電驅(qū)動小型液壓挖掘機功率匹配及能效特性研究.pdf

1、液壓挖掘機是一種重要的工程機械設(shè)備，集機械、液壓、電氣于一體，作業(yè)工況復(fù)雜。傳統(tǒng)液壓挖掘機由發(fā)動機驅(qū)動，發(fā)動機受負載波動影響較大，工作點常處于低效率區(qū)，且在能量傳遞過程中損耗較大。雖然在液壓挖掘機發(fā)動機與液壓泵的功率匹配、混合動力及能量回收、閥控系統(tǒng)的節(jié)能等方面進行了卓有成效的研究，但發(fā)動機固有的能量轉(zhuǎn)化率低、噪聲大、震動大、污染排放等問題依然限制著液壓挖掘機總體效率的提升。隨著社會的發(fā)展，對于在礦井巷道中、部分大型建筑的室內(nèi)等空間有限

2、的場地進行靈活的裝載、挖掘工作提出了零排放，低噪聲的新要求，傳統(tǒng)挖掘機已不能適應(yīng)這些場合。將節(jié)能、高效、噪聲低、抗震性好的變轉(zhuǎn)速電動機技術(shù)與高能量密度的液壓系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用于挖掘機液壓控制系統(tǒng)是一個重要的研究方向。本文在國家自然基金“分腔容積直驅(qū)電液控制系統(tǒng)能量高效轉(zhuǎn)換利用的理論與方法”（51575374）和國家自然科學(xué)基金重點項目“露天煤礦大型挖掘裝備高能效運行基礎(chǔ)研究”（U1510206）資助下，對變轉(zhuǎn)速-變排量液壓動力源在液壓挖掘機

3、中的應(yīng)用做了系統(tǒng)地研究，對電驅(qū)動的液壓挖掘機整機系統(tǒng)的運動特性和能效特性的提高做了有益地探索。在研究過程中，主要完成了以下內(nèi)容:
　　首先綜述了電鏟和液壓挖掘機動力源系統(tǒng)的演進過程，液壓挖掘機動力源系統(tǒng)的功率匹配和混合動力節(jié)能技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。結(jié)合當前社會對挖掘機零污染、低噪聲的要求，提出將抗震性好，性價比高的電驅(qū)動變轉(zhuǎn)速電動機替代原有的發(fā)動機，得到高效、節(jié)能的新型液壓挖掘機動力源系統(tǒng)的思路。同時闡述了進出口獨立控制技術(shù)研究現(xiàn)

4、狀，提出將泵閥復(fù)合流量匹配控制策略應(yīng)用于電驅(qū)動液壓挖掘機液壓缸驅(qū)動大慣量負載過程中以提高運行穩(wěn)定性，同時進一步降低系統(tǒng)能耗。
　　其次建立了電動機兩相旋轉(zhuǎn)坐標系和矢量控制算法數(shù)學(xué)模型，在數(shù)學(xué)模型分析的基礎(chǔ)上建立了simulationX仿真模型，通過仿真和試驗研究了三相異步電動機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩等靜態(tài)特性以及啟動和負載擾動等動態(tài)特性。針對三相異步電動機啟動速度慢的問題，應(yīng)用變轉(zhuǎn)速——變排量結(jié)構(gòu)優(yōu)化動力源動態(tài)響應(yīng)，提出動態(tài)使用電液比例柱塞

5、變量泵擺角控制的高響應(yīng)速度進行液壓源控制，穩(wěn)態(tài)使用變轉(zhuǎn)速控制進行能耗匹配的策略，提高了液壓源整體的動態(tài)響應(yīng)和能效特性。
　　再次論文針對三相異步電動機、液壓泵的能耗進行了理論分析、仿真和試驗研究。確定了電動機和液壓泵的高能效工作點，設(shè)計了變轉(zhuǎn)速-變排量功率匹配方案。結(jié)合低空轉(zhuǎn)能耗液壓動力源的專利，設(shè)計了變轉(zhuǎn)速電動機自動怠速控制策略。相比于工頻轉(zhuǎn)速空載狀態(tài)，自動怠速策略可使總輸入功率從4.141kW減少至0.727kW，節(jié)能率達82

6、.4％。
　　進一步論文中應(yīng)用泵閥復(fù)合流量匹配進出口獨立控制專利技術(shù)，抑制液壓缸驅(qū)動大慣性負載起動時的壓力波動。如動臂驅(qū)動大慣性負載過程中，阻抗伸出時，采用流量匹配基礎(chǔ)上疊加壓力控制的控制策略；超越回縮時，采用回油調(diào)速和流量再生的方法進行控制?；诙囿w動力學(xué)仿真軟件simulationX建立了應(yīng)用進出口獨立控制回路的電驅(qū)動液壓挖掘機機電液聯(lián)合仿真模型，仿真研究了電驅(qū)動液壓挖掘機的運動特性和節(jié)能特性。建立了以dSPACE為核心的挖掘