交变负载下工程柴油机液压转矩均衡控制模型及试验研究.pdf

第 4 8卷第 1 8 期 2 0 l 2 年9 月 机械工程学报 J OURNAL OF MECHANI CAL ENGI NEERI NG V0l _ 48 S e p ． NO． 18 2 0 l 2 DoI l 0 ． 3 9 0 1 ／ J ME． 2 0 1 2 ． 1 8 ． 1 6 0 交变负载下工程柴油机液压转矩 均衡控制模型及试验研究水 高 峰 于洪光 柳桂国2 1 ．浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部／ 浙江省重点实验室杭州3 1 0 0 1 4 2 ．浙江工商职业技术学院工学院宁波3 1 5 0 1 2 摘要根据液压挖掘机等工程机械的工作特点，分析在交变负载工况下对柴油机进行转矩均衡控制的必要性，仿照大多数工 程机械所采用的并联式油电混合动力结构，建立以蓄能器、蓄能泵、助力电动机等液压元件为核心的转矩均衡控制系统的数 学模型，以带有全程调速器的4 8 5小型柴油机为控制对象，在调速拉杆固定的条件下将柴油机输出转矩设为控制 目标，以齿 轮泵和比例溢流阀为负载进行建模并开发出转矩均衡控制算法，并进行计算机仿真和台架试验。仿真和试验结果表明，所建 数学模型基本反映了实际系统的特性，柴油机转速和输出转矩、蓄能器压力、负载转矩等仿真参数的变化趋势与试验结果一 致，所开发的控制算法在多种试验负载下都能完成对柴油机输出转矩和转速的稳定控制。台架负载对比试验表明，在不同工 况下转矩均衡控制能使柴油机的耗油率降低 1 0 ％2 0 ％不等，对短时间峰值负载的驱动能力提高了 6 0 ％以上。 关键词转矩均衡混合动力工程柴油机节能交变负载 中图分类号 丁 U 6 2 1 M o d e l i n g a nd Ex p e r i me n t a l S t ud y o n Hy d r a u l i c To r qu e Co mpe ns a t i o n Co nt r o l S y s t e m f o r Di e s e l En g i n e un d e r t h e Al t e r na t i ng l o a d GAO Fe n g YU Ho ng g u a ng LI U Gu i g uo 1 ． Ke y L a b o r a t o r y o f S p e c i a l P u r p o s e Eq u i p me n t a n d Ad v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o nZ h e j i a n g P r o v i n c e ． Z h e j i a n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ； 2 ． I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , Z h e j i a n g B u s i n e s s T e c h n o l o g y I n s t i tut e ， Ni n g b o 3 1 5 0 1 2 Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e ris t i c s o f c o n s t ruc t i o n ma c h i n e s u c h a s h y d r a u l i c e x c a v a t o r , t h e n e c e s s i t y o f t o r q u e c o mp e n s a t i o n c o n t r o l s y s t e m f o r d i e s e l e n g i n e u n d e r t h e a l t e r n a t i n g l o a d i s a n a l y z e d ． Ba s e d o n t h e s t r u c t u r e o f p a r a l l e l h y dra u l i c e l e c t r i c a l h y b rid s y s t e m， a h y dr a u l i c c o n tro l mo d e l ma i n l y c o mp o s e d o f p u mp ， mo t o r a n d a c c u mu l a t o r i s e s t a b l i s h e d ， a n d t h e c o r r e s p o n d i n g c o n tro l me tho d i s d e v e l o p e d ． Th e e n g i n e t o r q u e c o n t r o l e x p e ri me n t i s p e r f o r me d o n a t e s t r i g wh e r e a 4 8 5 mo d e l d i e s e l e n g i n e wi t h f u l l r a n g e s p e e d g o v e r n o r i s u s e d a s c o n tr o l o b j e c t ． Wi t h t h e e n g i n e s p e e d c o n t r o l l e v e r b e i n g fi x e d i n s i mu l a t i o n a n d e x p e ri me n t p r o c e s s ， the t e s t d a t a s u c h a s e n g i n e t o r q u e ，e n g i n e s p e e d ，l o a d t o r q u e a n d a c c u mu l a t o r p r e s s u r e s h o w t h a t t h e h y d r a u l i c c o n tr o l mo d e l c a n a p p r o p ria t e l y r e p r e s e n t the r e a l d e v i c e c h a r a c t e ris t i c s ． I t a l s o i l l u s tra t e s t h a t t h e e n g i n e t o r q u e an d s p e e d c a n b e c o n tro l l e d i n s t e a d y s t a t e i n v a ri o u s l o a d c o n d i t i o n s t o ma k e t h e e n g i n e mo r e e ffi c i e n t ．Th e c o n tra s t o f d i ff e r e n t l o a d t e s t i n g i n d i c ate s t h a t t h e fue l c o n s um p t i o n r a t e i s r e d u c e d b y 1 0 ％- 2 0 ％， a n d t h e s h o r t - t i me o v e r l o a d i n g c a p a b i l i t y o f t h e wh o l e s y s t e m i s i n c r e a s e d o v e r 6 0 ％． Ke y wo r d s T o r q u e c o mp e n s a t i o n Hy b ri d p o we r Di e s e l e n g i n e E n e r g y s a v i n g Al t e rn a t i n g l o a d 0 前言 在工程机械 中，液压系统与发动机的功率匹配 对其节能性有重大影 响。以液压挖掘机为例，通常 浙江省自然科学基金 Y1 0 7 4 0 9 和特种装备制造与先进加工技术教育 部／ 浙江省重点实验室 浙江工业大学 开放基金资助项 目。2 0 1 1 1 2 2 2收 到初稿，2 0 1 2 0 6 2 9 收到修改稿 采用三段功率分档的模式 1 ，配合极限功率转速控 制，以便在不 同工作功率条件下，将发动机工作点 尽量控制在其经济工作 曲线上 。由于工程机械在工 作中负载经常发生剧烈变化 ，导致柴油机实际工作 点严重偏离经济工作区，使这种措施所产生的节能 效果有限。为解决这一问题 ，国外工程机械公司如 卡特彼勒、小松、日立和国内一些研究单位等采用 油 电混合动力方案【 2 ] ， 将柴油机的输出转矩和转速 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 9月 高峰等交变负载下工程柴油机液压转矩均衡控制模型及试验研究 1 6 1 始终控制在经济工作区，从而实现完美的功率匹配 控制。尽管油 电混合动力技术在汽车领域已经比较 成熟，但较高的成本和 目前的产业配套能力仍然制 约着这项技术在工程机械领域中的应用。实际上， 用成熟 的电液控制技术也能实现这一 目标L 6 J ， 但 目 前大都用于轮式驱动[ 9 - 1 0 l ，而对 以液压缸为主要驱 动元件 的系统应用 尚不多见。鉴于这种方案产业基 础成熟 、价格相对低廉 ，有必要在仿真和试验两方 面对其驱动能力和节能性作进一步研究，将其应用 扩展 到类似液压挖掘机 等具有交变 负载特 性 的设 备中。 以满足峰值负载转矩要求，这也是混合动力的控制 原理。 1 可 以按照平均功率选择柴油机，意味着 同 等级别的挖掘机可 以用更小的柴油机驱动 ，有利于 降低成本 。 2 使柴油机输 出转矩 不再受设备工作负载变 化的影响，控制其工作点始终位于经济工作区，从 而取得更高燃油效率。 从以上分析可以看出， 转矩均衡控制f 包括油电 混合动力 非常有利于交变负载工况下柴油机工作 的稳定 ，尤其适用于工程机械领域 。 1 工程机械负载特点及发动机转矩均 恒控制原理 2 转矩均衡控制结构及建模仿真 图 1是实测的某小型液压挖掘机在实际挖掘作 业 中的负载状况L l 】 ，是工程机械负载工况 的典型代 表 。 其 中图 l a 是一小段工作时间内的负载状况 ，图 1 b是挖掘机在 1 0 mi n工作过程中的平均功率状况。 从图 1 a中可 以观察到， 挖掘机工作负载有两个显著 特点第一，功率变化剧烈，在峰值功率工况和空 载功率工况之间很少有中间状态；第二，空载工况 在整个工作过程 中所 占比例很高。因此从 图 1中可 看 出，尽管峰值功率的数值可达 1 5 k W，但从图 1 b 所示的整个工作过程中能看 出，平均负载功率并不 高 ，只有 4k W 左右。 ≥ 褥 唇 ≥ 褂 雷 4 3 0 4 4 0 4 5 0 4 6 0 47 0 48 0 时间 f ／ s a 1 0 mi n 工作时的液压负载功率 局部 时 间 s b 1 平均液压负载功率 图 1 实测挖掘机工况 根据 图 1 a所示的工况 ， 如果采用三档功率匹配 方式，柴油机和液压系统只能在峰值功率工况下实 现功率匹配，而在空载工况下则失去效果。解决办 法是采用转矩均衡控制方式 ，在液压负载空载工况 下柴油机 向储能元件储能，在峰值功率工况下通过 某种装置再释放出来 ，和柴油机共同驱动液压负载 由前面 的分析可知，转矩均衡控制 的关键在于 设置储能环节和能量释放环节 。在油电混合动力解 决方案中， 储能环节和能量释放环节用的是蓄 电池 、 发 电机和电动机 。如果采用 电液控制方案 ，则储能 和能量释放环节相应地是蓄能器、蓄能泵和液压助 力电动机，如图 2 a 所示。其中工作泵代表 向设备提 a 控制模型1 b 控制模型2 图2 柴油机转矩均衡控制模型 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 2 机械工程学报 第4 8卷第 1 8期 供动力的部件，即工作负载；助力泵和蓄能电动机 排量反向联动，其中一个排量增加则另一个相应减 小。这只是一种抽象出来的解决方案 ，在实际应用 中，这些部件之间的组合可 以有多种结构形式，蓄 能泵和助力 电动机也可 以合并为一个二次元件 ，如 图 2 b所示 ，其基本原理和分析方法是一致的。 图 2中，蓄能泵、助力电动机、工作泵和柴油 机通过齿轮传动结合在一起，其中的蓄能泵和助力 电动机是转矩均衡控制的关键。不失一般性 ，假设 图 2 中的齿轮传动比为 1 1 ，并假设机械效率为 1 0 0 ％。如果系统工作于稳定状态 ，则有如下的转矩 平衡方程 1 2 一 l 1 式中 死柴油机负载转矩 1 工作泵吸收转矩 蓄能泵吸收转矩 助力电动机输出转矩 蓄能泵和助力电动机转矩之和 工作泵转矩 ， 由工作负载随机决定 ，而蓄能 泵吸收转矩 T p 2 与助力电动机输出转矩 则可以通 过改变排量加以控制 。两者的合成转矩 2 一 q P 2 一q M p A q p 2 式中g p ， 蓄能泵排量 彻 助力电动机排量 蓄能泵与助力电动机排量之差 蓄能器压力 由于蓄能泵和助力 电动机排量反向联动，根据 上式， 在建模中可以将 看做是一个双向二次元件 的排量 。当设备处于空载工况时，控制△ 0 ，相当 于控制二次元件斜盘摆角为正，向蓄能器蓄能；在 设备处于峰值功率工况时，控制 A q O ，相当于控 制二次元件斜盘摆角为负，蓄能器释放能量，二次 元件辅助柴油机驱动峰值负载。两种工况下，都可 以将柴油机输 出转矩控制在设定值。如果采用比例 积分微分 P r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d i ff e r e n t i a l ， P I D 控制 算法，将 设为控制量 ，则可以表示为 { e t 伽 一 f ∽ KI L ’ ” O J 式 中P 控制误差 柴油机 目标设定转矩 ， 比例积分微分控制参数 根据 图 2及式 1 ～ 3 ， 可得到系统控制框图如 图 3 所示 。 n 0 是柴油机空载转速，由调速拉杆设定， n代表柴油机实际转速。其他符号含义见式 1 ～ 3 所示 ，箭头表示了各参数相对于各环节是输入量还 是输 出量 。 图 3 柴油机转矩均衡控制框 图 图 3中，蓄能器 的模型可根据气体状态方程表 示为 4 【 V o J Q d t J 式中 蓄能器容积 Q流入蓄能器的流量，也是双 向二次元 件输出流量 P 0 蓄能器初始充气压力 m气体多变指数，通常取 1 ． 4 双向二次元件模型可表示为 j O n A q - C L p 5 1 【 pA Aq 一 式中 内泄漏系数 柴油机转速 带有全程 调速 器的工程机械柴油机在 工作 中 其调速拉杆通常固定不变，因此其转矩一转速工作 点基本沿调速 曲线移动㈣ ，转速 随负载转矩变化 的 动态特性不明显f 转速随转矩变化无超调 ，如图 7 b 所示 ， 因此其负载转矩和转速关系可近似表示为线 性关系【 】 n n 0 一 6 式中 0 柴油机空载转速，由调速拉杆设定 k调速系数 ，可根据实际测试结果确定 根据图 3和式 1 ～ 6 ， 可对柴油机的转矩均衡 控制系统建模并进行仿真 。图 4是部分仿真结果， 仿真参数设定如表 1 所示。 从仿真结果来看，柴油机输 出转矩基本控制在 目标值 ，转速则稳定在 1 4 0 0 r ／ mi n左右 ，峰值负载 转矩几乎超 出发动机输出转矩一倍 ，表现出很强的 带负载能力，蓄能器压力则在 1 3 ～1 5 MP a波动 。 根据挖掘机 的实际负载状况 ，在仿真和试验中以方 波载荷模拟实际负载 ，加载及空载过程各 占 5 0 ％ 周期 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 9月 高峰等交变负载下工程柴油机液压转矩均衡控制模型及试验研究 1 6 5 GAO F e n g ． Re s e a r c h o n t h e e n e r g y s a v i n g t e c h n o l o g y o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r [ D] ． H a n g z h o u Z h e j i a n g U n i v e r s i t y , 2 001 ． [ 2 ] N AN J O I MANI S HI E ，KAG OS H I MA M．P o we r s i mu l mi o n f o r e n e r g y s a v i n g i n h y b ri d e x c a v a t o r [ J ] ． J S AE T r a n s a c t i o n ， 2 0 0 4 ， 4 7 4 4 1 0 1 1 0 6 ． [ 3 1 H I R O AK I I ． I n t r o d u c t i o n o f P C 2 0 0 8 h y b ri d h y dra u l i c e x c a v a t o r s [ J ] ． K o ma t s u T e c h n i c a l Re p o r t ， 2 0 0 8 ， 5 4 1 6 1 1 ． 6 ． [ 4 】王庆丰，张彦廷，肖清．混合动力工程机械节能效果 评价及液压系统节能的仿真研究[ J 】 ．机械工程学报， 2 0 0 5 ， 4 1 1 2 1 3 5 1 4 0 ． WA N G Q i n g f e n g ， Z H A NG Y a n t i n g ， XI A O Qm g ． E v M u a fi o n f o r e n e r gy s a v i n g e ffe c t a n d s i mu l ati o n r e s e arc h o n e n e r gy s a v i n g o f h y d r a u l i c s y s t e m i n h y b ri d c o n s t r u c tio n ma c h i n e r y [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 5 ， 4 1 1 2 1 3 5 1 4 0 ． [ 5 ] 刘刚，宋德朝，陈海明．并联混合动力挖掘机系统建 模及控制策略仿真[ J ] ．同济大学学报，2 0 1 0 ，3 8 7 1 0 7 9 ． 1 0 8 4 ． L I U Ga n g ， S ONG De c h a o ， C h e n Ha i mi n g ． Mo d e l i n g a n d c o n t r o l s tra t e g y o f p ara l l e l h y b rid s y s t e m i n h y dra u l i c e x c a v a t o r [ ． J o u r n a l o f T o n i U u i v e r s i t y , 2 0 1 0 ， 3 8 7 1 0 7 9 ． 1 0 8 4 ． [ 6 】 U S E n v i r o n me n t a l P r o t e c t i o n A g e n c Wo r l d ’ S fi r s t f u l l h y d r a u l i c h y b rid S UV p r e s e n t e d a t 2 0 0 4 S AE wo l d e o n g r e s s [ E B ／ OL ] ． 【 2 0 0 6 - 0 6 - 2 4 ] ． h t t p ／ ／ ww w． e p a ． g o v ／ o t a q ／ t e c hn o l o gy ／ 4 2 Of O4 01 9 ． p d E [ 7 】US E n v i r o n me n t a l P r o t e c t i o n Ag e n c H y dra u l i c h y b ri d t e c hno l y g a l - a p r o v e n a p p r o a c h [ E B ／ 0 L ] ．[ 2 0 0 6 - 0 6 2 4 ] ． h t t p／ ／ www． e p a ． g o v ／ o t a q ／ t e c h n o l o g y ／ 4 2 Of O4 02 4 ． p d f ． [ 8 】 I n s ti t u t e f o r t h e An a l y s i s o f G l o b a l S e c u r i ty． E P A d i s p l a y s t h e fi r s t a d v a n c e d h y d r a u l i c h y b ri d v e h i c l e [ E B ／ O L ] ． [ 2 0 0 6 0 6 2 4 ] ． h t t p ／ ／ w ww ． 1 a g s ． o r g ／ n O 3 3 1 O 4 t 3 ． h t m． [ 9 】魏英俊．新型液压驱动混合动力运动型多用途车的研 究[ J ] ．中国机械工程， 2 0 0 6 ， 1 7 1 5 1 6 4 5 ． 1 6 4 8 ． WE I Y i n g j u n ．S t u d y o n a n w t y p e o f h y dra u l i c h y b ri d s p o r t u t i l i ty v e h i c l e [ J ] ． C h i n a Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 1 7 1 5 1 6 4 5 - 1 6 4 8 ． [ 1 0 】刘顺安，姚永明，尚涛．基于二次调节技术的小型装 载机全液压驱动系统【 J 】 ．吉林大学学报， 2 0 1 1 ， 4 l 3 6 6 5 ． 6 6 9． LI U S h u n an ， Y AO Yo n g mi n g ， S HANG T a o ． F u l l h y d r a u l i c d r i v e s y s t e m o f mi n i typ e l o a d e r b a s e d o n s e c o n d a r y r e g u l ati o n t e c h n i c a l [ J ] ． J o u r n a l o f J i l i n U n i v e r s i ty, 2 0 1 1 ， 4 1 3 6 6 5 6 6 9 ． [ 1 1 】姚怀新，陈波，王海飞．工程机械发动机理论与性能 [ M] ．北京人民交通 出版社， 2 0 0 7 ． Y AO Hu a i x i n ，CHE N Bo ，WANG Ha i f e i ，T h e o r y an d p e rf o r ma n c e o f c o n s t r u c t i o n ma c h i n e d i e s e l [ M] ． B e ij i n g Ch i n a Co m mt mi c a t i o n s P r e s s ， 2 0 0 7 ． 作者简介高峰，男，1 9 6 8年出生，副教授 。主要研究方向为工程机械 节能。 E ma i l g a o f e n g z j u t ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m