混合動力挖掘機動臂能量回收單元及系統(tǒng)研究.pdf

1、動臂能量回收是進一步降低混合動力挖掘機燃油消耗和廢氣排放的有效途徑，對改善挖掘機高能耗、高排放的現(xiàn)狀具有重要意義，相關(guān)研究還可為其它類型工程機械的能量回收提供一定的參考和借鑒。
　　對于混合動力挖掘機，能量回收的引入改變了動臂作業(yè)的控制模式，如何同時保證良好的節(jié)能性和操作性是當(dāng)前制約該技術(shù)實際應(yīng)用的瓶頸。為了解決該難題，論文提出了一種新型的動臂能量回收系統(tǒng)方案及工作原理:系統(tǒng)方案采用液壓馬達-發(fā)電機能量回收單元加串流節(jié)流閥結(jié)構(gòu)，在

2、工作原理上引入壓力補償?shù)乃枷?，即控制發(fā)電機使其電磁轉(zhuǎn)矩自動適應(yīng)負載壓力，一方面保證節(jié)流閥前后壓差恒定且較小，進而調(diào)節(jié)其閥口開度可有效控制動臂運動，另一方面由液壓馬達-發(fā)電機單元對能量進行回收再利用;根據(jù)矢量控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速信息和節(jié)流閥流量-壓差映射關(guān)系對節(jié)流閥壓差進行估計，并應(yīng)用于基于壓差控制的動臂能量回收系統(tǒng)，實現(xiàn)了可降低成本及復(fù)雜性的無傳感器控制方案。此外，論文對影響能量回收系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件——液壓馬達-發(fā)電機單元進行了深入研究:針

3、對能量回收發(fā)電機尺寸約束下保持高效率及低轉(zhuǎn)矩脈動的性能要求，提出了通過參數(shù)化電磁設(shè)計模型和有限元分析對其定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分步協(xié)同優(yōu)化的設(shè)計方法，兼顧了設(shè)計效率和準確性;分別在電氣和機械層面探討了液壓馬達-發(fā)電機單元的控制，設(shè)計了反饋和前饋相結(jié)合的電流控制器和帶擾動補償?shù)霓D(zhuǎn)速控制器，保證其在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速模式下均具有較為理想的動態(tài)性能。論文提出的一整套動臂能量回收系統(tǒng)設(shè)計和控制方法，可同時實現(xiàn)良好的動臂操作性和能量的高效回收，有力地推動了

4、動臂能量回收系統(tǒng)在混合動力挖掘機的實際應(yīng)用。
　　論文各章內(nèi)容分述如下:
　　第一章,闡述了當(dāng)前能源緊缺、環(huán)境惡化背景下開展挖掘機動臂能量回收研究的重要意義;介紹了工程機械動臂能量回收的研究現(xiàn)狀，分析了幾種能量回收方案的特點及存在的問題;針對適用于混合動力挖掘機的電氣式能量回收系統(tǒng)，介紹了液壓馬達-發(fā)電機能量回收單元的元件選型，并綜述了永磁發(fā)電機的設(shè)計和控制方法;最后提出了課題的主要研究內(nèi)容。
　　第二章,從總體上對混

5、合動力挖掘機動臂能量回收系統(tǒng)進行了研究。分析了系統(tǒng)作業(yè)工況特點，歸納了系統(tǒng)主要性能評價指標，包括節(jié)能性和操作性。提出了液壓馬達-發(fā)電機能量回收單元加串聯(lián)節(jié)流閥的新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。建立了系統(tǒng)主要元器件的數(shù)學(xué)模型，分析了能量傳遞流中各個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的損耗，探討了系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計問題，為進一步開展元件級的研究打下了基礎(chǔ)。
　　第三章,對能量回收發(fā)電機的設(shè)計及優(yōu)化方法展開了研究。針對能量回收發(fā)電機尺寸約束下保持高效率及低轉(zhuǎn)矩脈動的性能要求，提出

6、了定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)分步優(yōu)化的設(shè)計方法:先以結(jié)構(gòu)尺寸受限下的損耗最低為目標，基于參數(shù)化模型和粒子群算法獲得最優(yōu)的定子結(jié)構(gòu)參數(shù)和磁感應(yīng)強度分布;再以氣隙磁感應(yīng)強度的波形畸變最小為目標，利用有限元方法優(yōu)化永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)，并保證磁感應(yīng)強度的實際分布與定子優(yōu)化結(jié)果一致。分別對電樞反應(yīng)、永磁體最大去磁、間歇性作業(yè)下的溫升進行了計算和校核。研制了能量回收發(fā)電機樣機并進行了性能和參數(shù)測試，測試結(jié)果驗證了設(shè)計及優(yōu)化方法的有效性。
　　第四章,研究了

7、液壓馬達-發(fā)電機能量回收單元的控制。在電氣層面研究了永磁發(fā)電機的電流控制，為了降低反電動勢的影響，設(shè)計了帶前饋補償?shù)谋壤?積分電流控制器;在機械層面研究了液壓馬達-發(fā)電機單元的轉(zhuǎn)速控制，針對液壓馬達入口壓力變化劇烈的特點，引入了擾動補償以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。建立了相應(yīng)的仿真模型，對設(shè)計的控制方法進行了仿真研究。搭建了基于模擬加載的試驗臺架并進行了試驗研究，試驗結(jié)果表明，液壓馬達-發(fā)電機單元在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速模式均具有良好的控制性能，為進一步

8、研究動臂能量回收系統(tǒng)的控制方法提供了支撐。
　　第五章,研究了對動臂操作性具有主導(dǎo)性影響的能量回收系統(tǒng)控制方法。結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點提出了三種控制方法:直接轉(zhuǎn)速控制，通過控制液壓馬達-發(fā)電機單元的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)動臂液壓缸速度，節(jié)流閥基本處于全開狀態(tài);負載壓力控制，通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)動臂液壓缸速度，根據(jù)負載壓力反饋確定單元的目標轉(zhuǎn)矩;節(jié)流閥壓差控制，也通過節(jié)流閥調(diào)速，但根據(jù)節(jié)流閥壓差閉環(huán)控制確定單元的目標轉(zhuǎn)矩。推導(dǎo)了系統(tǒng)在各種方法下的傳遞函數(shù)，

9、根據(jù)對動態(tài)性能的分析和比較，論證了節(jié)流閥壓差控制具有最優(yōu)的頻響和阻尼特性。搭建了混合動力挖掘機動臂能量回收試驗臺架并進行了試驗研究，試驗結(jié)果驗證了理論分析。
　　第六章,進一步深入研究了基于壓差控制方法的能量回收系統(tǒng)。通過與定差減壓型壓力補償器的類比，將能量回收的原理由動臂下放過程擴展到包括提升和下放的全過程，并分析了兩種工況的可回收能量。為了避免使用額外的壓差傳感器以降低系統(tǒng)成本及復(fù)雜性，提出了利用矢量控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速反饋信息和