臂油缸从举升位置下 降、制动时 ,根据黏滞阻尼理论可知阻尼力与动臂 油缸 的运动 速度成 正 比,设 k 为黏 性阻尼 系数 ,在 不考虑有杆腔 的压力 P 的情况下 ,则 P f A 一 Q d t Q m k 。 p1 A1F0 其中 为动臂油缸与 回收马达间容腔 的容积;P 、 A , 、F分别为动臂油缸无杆腔压力、活塞横截面积 、 摩擦力;5 e 为液压油的弹性模量 ;O 9 、Q分别为马达 的角速度和排量;m为动臂油缸活塞及负载作用在活 塞杆上的总质量。 动臂油缸下降制动时的重力势能及惯性能量带动 回收液压马达回转从而驱动发电机发电,电能经变频 器 I 2整流后储存在储能电容中,其发电电流 , Q p l 一 ., 【 , 一 k m m 一T w / U 式中J 、k 分别为回收马达和发电机的总转动惯量 及黏性阻尼系数 ;U为电容的工作电压;T为摩擦力 矩 , h 式 中 , 为 电容 的放 电 电流 ;, 为发 动机 辅助 动 力 电机驱动负载的电流;C为节点容量。 工作装置转斗油缸和斗杆油缸没有重力势能,惯 性能量也比较小,回收利用价值不高,为了系统简单 考虑不设计能量回收装置。 2 转台电机驱动回转系统设计 2 . 1 回转 台电驱动 系统设计方案 现用挖掘机转台驱动回路 由泵通过阀控后驱动回 转液压马达,回转液压马达经减速机减速增扭后驱动 回转转台。动力传递过程经历机械能一压力能一机械 能的转化过程,传动效率较低。挖掘机作业时回转频 率高且惯性较大 ,转台制动过程存在大量能量损失。 1 0 2 机床与液压 第 4 1 卷 混合动力液压挖掘机电机驱动 回转系统由回转 台、减速器、I S G回转电机、超级电容组成。回转台 驱动装置以I S G电机替代回转液压马达,转台的回转 由变频 电动机 I S G经减速机 构减速 增扭后 直接驱 动 , 其电能来 自于电容器;I S G电机也可以通过 自身的转 动惯量在电动机和发电机之间来回切换状态 ,平衡机 械冲击和振动,起到减震器的作用。回转系统工作原 理为操纵回转手柄,电控系统的手柄压力传感器向 控制器发送电机转动控制信号,控制器向储能电容输 出放电指令,电容器给 I S G电机放电,电机带动挖掘 机工作平台产生转动;停止手柄转动;转台减速制动 时由于惯性作用带动变频电机 I S G以高于同步转速的 速度旋转而发电,其发出的三相交流电能经变频器整 流为直流电储存在电容器中,同时变频电机 I S G对转 台产生制动力矩使其减速和制动 。减速或制动时的 惯性动能转换成电能 ,为机载电容进行充电。系统能 量转换为机械能一电能,不足部分由外部其他能量补 充 ,电机驱动节省了消耗在液压阀上的能量 ,效率比 液压能转化过程高很多 ,提高了燃油经济性。对挖掘 机回转制动惯性能量进行回收是混合动力挖掘机节能 重要的组成部分。 2 . 2蓄电装置选用 混合动力液压挖掘机电能的储存可以选择超级电 容和动力电池。混合动力汽车上多采用动力电池,而 挖掘机则首选超级电容;作为新型储能设备的超级电 容具有很高的放电功率和功率密度 ,同时也具有很大 的荷电储存能力,能很好满足挖掘机短时间高功率的 挖掘作业工况要求;电容器的选择要综合考虑容量、 可靠性、成本 、整机电控系统的控制策略及整机工作 过程中的荷电状态 S O C 等方面。超级电容容量设 定按 6个工作周期可回收的最大能量 E 作为选择参 考依据 ,超级 电容模型采用经典 的 R C模 型 ,其 电量 与输出电压成线性关系 。超级电容值的计算公式 如下 c 式中C为 电容容量 F ;V m 为 电容充满 电电压 V ;V m i 为电容放完电电压 V 。 2 . 3 回转电机的选择 电机是混合动力挖掘机辅助动力单元核心部件, 承担着为发动机提供辅助动力、驱动挖掘机回转和制 动能量回收转化的任务 ,必须具备很好的驱动性能。 I S G电机是电动 一发电一体机,融合 了电机、电子、 数字信号处理、控制等技术 ,集电动机和发电机功能 于一体,具有突出的起/ 停控制快、能量再生利用好、 动力辅助性强等优点, I S G电机在混合动力技术上的 应用对节能减排起到重大作用。 对电机参数的选择上因遵循等效替换的原则回 转台 I S G电机性能应等效于原液压马达性能,转矩和 功率能驱动挖掘机转台顺利回转 ,满足最大负载挖掘 时的功率需求;I S G电机额定转速必须等于或大于发 动机最大转速。 I S G混合动力系统中,根据 I S G在挖掘机上使用 作业条件恶劣、负载波动大的特点 ,选择径向尺寸较 大、轴向尺寸较小的永磁同步发电电动一体机 ,辅助 动力电机与泵一起安装在柴油机曲轴输出端 ,回转电 机用于驱动转台回转圈,其参数选择需要考虑 峰值 功率、最大转矩、额定转速、最大转速、额定功率 、 经济性、制造成本等方面综合考虑 。回转电机参数 选择见表 1 。 表 1 I S G电机参数 刑 峰值功 额定功 最大转速/额定转速/最大转矩/ 一率/ k w - / k W r . m i n r . m i n N m 3 混合动力液压挖掘机电驱动系统能量仿真分析 以最为常用的2 0 t 挖掘机作为研究对象,控制器 根据操作信号和检测信号 ,按照控制策略分配柴油 机、电动机转矩以共同驱动液压系统工作 ,实现动力 输出的功率匹配。建立混合动力液压挖掘机 A D V I . S O R软件仿真模型如图2 所示。 时间 液压系统 输入模式 时间 变量泵排量 发动机转矩 工作模式发动机转速 发动机转矩 荷 电状态 电动转矩 电动转矩 电机 同步转速 控制器 L _ 荷电状态 三 .| 1 供 给 功 率 需 求 功 率 I 电 阻 超级电容 转 矩 指 令 燃 油 消 耗 r 1 口 l 输 出 功 率 h 燃 油 消 耗 转 速 指 令 l L . f 兰 竺 兰 竺 r ] 率 殳 动机 I 辅助转矩 电机同步转速 电机转速指令 需求功率 超级电容电量 I S G电机 图 2 混合动力挖掘机动力系统模型 A D V I S O R软件 是 由美 国可再 生能 源实验室在 MA T L A B软件环境下开发的混合动力设备仿真平台。 试验时启动 A D V I S O R软件进入整机参数输入窗 口, 在 A D V I S O R图形 界面 G U I 下选 择设置 机型 ,在 已选 择机型内部的 m文件中对各柴油机、液压部件、电 机、电容参数模型等进行设定和修改。例如图 3中点 第 2期 吕其惠混合动力挖掘机工作装置液压系统设计及仿真研究 1 0 3 击进入发动机编辑窗 口,窗口把发动机自定义参数 m 文件添加到列表中,选择f u l e C o n v e r t e r ,单击 D o n e 确 定后再点击 H e l p按钮即可获得发动机效率的相关仿 真结果。 图 3 柴油机性能仿真界面 各模块仿真情况如下 1 动力 系统 发动机与 I S G电动机共同为挖掘机液压系统提供 动力,把柴油机的调速曲线转换为数值模型。在仿真 时,运用插值原理获取重载模式和标准模式的理论转 速、转矩 如表 2 ,发动机的输出功率 尸 r 与电容的输 出功率 P 之和与液压泵输入功率 P 相等,即 PbPf P 仿真模型以液压系统工作油缸、回收液压马达的 实测压力值P和体积流量值 Q为输入 ,输出为液压系 统驱动功率 P 和 回收 的功率 P ,P 。 、P 计算 如 下 引 D一 卫 2 垒 2 一 叼 7 P h p 1 Q 1 田 式中 p 。 、Q 。 分别为动臂油缸驱动时的压力和流量 ; 卸 、A Q分别为控制阀的压力和流量损失。 表 2 混合动力挖掘机柴油机性能参数 2 回转机构 挖掘机作业过程包括挖掘、满载回转、卸料、空 载返回 4个过程。回转 时间 占总作业 循环 时间的 6 0 % 一 7 0 % ,回转过程分为满载回转加速 一满载回 转制动 一空载回转 一空载制动 4个过程。以挖掘机转 台角速度和转矩作为输入,考虑减速器传动比的基础 上得到电机的同步转速和转矩指令 。回转机构主要 参数如表 3 。 表 3 转台工作参数 仿真结果 如表 4 表明通过对混合动力系统 动力参数的匹配、控制策略的优化可以使柴油发动机 始终工作在高效区或怠速区 ,实现转矩和功率的 均衡控制 如图4所示 ;混合动力挖掘机节约油耗 3 1 . 9 % ,柴油机 装 机功 率 降低 了 3 2 . 7 %,耗油 率 如图5 保持在较低水平,具有很好 的节能效果, 排放污染也会显著降低。 表 4 挖掘机仿真结果比较 600 400 目200 量0 枷 .400 600 图4 转矩均衡 控制曲线 1 40 0 l 2 0 0 1 00 0 80 0 60 0 4 00 2 0 0 0 图5 柴油机油耗 对比曲线 4结束语 混合动力液压挖掘机工作装置设计方案中引入发 电电动一体机作为辅助动力装置,柴油机装机时只需 按平均输出功率配置,降低了柴油机配置成本。发动 机的油耗和排放减少 ,经济性得到显著提高。以电机 驱动替代液压马达驱动转台的回转 ,实现对回转制动 能量的回收 ;采用三泵三回路设计降低了泵的工作压 力,工作装置动臂油缸设计液压能量回收装置 ,减小 了压力补偿阀口的压力损失。混合动力挖掘机具有操 作方便、节能环保的功能。 混合动力技术在汽车领域已经得到成功的应用, 但在工程机械上的应用仍处于初级阶段。能源的紧张 和环境污染的加剧必将对工程机械产品的节能环保提 出更高的要求。工程机械生产企业将更加注重混合动 力液压挖掘机的开发应用,随着关键部件的不断改进 和技术进步,也会推动混合动力液压挖掘机更早进入 市场。 下转第 1 1 7页 第 2期 李平 等 基于机床做功量的监控系统开发 1 1 7 l 2 1 1 3 1 1 4 1 1 5 一l 1 6 1 “1 2”0 “1 3”0 “1 4”0 “l 5”0 “1 6”0 嵌入 V B执行文件 j i a n k o n g . e x e ,将 j i a n k o n g . e x e 移至⋯⋯/ O E M / 下。至此 ,整个 O E M设计过程完成, 其框架结构如图6 。 OEM j i a n k o n g . d l l j i a n k o n g . e x e r e g i e .i n i ,mmc . i n i j i a n k o n g , i n i 【 jj i i a a n n k k 。 o n n 昏 g ,m z u d s i 图6 O E M框架结构 4 监控系统的应用 通过试验测得 ,当磨损量 ,为 0 . 51 0 m m 时,需要对丝杆螺母副采取维护措施 ,此时驱动电机 做功可以通过式 1 0 和图 3求得 ,WI 3 . 61 0 MJ 。 把该系统应用在 T H M 6 3 8 0卧式加工 中心上,运 行的界面如图 7所示,当累积做功达到 3 . 61 0 M J 时 ,机床会 自动报警。 图7 用户维护监控系统界面 5结论 以高开放 、高性能的数控系统西门子 8 4 0 D为设 计平 台 ,通 过 V B开发 的用户 界面和 V C动态链接 库 在 O E M软件开发环境中嵌入 ,开发出了基于用户角 度来提高可靠性的用户监控维护系统, 提高机床的智 能化程度。 文中将一种新的可靠性方法用户监控维护思 想引入数控机床可靠性研究领域中,创造性地提出定 功维护的概念 ,通过建立丝杆螺母副与电机做功的数 学模型 ,为定功维护提供理论依据 ;为提高机床可靠 性提出新的方法和思路。 所应用的研究方法使用户对机床的维护保养更合 理、更优化 ,而且该思想方法也可用于其他设备维 护 ,具有 良好 的工程应用前景 。 参考文献 【 1 】 X U J i a n s h e n g , Z H O U L a n , Z H A O Y u a n . 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