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浙江人学硕上学位论文 混合动力挖掘机势能回收系统的研究 摘要 随着社会的发展，挖掘机的数量大幅增长，其所消耗的资源、排放的污染物 以及在施工中产生的噪声、粉尘对能源和环境产生了难以估计的负荷。因此，国 内外各挖掘机生产厂家和研究机构在挖掘机的节能方面进行了不同程度的研究。 节能的研究主要有两个方面：提高能量利用率和能量回收。前者可以通过电液比 例控制智能化、柴油机电喷控制、负荷传感控制、泵的多功能组合和提升泵与发 动机的智能化匹配程度等技术来实现，而这些技术中的许多已经相当的成熟，要 想进一步提升会有不小的难度；后者在混合动力技术的大力发展及能量回收系统 成功应用于汽车上，并较大幅度提高了其能量二次利用率的背景下，已经引起了 世界上很多大的工程机械公司和研究机构的兴趣，其在挖掘机上的应用必将对节 能幅度的提升产生不小的影响。 本文以5 吨级液压挖掘机为对象，针对目前挖掘机上存在的动臂、斗杆和铲 斗下降后因势能无法回收而造成的能量损失以及由此而引起的液压元器件发热、 失效加速磨损等问题，基于混合动力提出了一种由液压缸、节流阀、变量马达和 发电机组成的挖掘机势能回收系统，并利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 建立了 该系统的仿真模型，分析了各定量、变量参数和系统响应频率之间的关系，重点 研究了各变量参数对系统的能量回收效率、能量回收速度、以及挖掘机工作效率 的影响，并根据仿真结果及实际情况提出了对各个变量参数的一套控制方案，使 该系统的回收效率尽可能地达到最大。 论文主要分为以下几个部分： l 、分析了液压挖掘机节能的重要意义，介绍了挖掘机上工作元件、液压系 统和发动机一泵功率匹配等节能控制技术的发展情况，以及国内外各公司混合动 力发展与应用和现有能量回收系统的原理与应用，同时提出了本文课题，说明了 设计适合混合动力挖掘机的能量回收系统的必要性和可行性，并概述了本课题的 研究内容和论文所进行的研究工作。 2 、利用d h 方法给混合动力挖掘机工作装置的动臂、斗杆和铲斗分别建立 了各自的坐标系，并以此和他们之间的换算关系建立了该机构的运动学模型，最 后利用拉格朗日方法推导出了其动力学理论模型。 浙江大学硕士学位论文 混合动力挖掘机势能回收系统的研究 3 、根据混合动力挖掘机自身的特点，设计出了完整的势能回收系统，并对 该系统中液压部分的各个元件进行建模，以及这些模型之间的整合，推导出系统 的传递函数，和系统的液压固有频率，根据分析出的变量及定量参数对该频率的 影响，针对性地提出了几条提高系统响应速度的方法。 4 、根据第二章建立的动力学模型，仿真出各个液压缸所受的负载，并定性 地判断出在工作装置下降后，每个液压缸所能获得的液压能的大小，略去较小部 分，对大的进行回收。同时分析了各个参数对系统总能量回收效率的影响，并通 过对仿真中回收情况的观察提出对参数的控制方法，使系统的回收效率尽可能地 达到最大。 5 、概括了论文的主要研究工作和成果，并展望了今后的研究工作和方向。 关键词：挖掘机势能能量回收系统节能仿真 i i 浙江大学硕士学位论文混合动力挖掘机势能回收系统的研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，t h en u m b e ro fe x c a v a t o r sh a si n c r e a s e dq u i c k l y i nt h ec o u r s eo fc o n s t r u c t ，a l lt h er e s o u r c ec o n s u m e d ，t h ep o l l u t a n tr e l e a s e da n dt h e n o i s em a d eb ye x c a v a t o r sh a sm a d eai n c a l c u l a b l el o a dt oe n v i r o n m e n ta n de n e r g y ，s o m a n ye x c a v a t o rm a n u f a c t u r e sa n di n s t i t u t e sa th o m ea n da b r o a dh a v et a k e nm u c h r e s e a r c hi ne n e r g ys a v i n g e n e r g ys a v i n gi n c l u d e st w os i d e s ：i n c r e a s i n ge n e r g yu s a g e a n de n e r g yr e c o v e r y t h ef o r m e rc o u l db er e a l i z e db yt e c h n o l o g i e ss u c ha s e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l ，e f id i e s e le n g i n ec o n t r o l ，l o a d s e n s i n gc o n t r o l ， i n t e l l i g e n tm a t c h i n gb e t w e e np u m pa n de n g i n e ，e t c a n dm u c h o ft h e s et e c h n o l o g i e s a r em a t u r e ，s oi tw i l lb eh a r dt oi m p r o v ef u r t h e r i nt h eb a c k g r o u n do fd e v e l o p m e n to f h y b 订dt e c h n o l o g y ，t h el a s th a sb e e nu s e di nc a r s ，a n di m p r o v e se n e r g y ss e c o n d a r y a p p l i c a t i o n ，s oi ta t t r a c t sal o to fw o r l d sl a r g e s tc o m p a n i e sa n di n s t i t u t e si n t e r e s t i f t h ee n e r g yr e g e n e r a t i o ns y s t e mi su s e do ne x c a v a t o r , i tm u s tb eh e l p f u lf o re n e r g y s a v i n g t os o l v et h ep r o b l e m ss u c ha sh e a t i n g ，i n a c t i v a t i o n ，a n dw e a r i n gc a u s e db ye n e r g y l o s sw h e nt h ea l t n ，t h eb o o m ，a n dt h eb u c k e tf a l ld o w n ，b a s e do nh y b r i dt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rp r o p o s e sa ne n e r g yr e g e n e r a t i o ns y s t e mm a d eu po ff l u i dc y l i n d e r , t h r o t t l e v a l v e ，v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tm o t o ra n de n g i n e i nt h i sp a p e rt h ea u t h o rb u i l d st h e m o d e lo ft h es y s t e m ，a n a l y s i st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nq u a n t i t a t i v ep a r a m e t e r s ， v a r i a b l ep a r a m e t e r sa n ds y s t e m sr e s p o n s ef r e q u e n c y ，r e s e a r c h e so nt h ev a r i a b l e p a r a m e t e r st ot h ei m p a c to fe f f i c i e n c ya n dv e l o c i t yo fe n e r g yr e g e n e r a t i o ns y s t e m ，a n d w o r ke f f i c i e n c yo ft h ee x c a v a t o r a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l ta n da c t u a l s i t u a t i o n ，ac o n t r o lm e t h o dt ov a r i a b l ep a r a m e t e r si sp r o p o s e dt or e a c ht h eb e s tr e s u l t a sf a ra sp o s s i b l e t h i sp a p e ri n c l u d e ss e v e r a lp a r t sa sf o l l o w s ： 1t h i sp a r ti n t r o d u c e st h em e a no fe n e r g ys a v i n gi ne x c a v a t o r , t h ed e v e l o p m e n to f c o n t r o lt e c h n o l o g yi ne n e r g ys a v i n gs u c ha si m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fh y d r a u l i c c o m p o n e n t sa n dp o w e rm a t c h i n gb e t w e e ne n e r g ya n dp u m p ，t h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no fh y b r i ds y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o no fp r e s e n te n e r g yr e g e n e r a t i o ns y s t e m a st h es a m et i m e ，t h et o p i co ft h ep a p e ri sr a i s e d t h en e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yo f d e s i g n i n gas u i t a b l ee n e r g yr e g e n e r a t i o ns y s t e mf o rh y b r i de x c a v m o r a r es h o w e d t h e c o n t e n ta n dt h er e s e a r c ha b o u tt h et o p i ca r eo v e r v i e w e d 2c o o r d i n a t es y s t e m sf o ra r l r l ，b o o ma n db u c k e ti nh y b r i de x c a v a t o ra r ef o u n d e db y u s i n gd hm e t h o d f r o mt h e s ec o o r d i n a t es y s t e m sak i n e m a t i c sm o d e li sb u i l t ，a n di n t h ee n dad y n a m i c a lm o d e li sd e d u c e db yf o r m u l al a g r a n g e 3a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh y b r i de x c a v a t o lac o m p l e t ep o t e n t i a le n e r g y r e g e n e r a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d t h em o d e l so ft h eh y d r a u l i cp a r t sa r eb u i l t ，a n da f t e r i n t e g r a t i n gt h em o d e l s ，t h et r a n s f e rf u n c t i o na n dh y d r a u l i cn a t u r a lf r e q u e n c yo ft h e e n e r g yr e g e n e r a t i o ns y s t e ma r eo b t a i n e d s e v e r a lm e t h o d sf o ri n c r e a s i n gr e s p o n s e s p e e da r ep r o p o s e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h ei n f l u e n c et ot h e 行e q u e n c yb yc h a n g i n g v a r i a b l ea n df i x e dp a r a m e t e r s 4a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cm o d e lt h a tb u i l ti nc h a p t e r2 ，t h el o a do ff l u i dc y l i n d e r i ss i m u l a t e d ，a n dt h r o u g hq u a l i t m i v ea n a l y s i st ot h ee n e r g yt h a tf l u i dc y l i n d e rg e t s ，t h e s m a l l e rp a r ti s i g n o r e d i nt h ec o u r s e o fs i m u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c et ot h et o t a l e f f i c i e n c yo ft h es y s t e mb ye v e r yp a r a m e t e ri sa n a l y z e d f r o mt h i sa n a l y s i ss o m e c o n t r o lm e t h o d st ot h ep a r a m e t e r sa r ep u l l e do u tt or e a c ht h eb e s tr e s u l ta sf a ra s p o s s i b l e 5a l lt h er e s e a r c ha n dr e s u l t sa r ei n c l u d e d ，a n dt h ed i r e c t i o no ft h er e s e a r c hn e x ti s s h o w e d k e y w o r d s ：e x c a v a t o r ；p o t e n t i a le n e r g y ；e n e r g yr e g e n e r a t i o ns y s t e m ； e n e r g ys a v i n g ；s i m u l a t i o n i v 学号2 q 鱼q 墨1 5 q 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘茎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 一虢身磊撕期：啦年7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘茔有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 虢劣孙 签字日期：3 g 年7 月等日 导师签名： 所修 签字日期：汐锌7 月千日 浙江大学硕士学位论文 混合动力挖掘机势能回收系统的研究 第一章绪论 1 1 、引言 随着工程机械品种和数量的不断增加，大量工程机械所消耗的资源、排放的 污染物以及施工中产生的噪声、粉尘对能源和环境产生了难以估计的负荷。自上 世纪末期，发达国家的工程机械也已经进入信息时代，在节能与环保、安全技术、 自动化控制技术、可视化技术、人机工程、故障诊断与监控系统、机群作业信息 和控制等方面开始大量应用，并相应出台了技术标准。我国工程机械的环保和节 能起步较晚，尚缺乏相应的技术法规和标准，有关环境、安全、人机等方面缺乏 标准和指标过低，阻碍了工程机械的发展。近几年的国际贸易争端由关税壁垒正 逐步向环境壁垒转移，“环境”已成为制约和限定贸易自由化的新因素，工程机 械的产品设计与制造要考虑适应能源需求和环境生态发展的要求，开发研制环 保、节能型产品是今后工程机械发展的趋势。 在液压挖掘机领域，节能控制的目的不仅仅是提高燃油利用率，更重要的意 义是在于能够取得一系列降低使用成本的效果。资料显示，工程机械将近4 0 的故障来自液压系统，1 5 左右的故障来自发动机1 1 i 。i l l 采用节能技术后，可以 提高发动机功率的利用率，减少液压系统功率损失，使动力系统与负载所需功率 更好地匹配，从而降低了发动机和液压元件的工作强度，提高了设备在使用中的 可靠性1 3 i 。 当挖掘机的液压系统节能效果较差时，主要表现为系统严重发热1 3 i ，有的甚 至高达8 0 以上，严重影响系统的可靠性。液压油温过高带来的问题主要有以 下几点1 4 1 1 5 1 1 6 j ： ( 1 ) 过高的温度使橡胶密封产生软化、膨胀、硬化及龟裂等现象，并过早 老化，进而使系统密封效果变差。挖掘机在使用中导致液压系统失效的一个重要 原因就是密封件失效，在维修时经常在多路阀、溢流阀等处发现被液压油冲坏的 密封橡胶残片。 ( 2 ) 使液压油的粘度降低，不利于润滑油膜的形成，从而加速了液压系统 内部运动部件的磨损，进而使系统泄漏增加，降低容积效率。 浙江大学硕士学位论文混合动力挖掘机势能回收系统的研究 ( 3 ) 由于油液粘度的下降，还会使运动副间的油膜被破坏，造成摩擦阻力 增大，反过来影响系统发热。 ( 4 ) 使热膨胀系数不同的运动副间的间隙变小而发生阻卡现象，引起动作 失灵。 ( 5 ) 使液压油的氧化、污染作用明显加剧，加速了液压元件的磨损。油温 超过5 5 c 时，油温每升高9 。c 油液寿命降低一半。油温过高还导致油中的空气分 离压降低，易于产生气穴，使系统性能降低。 ( 6 ) 由于以上几种原因造成的维修费用增加、误工损失等，使用户难以承 受。 采用节能系统，有助于降低系统发热，提高系统设备的可靠性和工作寿命， 降低系统的装机功率，从而在一定程度上降低设备的制造和维护成本。另外，工 程机械在使用过程中，燃油成本约占“机器寿命范围”内使用成本的2 5 ，而在 我们国家，仅去年一年，就大约有卜5 万台新挖掘机投入应用7 ，如果加上已 经在使用的挖掘机，我国的挖掘机数量在十几万之巨，因此采用节能控制技术后， 可以在取得有效地降低燃油消耗率，降低使用过程中的燃油成本的经济效益的同 时，为环保做一定的贡献。 1 2 、国内外挖掘机节能控制发展趋势 针对挖掘机中的各种产生发热的节流损失、溢流损失、沿程损失、机械损失、 动能和势能损失等功率损失1 8 i i 州i i 引，世界上许多著名的工程机械和液压件生产厂 商相继开发出一系列液压元件和控制技术1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 3 i ，以提高挖掘机系统效率。从 国内j l - 发展状况来看，液压挖掘机的节能控制有以下发展趋势1 1 4 卜1 3 1 1 ： ( 1 ) 电液比例控制智能化 电液比例控制在8 0 年代初就开始应用于工程机械，到目前为止已经在液压 挖掘机上得到了大量应用。电液比例技术用于工程机械，可以省去复杂、庞大的 液压信号传递管路，用电信号传递液压参数，不但能加快系统响应，而且使整个 挖掘机动力系统控制更方便、灵活。进入9 0 年代后，随着计算机技术的发展， 电液比例控制更进一步“智能化 ，电液比例泵和比例阀的应用日益增多，从而 出现了“智能化液压挖掘机”。这种智能化主要体现在以下几个方面。首先，计 2 浙江大学硕士学位论文混台动力挖掘机势能回收系统的研究 算机能够自动监测液压系统和柴油机的运行参数，如压力、柴油机转速等，并能 根据这些参数自动控制整个挖掘机动力系统运行在高效节能状态；其次，能够完 成一些半自动操作，如平地、斜坡的修整等，对司机的熟练程度要求降低，但工 作质量却能够得到大幅度提高；第三，能够根据监测到的运行参数进行故障诊断， 便于挖掘机的维护。这些功能的出现，使挖掘机性能得以大幅度提高。 ( 2 ) 柴油机电喷控制 在传统的机械调速柴油机上，喷油泵的循环供油量、喷油提前角等都受到转 速影响，使柴油机性能难以进一步提高。在柴油机上应用电喷控制后，可以使泵 的循环供油量和喷油提前角不再受转速的影响，从而使挖掘机能够一直工作在最 佳状态，而且加快了响应速度。开发柴油机电喷控制器是提高挖掘机节能性的一 个重要环节。 ( 3 ) 负荷传感控制将继续发展 负荷传感控制从2 0 世纪7 0 年代开始兴起，各工程机械液压件生产厂商纷纷 推出了一系列有关产品。这种系统具有良好的节能性和操纵性，即使不熟练的司 机也能很快适应。比例流量分配阀的出现进一步推动了负荷传感技术在挖掘机上 的应用，使挖掘机操纵性进一步提高，解决了西方国家由于熟练司机的缺乏而带 来的问题。因此，负荷传感控制挖掘机不仅在发达国家的需求将会进一步上升， 而且会带动发展中国家远远未饱和的市场。 4 ) 六通多路阀继续存在 尽管采用四通阀的负荷传感系统能提供精确操作，但并非所有场合都需要精 确操作，而且熟练司机也能用非负荷传感系统挖掘机完成精确操作。更重要的是， 负荷传感系统价格较高，限制了它在发展中国家的应用。目前，世界上许多著名 的挖掘机生产厂商，其产品中既有使用四通阀的负荷传感控制挖掘机，也有使用 六通阀液压系统如正流量、负流量控制的挖掘机。成熟的制造技术和低廉的价格 将会使六通多路阀继续发挥作用。 5 ) 进一步改进阀控节能控制 在采用六通多路阀的液压系统中，仍然有许多可以改进的地方，如操纵性、 节能性等，至今国j a = 5 , t - 各挖掘机生产厂仍在研究。 浙江大学硕士学位论文混合动力挖掘机势能回收系统的研究 6 ) 多功能组合 为提高挖掘机性能，各种节能措施的结合将更加广泛。在以往的系统中，液 压泵上已经集成有多种功能，但由于各种条件的限制，一般不超过三种。如图 1 1 带电控正流量控制的a ii v o 泵中，就集成有压力切断、正流量控制和功率限 制功能，目前市场上比较流行的各种液压泵原理图中，也都集成有多种功能。随 着液压技术的发展，有可能在泵上集成更多的功能。 图卜1 行电控正流蕈弪制的a i i v o 泵 7 ) 可变参数控制 为使挖掘机更好地适应各种工况下的负载要求，动力系统内部一些控制元件 的设定参数将不再是固定值，而是能随着挖掘机具体工作状况而改变。例如，在 日立建机生产的e x 系列挖掘机上，负荷传感阀上的压力补偿器设定压差就能随 工作状况而改变，增强了挖掘机工作时的适应性。可以预测，在将来的挖掘机动 力系统中，将会有更多的控制参数可以调节，从而侵挖掘机工作效率更高、操纵 更容易。 8 ) 泵与发动机匹配控制将进一步“智能化 借助计算机控制技术，泵与发动机的匹配控制将进一步实现“智能化”，两 者之间的结合将更密切，实现一体化控制。在这种控制中，控制器能根据工作状 况的变化，自动对液压泵和发动机进行调整，在保证输出功率满足工作需要的同 时，使燃油消耗量最低。 9 ) 现场总线技术和嵌入式系统将大量应用 4 浙江大学硕士学位论文 混合动力挖掘机势能回收系统的研究 随着液压挖掘机“智能化”程度的提高，各种传感器、控制器将遍布挖掘机 各处，这将导致挖掘机内部充斥各种导线、接头，使控制系统变得复杂、可靠性 降低。解决这一问题的方法是采用现场总线，用一条串行线将所有的传感器、控 制器和执行器连接起来，在保证系统具有强大功能的同时，具有简单的结构和高 可靠性。目前，在行走机械领域，已经有了这样一种现场总线，称为c a n 总线， 但还未在挖掘机上得到普遍应用。电子技术的发展使控制芯片的体积更小，功能 更强，在挖掘机上几乎不占任何空间，能完全嵌入到各种部件内部，这也是将来 挖掘机控制系统的发展方向。 1 0 ) 能量回收系统的应用 随着混合动力汽车的诞生、应用以及量产，其能量回收系统的概念也逐渐被 应用到挖掘机上。蓄电池和超级电容等电气式能量存储单元的快速发展，使它们 成为回收系统的一部分，并将挖掘机每个动作循环中的动臂、斗杆的下降势能以 及回转平台的动能，通过液压马达和发电机，转化为电能存储在其中，进行能量 的二次应用，使得能量的利用率进一步提高，实现节能。 1 3 、本文课题的提出 液压挖掘机作为一种灵活的多功能工程机械，节能性一直是其追求的目标。 传统工程机械的能量利用率较低，仅为2 0 左右。当今世界，能源短缺，油价不 断上涨，节省燃油，提高操作效率，就意味着提高了设备的性价比，因此国外各 大公司均把节能技术作为科技重点发展目标，以提高其产品在世界市场上的竞争 力。国内各挖掘机生产厂家则积极与高校科研机构或国外大型工程机械公司联 合，在原有机器上进行改进等，在一定程度上提高了挖掘机的效率，但是在新产 品的研发上却投入较少。 混合动力技术已经在汽车上得到了成功应用，在节能方面显示了良好的经济 效益，在环保方面发挥了重要作用，而在液压挖掘机上的应用还处于初期的探索 阶段。 本课题主要以液压挖掘机的节能降耗为主要目的，旨在通过理论分析、系统 仿真分析，来设计混合动力液压挖掘机的能量回收系统，掌握该能量回收系统对 液压挖掘机节能效果以及工作性能的影响规律，为混合动力液压挖掘机的产品开 浙江大学硕士学位论文混合动力挖掘机势能回收系统的研究 发提供设计依据。 1 4 、混合动力液压挖掘机节能研究现状 1 4 1 混合动力系统简介 在2 0 世纪末，能源匮乏的问题日益凸显，汽车的排放法规却日趋严格，燃 油车的劣势逐渐暴露，混合动力的概念随之被提出。随着世界上第一辆由丰田公 司制造的汽电混合动力汽车p r i u s ( 该车名出自拉丁语，意为“超前”) 的诞生， 越来越多的公司开始关注混合动力，开始投入研发和生产，到目前已经生产出多 款混合动力汽车，并成功应用。这些汽车有效地提高了发动机的能量利用率，并 对降低尾气排放发挥了重要作用。 根据参与驱动系统的能量形式不同，混合动力系统理论上可分为多种类型。 目前最常用的主要有以下几种1 3 2 1 1 3 3 i ：分别如图1 2 串联混合动力系统，图1 3 并 联混合动力系统，图1 - 4 混联混合动力系统： 发 图卜2 串联混合动力系统 串联混合动力系统中，发动机e 输出的动力全部通过发电机g 发电，其中一 部分电能通过变流器和逆变器带动电动机m ，驱动执行机构动作，多余的能量储 存在储能元件b 电池中。相对于其它两个系统来说，该系统排污量低，安装结构 简单，布置灵活度高，控制系统简单，总体效率也较高，但电池使用量大，初始 成本高，维护费用高。 发动机发电机电动机 电池 图卜3 并联混合动力系统 并联混合动力系统中发电机e 输出的机械能一部分直接用来驱动执行机构 做动作，多余的机械能则通过电动发电机m 发电，并经过变流器将能量存储到 电池b 中。相对于其它两个系统来说，该系统维护费用低，电池使用量小，总体 6 浙江人学硕士学位论文混合动力挖掘机势能回收系统的研究 效率高，但控制系统复杂，排污量高，安装结构较复杂，布置灵活度低，初始成 本较高。 混联混合动力系统是串并联的结合，通过控制离合器的开闭，在不同工况下 可以得到不同的连接方式，使得系统工作更加灵活，提高了系统的综合性能。与 前两个系统比较，该系统布置灵活度高，维护费用低，电池使用量较小，排污量 中等，总体效率很高，但是其控制系统和安装结构都较为复杂，而且初始成本很 高。 发动机 离合器离合器 图卜4 混联混合动力系统 1 4 2 混合动力系统在汽车和工程机械领域的应用概况 日本和欧美国家在混合动力的应用研究起步较早，已经将其应用到轿车、公 交车、卡车、工程机械等动力系统中，并且相继推出了自己的产品1 3 4 卜1 4 0 1 。 汽车方面：日本的各大汽车公司走在了最前面，美国主要汽车制造商关于混 合动力汽车的开发工作也一直持续进行，欧洲主要汽车制造商也在积极进行混合 动力汽车的开发与研究，但思路有所不同，主要以大巴为主。目前各大公司的主 要混合动力汽车如表1 1 所示1 4 。 另外，美国还把混合动力的概念拓展到了军事领域，研制出了混合动力坦克。 在国内，很多汽车厂家和研究机构都参与了混合动力车辆的研发工作1 4 2 i 州i 剐， 其中第二汽车制造厂的混合动力轿车，北京理工大学的混合动力大客车，哈尔滨 工业大学的燃料电池大客车比较出色。值得一提的是，由北京理工大学研制的混 合动力大客车在2 0 0 5 年1 1 月2 3 日北京国际清洁汽车技术展览会上受到来自欧 洲客商的青睐。 工程机械方面：2 0 0 3 年日立建机推出了世界上第一台混合动力轮式装载机； 2 0 0 4 年5 月，小松公司则推出了世界上第一台试验型混合动力液压挖掘机；随 后神钢和卡特彼勒等公司也推出了自己的混合动力挖掘机1 4 9 1 1 5 0 1 1 5 1 1 。 7 浙江大学硕士学位论文混合动力挖掘机势能回收系统的研究 目前国内在液压挖掘机功率匹配节能控制方面的研究比较多，但也有为数不 多的单位在研究混合动力在工程机械方面的应用，主要研究内容是油电混合动力 技术方面。 表1 - 1 各大公司的主要混合动力汽车 国家公司 品牌 推出时间 日本丰田 p r i u s 1 9 9 7 ( i ) 2 0 0 3 ( i i ) 2 0 0 5 ( i i i ) 日本本田 i n s i g h t c i v i c 19 9 9 2 0 0 2 p r e c e p t s a t u r nv u e 美国通用 2 0 0 0 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 c h e v r o l e ts i l v e r a d o c h e v r o l e tm a l i b u 美国福特 e s c a p e 2 0 0 5 戴姆勒克 d o d g e r a m 美国 2 0 0 6 莱斯勒 m e r c e d e ss c l a s s 德国 大众 g o l f | 瑞典沃尔沃 e c c| 1 5 、能量回收系统研究和应用概况 文献1 5 2 1 1 5 3 1 5 4 1 中提到了一种利用多路阀来进行能量回收的方案。 在日本川崎重工株式会社九十年代开发的k m x l 5 r 型多路阀中，斗杆1 换向 阀有两个回油通道t l ，t 2 ，且在t l 通油箱的通道上设置了一个二位二通阀( 如图 1 5 ) ，并从斗杆无杆腔进油通道上将压力油引至该二位阀底部。当斗杆缸无杆腔 进油压力升高，作用于二位阀底部的力大于其上端弹簧力时，该二位阀向上换位， t l 回油通道接通。否则，二位阀处于图示位置，t l 回油通道被切断。 当斗杆l 换向阀：签右移，主泵向斗杆缸有杆腔供油时，斗杆缸无杆腔回油。 此时斗杆缸无杆腔经t 2 回油畅通，压力不高，二位阀处于图示位置。无杆腔回 油经t 2 返回油箱，斗杆上升。当斗杆l 换向阀：签左移而主泵对斗杆缸无杆腔供 油，铲斗不触地时，在斗杆、铲斗及斗内物料自重的作用下，斗杆会迅速下降致 使斗杆缸无杆腔的压力降低，二位阀处于图示位置。由于此时斗杆缸有杆腔经 浙江大学硕上学位论文混合动力挖掘机势能回收系统的研究 t l ，通往油箱的通道被切断，该腔压力必然上升，当其高于无杆腔压力时，有杆 腔压力油打开主阀芯内设置的单向阀进入斗杆缸无杆腔对其补油防止无杆腔吸 空，下降过程中由势能经动能转化的液压能被回收利用。若设斗杆缸大、有杆腔 作用面积以及斗杆缸行程分别为a l ，a 2 和l ，当采用传统的多路阀时，斗杆缸 伸出过程中从有杆腔排出的压力油a 2l 全部经节流阀返回油箱使系统发热。设 泵的供油量为q ，则此时一斗杆缸的伸出速度为q a l 。而设置了再生回路的 k m x l 5 r 型多路阀在同样的过程中，若不计损失，从斗杆缸有杆腔排出的这部 分压力油被全部回收供给其无杆腔，而斗杆缸的伸出速度则加快为q ( az - a 2 ) 在节能的同时又加快了斗杆的下降速度。 图卜5 斗杆缸传动凹路巾的再生油路 当斗杆继续下降铲斗触地，由于斗杆缸继续伸出受阻，导致其无杆腔压力上 升直到其大于有杆腔压力时，换向阀芯内单向阀被关闭。由于有杆腔回油被切断 又进一步使无杆腔压力升高，当无杆腔压力油产生的作用力足以克服二位阀上端 弹簧作用力使二位阀换位时，t l 回油箱通道被接通，有杆腔回油畅通，斗杆缸即 转入挖掘状态。 文献1 5 5 1 1 5 6 5 i7 中捉到了应用于液压电梯下降势能回收的能量回收系统。 系统结构原理如图1 - 6 所示，包含两个独立的液压回路：一个是存储和释放 能量的蓄能器回路；另一个是与标准全程变频驱动液压电梯控制系统相同的主回 路。该文献提出的节能系统思路为：通过液压泵马达3 与蓄能器8 组成的压力一 9 浙江大学硕士学位论文 混合动力挖掘机势能回收系统的研究 能量转换装置，在电梯轿厢上行过程中，为主回路电机轴提供附加动力；而在下 行时，将轿厢势能和动能通过压力能量转换装置将压力能存储在蓄能器中。 1 、电机2 、主回路泵马达3 、蓄能器回路泵马达4 、过滤 器5 、开关电磁阀6 、1 4 、单向阀7 、1 1 、安全阀8 、蓄能器 9 、液控孽向阀1 0 、柱塞缸1 2 、1 3 、光电编码器 图卜6 带蓄能器的变频液压电梯系统结构原理图 文献1 5 6 1 1 5 8 | 中也提到了一种应用在电动汽车上的制动能量回收系统。 2 3 6 1 、制动踏板2 、控制单元3 、发动机4 、传动系5 、驱动轮6 、低压蓄 能器7 、高压蓄能器8 、二通插装阀9 、安全阀1 0 、过滤器1 1 、双向 变量泵一马达1 2 、排量控制油路 图i - 7 车辆制动能回收系统原理图 车辆制动能量回收系统以双向变量泵马达为能量转化装置，以皮囊式蓄能 器为能量储存单元，系统布置简图如图1 - 7 所示。在车辆制动时，控制单元2 根据 l o 浙江大学硕士学位论文 混合动力挖掘机势能回收系统的研究 制动踏板1 的制动强度要求，打开二通插装阀8 ，使高压蓄能器7 与双向变量泵 马达1 l 高压端接通，同时也供给泵马达排量来控制油压，操纵泵马达排量在 正方向，使它以泵的方式工作，车辆的动能带动泵马达旋转，起到阻力源作用， 同时把低压液压油压入液压蓄能器转化为高压油，实现能量的回收转化。系统在 作辅助动力源时，把泵马达排量调整到反方向，这样可做到高低压油路端口不 变，旋转方向不变。这时泵马达以马达的方式工作，打开二通插装阀8 ，高压蓄 能器7 中的高压油推动泵马达旋转，辅助车辆起步。 1 6 、本文研究的主要内容 ( 1 ) 混合动力挖掘机工作装置负载模型研究 对混合动力挖掘机的工作装置( 包括动臂、斗杆和铲斗) 建立d h 坐标系， 通过在各关节建立局部坐标系，并以此和他们之间的换算关系建立该机构的运动 学模型。推导工作装置在重力作用下自动下降时，各关节重心的速度、运动状态 等，用拉格朗日方法推导出其动力学理论模型。 ( 2 ) 混合动力挖掘机能量回收系统的设计 参考液压电梯、混合动力汽车等液压能量回收系统，充分考虑回收系统的复 杂度、控制性能、回收效率、系统性价比等综合因素，根据液压挖掘机的特点， 来有效选择系统所需元器件，并设计出合理的回收系统液压原理。 ( 3 ) 混合动力挖掘机能量回收系统的建模和仿真 根据已经设计出来的液压原理，以几5 0 液压挖掘机为原型，建立液压缸负 载压力模型、液压缸模型、节流阀模型、液压马达模型等数学模型，并基于 m a t l a b 所提供的s i m u l i n k 仿真模块建立仿真模型，在上述液压挖掘机仿真模 型的基础上，以一个标准能量回收周期为仿真周期，在不同的可控元件参数环境 下进行仿真。 ( 4 ) 混合动力挖掘机能量回收系统仿真结果分析 根据已经做出来的仿真结果，对能量回收率、能量损失点以及每个能量损耗 环节的损失情况进行分析，并根据分析结果对系统中的参数进行控制调节，以达 到最佳的能量回收效果。 浙江大学硕士学位论文 混合动力挖掘机势能回收系统的研究 1 7 本章小结 分析了液压挖掘机节能的重要意义，介绍了挖掘机上工作元件、液压系统和 发动机泵功率匹配等节能控制技术的发展情况，以及国内外各公司混合动力发 展与应用和现有能量回收系统的原理与应用，同时提出了本文课题，说明了设计 适合混合动力挖掘机的能量回收系统的必要性和可行性，并概述了本课题的研究 内容和论文所进行的研究工作。 浙江大学硕士学位论文混合动力挖掘机势能回收系统的研究 第二章工作装置负载模型研究 挖掘机的工作装置是一个三旋转关节开式链机构，它具有三个自由度，如图 2 1 。工作装置的运动学和动力学模型可以根据机器人关节基本理论0 5 9 1 1 6 们得出。 其中运动学模型根据d e n a v i t - h a r t e n b e r g 方法建立，动力学模型通过对每个关节 列写拉格朗日方程得到。本章所得出的结论，可以作为第四章能量回收系统的负 载模型，为系统的仿真分析奠定基础。 2 1 结构运动参数的设定和计算 2 1 1 结构运动参数的设定 对挖掘机的工作装置建立坐标，如图2 1 。 y y 3 图2 - l 挖掘机的工作装置 液压挖掘机的工作装置在不考虑随回转机构旋转的情况下具有三个自由度， 其运动学模型采用d e n a v i t - h a r t e n b e r g 规则定义连杆坐标系，即d - h 坐标系。该 方法通过在各关节建立局部坐标系，然后根据关节的结构参数，依据一定准则来 确定局部坐标系到全局坐标系的对应关系。其核心是各个坐标系的映射关系，即 浙江大学硕士学位论文 混合动力挖掘机势能回收系统的研究 基本变换矩阵。 根据建立d h 坐标系的步骤，按照下列原则确定各局部坐标系的坐标轴如 下： 一z h 轴，沿着第f 个关节的运动轴； 一x ，轴，垂直于z 。指向下一个节点； 一y 轴，按右手坐标系的规则确定。 按照这个原则，为动臂铰点、动臂、斗杆和铲斗建立了四个坐标系，即 防。kz 。】，防。iz i 】，防：砭z ：】，防，ez 3 】。 另外，d h 坐标系中描述相邻连杆坐标系之间关系的四个几何参数定义如 下： 只一绕z h 轴按右手规则由x h 转到与x ，轴平行时的转角； d ，一第i 一1 坐标系的z h 轴到i 个坐标系的z ，轴之间的垂直距离； 日j z h 轴和互轴之间的垂直距离； 口，一绕z ，轴按右手规则由z h 转到第z ，轴之间的偏角； 表2 - 1 挖掘机d - h 坐标系中的四个几何参数 关节 口fd ，口f谚 100o 0 1 2 l 2 0o 02 3l 30 0 03 2 1 2 不同坐标系间的坐标转换 每个连杆在关节处建立的局部坐标系，可以通过齐次变换来描述这些坐标系 间的相对位置和姿态，通常把描述一个连杆相对于相邻连杆之间关系的齐次变换 矩阵记为爿矩阵，即d h 矢乒阵( d e n a v i t - - h a r t e n b e r gm a t r i x ) ，存此我们用爿l 表 示动臂相对于基系的位置和姿态，彳，表示斗杆相对于动臂坐标系的位置和姿态， 么，表示铲斗齿欠相对于斗杆坐标系的位置和姿态。 1 4 浙江大学硕士学位论文 混合动力挖掘机势能回收系统的研究 于是，求铲斗铰点坐标系相对于基准坐标系的位置和姿态可由下列矩阵的乘 积给出： o 五= a 1 a 2 a 3 ( 2 1 ) 其中a ，； c o s o , s i n o , o 0 一s i n 0 , c o s ， c o s o , c o so ， s i n 口f o s i n gs i n a ， - - c o s 只s i n a ， c o s 口j o a ，c o s o , a 。s i n 谚 d ， 1 于是，挖掘机铲斗铰点相对于基准坐标系的转换矩阵为： o 五= c 1 2 3 s 1 2 3 s 1 2 3c 1 2 3 0o 0o 0 l 2 c 1 2 + 3 c 1 2 3 0 l 2 2 + l 3 s 1 2 3 1o o1 ，f