（机械设计及理论专业论文）液压挖掘机回转制动能量回收系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 以液压蓄能器为储能元件的辅助式能量回收系统实现液压挖掘机回转制动能量的回 收与再利用，是当前国内外工程机械领域的发展前沿课题。挖掘机作业时回转操作包含起 动加速、匀速、减速制动三个连续的过程，其中在减速制动过程中能进行制动能量的回收。 技术实现难点为：对减速制动阶段进入和终止的判定，在起动加速阶段液压储能器能量释 放的控制。 挖掘机回转制动能量回收液压辅助系统基于现有传统2 3 吨级挖掘机平台展开研究。 在不影响平台布局稳定性和尽可能少改动原有部件布置的前提下，提出了一种基于回转马 达进出口压力差实现回转马达起动加速与减速制动模式过程的液压自动识别与判断，决 策系统进行制动能量回收的全液压自动控制系统。以蓄能器s o p ( 删eo f p r e s s u r e ) 、液压 泵出口压力与负流量反馈压力为输入信号，根据回转液压系统的实时需求功率，提出一种 基于复合恒功率+ 负流量动力控制与正态分布函数的能量分配方法，综合决策液压泵与蓄 能器两个主辅动力源之间的能量分配比例，并保证挖掘机回转的操作习惯与性能。为保 证控制器参数的合理性以及系统最高的节能率，引入了遗传算法对系统能量分配控制参数 进行全局优化。结果表明，在回转转台单执行机构工作时，采用回转制动能量回收系统的 液压挖掘机，能够实现再生制动能量回收利用率在5 0 左右，在同一工况下比同吨位挖掘 机的节能率达到2 1 以上。 关键词：液压挖掘机；混合动力；回转制动；能量回收；稳定性 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t u t i l i z i n gh y d r a l l l i ca c c 啪u l a t o rb 弱e d 嬲s i s 伽te n e f g yr e c o v e 巧s y s t e mi sm ek e yr e s e a r c h p r o g 删ni i lt h ee n g i i l e 嘶n gm a c l l i n e 巧a th o m e 觚da b r o a d ，删c hc o u l da c l l i e v ee n e r g yr e c y c l e 锄dr e l l s ed 证n gh y d r a u l i ce x c a v a t o rs 丽n gs 仞喀e o n c et l l ee x c a v a c o rs t a r t st 0s 晰n g ，i tc o n t a i l l s t l l r e ec o n 矗n u ep h a s e s 嬲f o l l o w s ：s t a n - u pa c c e l e r a t i o n c o n s t a i l ts p e e d ，a n db r a l 【i n gd e c e l e r a t i o n a n d p a n i a le n e e g yc o u l db er e c y c l e di nb m 洫g d e c e l e r a t i o np h a n et e c l l i l i c 址d i m c u l t i e sa r e l i s t e db e l o w ：s 、“t c hc o n d i t i o 鸺o fe n t e r i n g 锄de x i t i n gk l l ( i n gd e c e l e m t i o np h a ，e n e r j g y r e l e 硒ec o m r o lh lh y d m i l l i ca c 贮u m u l a l o ri ns t a r t u pa c c e l e 枷o np h a s e t h es w i n gb r a l ( i n ge - i 翟莎r e c 0 v e 巧r e s e a r c hi sb a u s e do nt l l e 乜甜i t i o n a l2 3 - t o ne x c a v a t o r p l 舳r m n oi n l p a c t so n 也ep l a t f - o r n ll a y o u ts t ；a _ b i l i 够a n dl e s sc h a i 培et on l eo r i g i i l ms y s t e m l a y o u t 雒p r e i l l i s e s ，趾a ：u t o m a t i ch y 删i c c o n 仃o l l e db r a | 曲ge n e r g yr e c o v e 巧s y s t e mw a s p r o p o s e dw i l i c hc a na u t o m a ：t i c a l l yi d e n t i 鸟t l l es w i l l gs t 唱eb yt h ep r e s s u r ed i 丘e r e n c eb e t w e e n i i l l e t 趾do u t l e to ft l l e 疏gp l l r n p 趾dd e t e 珈【l i r l i n gd i g t r i b m i o na l g o r i 也mo fn l er e c o v 硪n g e n e r 斟t h es t a t eo fp r e s s e ( s o p ) o f 位a c c 啪u l a t o r ，恤0 u t l e tp r e s 沁eo ft 1 1 eh y 删i cp 啪p a n dt h ef e e d b a c kp r e s s u r e 白o mn e g a t i v e - n o wc 0 m r 0 1w e r ec o n s i d e r e da s 岫p u t s a c c o r d i i 培t 0 t h er e a l - t 访1 er e q u 讪甜p o w e ro f 坞鲫v i i 唱h y d 聪吡l i cs y s t e m ，t h ee i 地r g yd i s 仃i b u t i o na l g o r i t h m a l o n g w i n lo r 圮n o r m 甜s c h o o l 如n c t i o nw e r ep r o p o s e db a s e do nt h e c o m p r e h e i l s i v e c c i n s t a l l t - p o w e ri l e g a t i v e n o wc o n t r 0 1 i td i s t r i b u t e se n e 唱ym t i ob 舰嘲nt l l em a i np o w e rs o u r c e 趾d 也e 绷x i l i a 巧p o w e r u i - c e ( 廿1 a ti se n g i n e 趾l da c c u m u l a t o r ) a n di te l ：啪sm en o m l 2 l l o p e r a t i o no fm es 、) ，i i l g m e c l l a l l i s m t og a i nb e 钍e rs y 呶l me 伍c i e n c y 觚dm o r es u i 讪l e 眦试e rs e t t i i l g si i lt h ec o m r o l l e r ，m eg e n e t i co p t i n l i z a 五o na 玉g o r i t h mw 嬲u t i l i z 近t 0o p t 证l 诬 l es y s t e me n e r j g yd i s t r i b u t i o np 猢酏粥g l o b a l l y 胁l l l t ss h o w 慨m eh y d m u l i ce x c a v a t o r e q u i p p 甜诵n lm es 晰n gr e c 0 v e 巧s y s t c i mc 觚a c l l i e v em o r e 也狃2 1 钮e r g y 刚i i l gc o n l p a r e d w i mt h eb a s e l i n em l d e rt h e 鼢m ew o 出n gc o n 威t i o n ，觚dt l l eo v e 豫l lc h a i l le 伍c i e n c yf r o mm e 删b m 妇培e n e r g yt 0 也et c 棚1 i i l 址晌g l e c m i l l i s mi s 船m u c h 够5 0 0 a p p r o x i i i l a t e l yw 陆l e n l es 、】血l g i su t i l i z c d 勰n l e 粒t l l a t o ra l e i i i 浙江大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：h y d 训i ce x c a v a t o r ；h y 嘶dp o w 盯；s 、访n gr e g e n e m t i v eh 幽n g ；锄e r g yr e c o v e 巧； 娠l b i l 时 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 回顾过往科研生活的点点滴滴，有过短暂的失败和挫折，但也收获了一份份的成功喜 悦，不论是学术科研能力还是实验动手能力都得到了很大的提高，在此衷心感谢我的导师 管成老师。液压挖掘机能量回收科研项目从项目立项、研究方向选择、数学模型校验、控 制策略提出到实验机型试制和安装，无不在导师的悉心关心和指导下完成的。管老师控制 理论知识丰富，尤其以液压系统的控制见长，对项目的成功实施起到了关键的作用。可以 说，本课题本论文能最后顺利完成，与管老师的协调和帮助是分不开的。管老师为人谦和、 做学问严谨踏实，总是身体力行，与学生非常融洽。他诲人不倦的教学态度、学以致用的 科研作风、正直善良的高尚品格，无疑将成为今后我工作、生活上学习的榜样。 感谢机械设计所所长冯培恩教授。冯教授治学严谨、一丝不苟、为人谦和，其高尚的 人格魅力和渊博的学识将永远是我学习的榜样。 感谢机械设计所邱清盈副教授。邱老师是我在设计所的指导老师之一也是我科研生活 的引路人。他教会了我如何以系统的观点对复杂问题进行分析，如何将复杂问题简单化， 分析研究了液压混合动力挖掘机重布置后的稳定性问题，不管在理论分析还是在科研实践 上都获得了很大的指导和帮助。 感谢机械设计所顾大强副教授、高字老师、武建伟老师对我的关心、帮助和支持。他 们就是我的良师益友，除了在日常的生活中给予我帮助外，在实验室科研上，尽管相互研 究方向不同，但是在交叉领域得到了许多有益的指导意见并加快了我的学习和科研进度。 感谢林潇博士对我课题的帮助指导，许多宝贵意见对于课题的顺利开展起到很好的帮 助作用。感谢课题组的来晓靓、薛驰、王飞、彭贝、肖扬博士生，林名润、张浩杰、吴超、 张国良硕士生，在科研和生活中一起相互支持、相互帮助，给我平淡的研究生生活增添了 欢声笑语。还有许多同学、朋友，在我读研期间默默给予了我大量的帮助和关心，在此不 一一列举。你们的帮助我将永远难忘。 感谢我的父母。他们无私奉献，对我的关心无徼不至，默默支持着我一路走来，他们 常说：只要我每天开开心心就是他们最大的幸福。在论文完稿之际，我真切地说一声：爸 妈，你们辛苦了。 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 【摘要】从工程机械节能降排控制研究意义出发，通过对挖掘机液压系统节能现状分析， 发现增加辅助能量回收系统是现今挖掘机行业节能技术研究的重要方向；对不同储能元件 能量回收系统研究现状比较，同时借鉴油液混合动力技术汽车的成功应用，总结出以液压 储能式能量回收系统进行回转制动能量的回收是实现挖掘机高效节能的关键途径；针对现 有回转制动能量回收研究的不足，进而确定了本课题的研究方案与内容。 1 1 研究意义 液压挖掘机是国家基础建设中不可替代的重要工程机械装备之一，其重要性不言而 喻。当前国内基础设施建设正处于投入增长期，区域经济振兴规划的相继出台和城镇化进 程的加速，都为工程机械行业提供了良好的发展契机。无论是在建筑、交通运输、矿山开 采等民用工业领域，还是在大型水利电力工程或军事领域中，都有大量的工程建设项目陆 续开工，对挖掘机等工程机械产品的需求量在不断攀升。据业内统计，我国液压挖掘机( 包 括小型、中型和大型) 的销量达到世界总销量的6 0 左右，2 0 1 0 年国内挖掘机销售量已 达到1 5 万多台，而最近通过对2 0 1 1 年前三季度的统计，累计销售量为1 4 9 9 3 l 台，较2 0 1 0 年同期相比又增长了1 9 以上，预计未来几年的销量将会以同速率持续快速的增长。 挖掘机多在工况复杂、负载频繁剧烈波动的恶劣环境下作业，势必会带来柴油发动机 燃油利用率低、液压系统发热、尾气排放差等问题，挖掘机的使用率高更将引发严峻的能 源需求和环境保护问题。因此，液压挖掘机的节能降排控制研究一直是行业内所关注的焦 点。节能降排技术研究，不仅可以提高燃油经济性，具有非常可观的经济价值，更可以降 低挖掘机的使用成本和维护成本，有效地延长挖掘机液压系统的寿命。 1 2 挖掘机液压系统节能控制的研究现状 1 2 1 挖掘机液压系统的节能研究现状 液压挖掘机的系统结构非常复杂其能量损失在主要包括三方面： ( 1 ) 液压传动工作过程中的能量损失，与液压元件结构工作效率及液压系统结构配 置阀口引起节流或溢流损失等相关： 浙江大学硕士学位论文绪论 ( 2 ) 发动机、液压泵、外负载三者之间功率不匹配造成的能量损失： ( 3 ) 挖掘机工作装置、回转平台频繁动作引起的大量势能和回转制动能量损失【2 】【4 1 。 针对上述三种不同的能量损失形式，国内外大体有以下几种发展趋势【5 】： ( 1 ) 通过改进液压泵、液压阀以及液压系统结构，来减少系统中流量、压力损失。 在提高挖掘机液压元件制造精度的同时，大量应用电液比例技术代替原有系统中部分 繁杂的液压信号传递管路，控制灵敏度和准确度大大提高嘲；通过改进多路阀结构实现斗 杆回路中高压油的再生，如图1 1 所示，有杆腔压力油通过主控阀芯内的单向阀进入无杆 腔对其补油，再生油路使斗杆运行速度提高的同时，还实现部分高压油的压力能回收与再 利用，但由于该节能措施没有配置储能元件，回收的能量需要实时消耗，无法储存下来【7 】； 同时，利用恒功率控制技术，正、负流量控制技术与负载敏感控制技术等液压控制系统， 可更有效地保证液压系统的节能效果【8 】【9 1 。 斗杆液压缸 图1 1 具有再生油路的斗杆液压回路【_ 7 】 ( 2 ) 利用现代先进的设计方法实时检测工作外负载变动情况，使系统中发动机、液 压泵与外负载之间的功率匹配更加完善。 改进柴油发动机的控制方法，如采用电子油门控制器技术，通过设定跟工况相匹配的 发动机最佳工作曲线，实现功率与油耗性能实时最优【i0 1 f 1 1 】；采用二次调节静液传动技术+ 蓄能器液压系统，通过调节液压马达排量来实现与负载之间的功率匹配，保证发动机始终 工作在高效区域【1 2 1 ；应用先进的计算机控制技术和优化算法，如最小油耗控制算法【1 3 1 ，最 优控制算法【1 4 】【1 5 l 。模型控制算法【1 6 l 【1 刀等，通过对液压泵、发动机的实时监测与控制，使 匹配更加智能化和准确化。 ( 3 ) 增加能量回收系统，通过配置必要的能量储存元件实现挖掘机下降势能与制 2 浙江大学硕士学位论文绪论 动能量的回收与再利用。 关于挖掘机能量回收系统的研究，在国内处于起步阶段。液压挖掘机的工作装置( 包 括动臂、斗杆和铲斗三部分) 质量较大，在作业时会频繁下降，大量势能在各种阀口上多 以热量形式损失，而液压挖掘机上车平台回转制动时产生的大量制动能量也会转化为热能 损失掉，这些损失的热能还会造成液压系统的发热问题，严重影响着系统的工作性能与元 件的使用寿命；传统普通液压挖掘机并没有配备相应的能量回收和存储装置，若能对挖掘 机每个工作循环周期中的工作装置下降势能和回转制动能量进行回收与再利用，将能使液 压挖掘机的能量利用率向前迈进一大步【l 引。挖掘机行业现阶段急需借助这样新的节能技 术，来带领突破当前存在的节能降排控制领域的技术瓶颈【l9 】。因而，针对液压挖掘机的能 量回收系统研究是现今挖掘机行业关键节能技术研究的重要课题。 1 2 2 能量回收系统研究现状 能量回收系统的作用是将回收的能量可暂时存放于储能元件中，在整个系统动力控制 下一同参与能量分配，在动力系统最需要能量补充的时刻释放到系统中，其回收能量的利 用价值比再生油路回收的能量大的多。能量回收系统设计的关键步骤，按其节能效果影响 因子主要分为储能元件选择、能量回收系统设计以及能量回收与分配控制策略设计三部 分。现有的能量回收系统主要有机械储能式、蓄电储能式和液压储能式三大类。 机械储能式能量回收系统普遍具有系统结构简单的特点，主要有弹簧储能、重力储能 和飞轮储能三种方式。弹簧储能式储能容量小，重力储能较适合于装配空间充裕的大型固 定设备中，而液压挖掘机需要回收的能量大，且需要在工地上随时移动的作业性质，这两 种储能方式不适用于液压挖掘机上的能量回收系统【2 0 1 。 蓄电储能式的储能元件主要有超级电容和蓄电池两种，其回收的能量以电能的形式储 存于超级电容或蓄电池中，因而在机械系统中实现能量回收与再利用还需配备电机，最能 代表蓄电储能式系统的是油电混合动力系统。 液压储能式的储能元件为蓄能器。蓄能器主要有充气式和弹簧式两种，由于弹簧式蓄 能器的工作原理是弹簧位能的变化来实现能量的储存与释放，其容量较小，多用与吸收因 油路中温度变化导致压力的轻微变动，并不适用于能量回收系统中；充气式蓄能器的工作 原理是利用气腔内气体的压缩与膨胀来存放能量，常用的充气式蓄能器按其结构形式分主 要有气囊式、活塞式与隔膜式等【2 1 1 。 浙江大学硕士学位论文 针对可能适用于液压挖掘机能量回收系统中的四种不同储能元件，将其重要的性能指 标进行比较，结果汇总如下表，同时对这四种储存方式的能量回收系统的现有应用研究结 果进行重点比较和分析。 表1 1 储能元件的重要性能指标比较瞄】【2 4 】 性能 飞轮 蓄电池超级电容 蓄能器 储能密度“叽1 ( g - 1 ) 5 1 5 06 5 1 2 0 1 02 5 功率密度( k w 蚝1 ) 0 5 1 1 90 211 9 效率 9 07 0 - 8 09 09 0 响应速度 慢一般较快快 放能度慌 9 57 51 0 09 0 寿命胁盯 2 01 7 2 02 0 安全性能差 好好 较好 技术成熟度 一般成熟一般成熟 成本高较高较高低 环保性能好差 好 好 设备重量重较重 较轻轻 从表1 1 中可以看到，不同的储能元件在各种性能方面各有优点和缺点。储能元件最 重要的性能指标是储能密度和功率密度的大小。在储能密度方面，蓄电池、飞轮的表现优 于其余两种，能提供的能量较多，续航能力较好；而在功率密度方面，蓄能器是最好的， 蓄电池和超级电容的表现就比较不如意，因而，蓄能器的高功率密度可以更加适应液压挖 掘机高功率需求的特点，在能量回收中对能量储存与释放的响应速度方面表现突出圈。 飞轮储能式是将回收的能量以高速旋转的飞轮以动能形式来储存和释放能量，飞轮本 身具有较大的重量和体积，略显笨重【2 5 】【凋。王卡在“长安之星”s c 6 3 5 0 模型上，针对汽 车制动能量提出了飞轮储能式能量回收系统对其进行回收与再利用，将回收的制动能量转 换为飞轮的动能，当车辆起动加速时，通过传动装置释放到动力系统中，从而实现能量的 再利用，对其燃料消耗进行计算机仿真计算，节省燃油3 5 【2 7 】。但由于液压挖掘机的工作 环境恶劣，在挖掘机平台上安装高速旋转的飞轮将会存在很大的潜在操作风险，考虑到其 系统安全性差以及飞轮储能技术现阶段并不是十分成熟的情况，在挖掘机的车身上配置飞 轮储能式能量回收系统并不合适。 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 蓄电池和超级电容储能装置主要应用在油电混合动力系统中。得益于油电混合动力汽 车市场化的成功应用和推广，近几年针对液压挖掘机上的油电混合动力技术研究十分热 门。自2 0 0 6 年4 月，日本神钢展出全球首款油电混合动力挖掘机以来，国内外各大科研 机构与工程机械整车厂家纷纷着手油电混合动力液压挖掘机的研发，在工程机械领域方面 取得了一定的进展【2 8 】【3 2 1 。油电混合动力系统通过发动机与电机的联合驱动，电机削峰填 谷，让发动机始终工作在高效区，有效地降低了挖掘机柴油发动机的装机功率，优化了发 动机的工作点，从而达到改善挖掘机的燃油效率和尾气排放问题；以回转平台回转为执行 元件为例，现有的混合动力挖掘机的系统可分为串联式、并联式两种【3 3 1 。 a 串联式b 并联式 图1 2 串联式、并联式油电混合动力技术用于挖掘机回转制动能量回收结构简图1 3 3 】 国内外针对不同品牌、不同吨位的挖掘机进行油电混合动力挖掘机技术研究表明，其 节能率可达2 0 左右【3 3 】【3 4 1 。油电混合动力技术在挖掘机上的应用存在着下述问题：现有 蓄电池技术较为成熟，但使用寿命较短，生产和废弃过程还会带来严重的污染问题；超级 电容技术不大成熟，能量密度也没有蓄电池高，其应用相对较少；在液压挖掘机上采用油 电混合技术，还存在能量转换环节多、效率不高的问题瞄l 。 以液压蓄能器为储能元件的液压储能式能量回收系统已经广泛应用于液压电梯或升 降机、起重机械、汽车等众多工业领域中【3 5 】【3 引，其工作原理是以液压能形式储存回收的 下降势能或制动能量，液压储能式能量回收系统普遍具有结构简单，工作可靠性好的特点 【3 9 】f 柏】，例如其在液压电梯上的工作原理见图1 3 ，在原电梯液压系统的基础上增加了二一个 用于回收电梯下降势能的液压储能回路，通过液压储能回路中的二次元件泵马达释放回 收的能量f 4 1 】删；现有液压储能式能量回收系统的应用仍以汽车领域最为典型，串联式液 驱混合动力汽车制动能量回收系统工作原理简图如图所示，发动机的全部功率转化为液压 浙江大学硕士学位论文绪论 能，当车辆减速制动时，二次元件以泵模式吸收车辆的制动能量储存于蓄能器中，在车辆 加速过程中以马达模式与发动机共同为车辆提供驱动力删。液压式能量回收系统在汽车上 的应用，由于油液一直在蓄能器中往复循环的充放，容易引起油液温度的升高，对液压系 统的冷却能力是一个考验，需加以重视；而在液压挖掘机中，系统中本身就配置了完善的 油液冷却装备，可以更加便捷地将液压储能式系统应用到挖掘机液压系统中。 6 1 一电机；2 泵马达；3 一溢流阀；4 换向阀；5 蓄能器；6 液控单向阀；7 柱塞缸； 8 光电编码器 图1 3 液压蓄能式液压电梯系统原理图【4 2 】 1 发动机；2 液控湿式离合器；3 变量泵；4 - 单向阀；5 蓄能器； 6 双向变量泵马达：7 后驱动桥 图1 4 串联式液驱混合动力汽车制动能量回收系统工作原理简图】 浙江大学硕士学位论文 绪论 国内外针对液驱混合动力汽车技术的研究正在如火如荼进行着。近十年，液驱混合动 力技术在城际中大型车辆制动能量回收上的应用，已逐渐成为国内外政府和众多研究机构 在混合动力技术研究方面的重点。美国环保局e p a 联合f o r d 等众多公司与院校对液驱混 合动力技术做出了重要的贡献，成功将液压辅助式能量回收技术应用在城际中大型车辆汽 车上【4 5 】【蛔，英国硒c 莉。公司针对垃圾运输车也进行了液驱混合动力节能效果研究，结果 表明，针对液驱混合动力s u v 、皮卡、卡车及垃圾运输车等节油效果至少在2 5 以上【4 7 】- 【4 9 】； 国内也已开展了液驱混合动力公交车、s u v 的研发，试验中节油率也在2 0 左右【圳【5 1 1 ； 通过对油电混合动力技术与液驱混合动力技术的比较研究表明，同等试验条件下，增加蓄 能器储能辅助液压系统的车辆，其回收的制动能量用于驱动车辆的效率达到6 0 以上，而 油电混合动力车辆上大概在1 7 左右【5 2 】【5 3 1 。又因液压储能式系统的总体成本低，加上良 好的节能效果，其商业前景非常之好。 鉴于油电混合动力挖掘机技术从汽车行业中的成功借鉴经验，希望能成功设计一种以 蓄能器为储能元件的系统，用于液压挖掘机工作装置下降势能与回转制动能量回收上。液 压挖掘机具有十分庞大的液压系统，若以液压蓄能器为储能装置回收系统产生的下降势能 与制动能量，可以保持单一的液压能形式，不存在能量形式转换而带来的功率损失，蓄能 器具有功率密度大的特点更能满足挖掘机某瞬间对大功率需求的工况；另外，相较于蓄电 池或者超级电容。蓄能器本身具有使用寿命长、成本低、质量轻等优势【2 1 1 。因此，以液压 储能式能量回收系统进行工作装置下降势能与回转制动能量的回收，是实现挖掘机高效节 能的关键途径。 1 2 3 挖掘机回转系统制动能量回收研究现状 液压挖掘机回转液压系统的制动能量回收是整个系统能量回收的重要部分。如图1 5 中所示，每个标准挖掘作业循环周期包括动臂下降、斗杆挖掘、铲斗挖掘、动臂上升、满 斗回转、斗杆卸料、铲斗卸料、空斗回转八个动作。挖掘机作业时回转过程包括满斗回转 和空斗回转两次回转动作，每次回转都包含起动加速、匀速、减速制动三个连续过程，因 而液压挖掘机回转机构的回转时间约占整个工作循环时间的5 0 7 0 ；挖掘机上车车身 质量大，因而回转机构减速制动时产生的力矩也很大，频繁的回转动作必然会造成巨大回 转制动能量的损失据统计，单独回转执行机构的耗能就占到了总能量的2 5 4 0 ；而回 转制动能量多以热能形式散失引起整个液压系统的严重发热，回转液压油路的发热量约 7 浙江大学硕十学位论文绪论 占整个液压系统总发热量的3 0 4 0 左右，回转制动过程不仅造成了大量能量的损失， 更降低了回转机构的工作性能，影响着系统的使用寿命，增加了维护成本【蚓。若对这部分 能量进行回收可以明显改善液压系统的发热状况，更能实现液压挖掘机良好的节能效果。 执行动作 麴蹙工隆一 兰杆挖掘_ 铲斗挖掘 作业时间 矿t r 了r 刁了1 可丌而丌雨田西盯丌旁币矾 动臂上升 满斗回转 斗杆卸料 铲斗卸料 空斗回转 图1 5 挖掘机标准挖掘作业循环过程【删 关于液压储能式能量回收系统用于回收液压挖掘机回转机构制动能量的研究才起步。 在国外，可能由于企业的技术壁垒原因查找不到关于这方面的研究文献资料；而在国内， 从事液压挖掘机液压储能式系统研究的主要有哈尔滨工业大学的姜继海教授。对挖掘机回 转液压系统的制动能量进行回收增强其节能效果的同时，需考虑增加的辅助液压储能系统 原则上不能影响挖掘机的工作稳定性、操作可靠性以及工作效率，还要确保回转油路的基 本功能，包括回转机构运转平稳，起动、制动迅速且无振动、摇摆【5 5 】【5 6 1 。液压挖掘机能量 回收系统技术研究的主要内容包括：一、系统结构与原理设计；二、部件选型与参数匹配 优化；三、负载模型分析与功率匹配；四、能量回收与分配控制策略m 【5 7 1 。 张彦廷等以液压马达驱动的回转体作为液压系统的外负载进行能量回收试验，针对无 能量回收与有能量回收两种不同系统的能耗比较发现，进行能量回收的系统节能率达到 5 1 9 【5 引，这可以作为液压挖掘机回转系统进行能量回收可实现较好的节能实验依据。国 内针对挖掘机液压储能式能量回收系统的研究，于安才等针对液压混合动力挖掘机回转装 置的能量回收系统原理图如图1 6 ，引入二次元件回转机构变量泵马达来代替传统的定量 回转马达，通过控制换向阀的通断来决定是否进行回转能量回收，能量回收时回转机构泵 马达以泵工作模式往蓄能器中储存液压能【5 9 】。 系统动力与部件的参数匹配不仅关系到系统工作效率和性能，更是制定控制策略的前 提。针对混合动力汽车控制策略中的参数优化匹配研究中，采用遗传算法、模糊控制算法 等对控制策略参数进行优化，包括控制变量个数、变量权重等，在节能减排的同时，更能 保证良好的汽车动力性能i 删【6 1 】；通过对油电混合动力挖掘机和城市公交制动能量回收系统 3 浙江大学硕士学位论文 绪论 参数匹配，保证能量回收效果的前提下，实现挖掘机或者城市公交的高效和发动机低装机 容量【6 2 】【6 5 】；张庆永通过对液驱混合动力汽车上的仿真实验表明，液压储能辅助系统中的 初始制动压力、蓄能器容积，跟系统性能和系统制动能量回收效率关系密切l 删；因而要非 常重视系统中的参数匹配问题。 1 液压泵；2 换向阀；3 蓄能器；4 减压阀；5 回转机构泵马达；6 变量油缸 图1 6 液压混合动力挖掘机回转装置的能量回收系统原理简图【5 9 1 ， 针对液压辅助系统中增加的部件，除了要合理选择部件的参数，还需要与原系统中的 动力系统功率等性能相匹配，制定合适的控制策略达到辅助液压系统的节能效果最优。 j o r g e 将混合动力技术应用于雪佛兰l u v 卡车上，节能率可以达到2 8 7 ，而针对其中的 控制策略中引入神经网络算法的控制策略，根据蓄电池s o c 和汽车车身速度之间的关系 获得发动机的最佳工作曲线，可在前面的基础上再节能3 3 嘣6 7 】。可见，控制策略中引入 优化算法，可以进一步提高节能效率。由于液压挖掘机具有负载波动大、工作周期短等特 点，以蓄能器为储能装置的液压挖掘机的能量释放控制方法和能量分配控制策略并不能照 搬应用于汽车上的【碣】。 油电混合动力挖掘机中应用的控制策略，根据负载需求功率、蓄电池s o c 以及发动机 工作点等作为设计参数，以实现节能减排为主控制目标，系统工作平稳性、作业准确度、 蓄电池寿命为辅设计合理的控制策略f 6 9 】【7 0 】。相较于油电混合动力挖掘机，以蓄能器为储能 装置进行回转制动能量回收系统由于储能元件不同造成系统储能释放特性的巨大变化，因 而现今常用的并联式油电混合动力挖掘机控制方法也并不适用于本文设计的系统中。 于安才等基于智能p d 控制理论，利用转矩转速传感器时刻采集回转系统的数据，采 用转矩控制与转速控制两种方法于液压混合动力回转制动能量回收系统中回转平台的控 9 浙江大学硕士学位论文绪论 制系统中【5 9 1 。但本文设计的回转制动能量回收系统有别于其提出的液压混合动力回转制动 能量回收系统，不需要二次元件泵马达的作用就能实现蓄能器中能量的充放。因而，针 对以蓄能器为储能装置进行液压挖掘机回转制动能量回收系统，需要一种新的控制策略来 适用该系统。 1 3 现有的不足与课题的提出 目前关于回转制动能量回收系统研究的不足： ( 1 ) 挖掘机作业时每次回转都包含起动加速、匀速、减速制动三个过程，能够进行 制动能量回收的只有在减速制动过程；对回转制动能量进行回收的难点是如何在整个连续 动作的过程中识别出减速制动过程，同时识别出加起动加速过程进行能量释放。现有的研 究都是通过传感器对其加速度进行监控，通过传感器采集数据来判别过程，这种基于电子 控制的方式容易受到外界干扰，常出现测量结果不精确的情况。因而现有的研究中，对于 回转马达起动加速与减速制动运行状态自动识别与判断方面的研究比较欠缺。 ( 2 ) 现有关于液压储能式能量回收系统的设计中，引入二此元件变量泵马达来替代 普通的回转马达，其改动成本较高；在具体液压挖掘机机型上时布置时，涉及到部件空间 布局位置及组件改动较大，并不适合后续进行大规模的生产及应用。 针对现有研究存在的上述问题，本文希望能设计一种基于现有传统普通液压挖掘机平 台元件布置的前提下，提出一种以液压蓄能器作为储能装置，采用全液压控制自动识别回 转起动加速与减速制动过程的回转制动能量回收系统，在不影响操作人员的操作习惯及操 作性能的前提下，根据负载的实时功率需求，通过复合恒功率+ 负流量动力控制策略来决 策发动机和蓄能器主辅动力源的能量分配方法，从而实现制动能量的回收和再利用，保证 回转机构正常高效作业。 1 4 研究方案与内容 研究内容主要包括以下几个部分： ( 1 ) 回转液压系统负载模型与制动能量回收系统原理设计 通过传统2 3 吨液压挖掘机回转马达力学特性、马达进出口压力的实际采样曲线以及 仿真曲线分析回转液压系统的负载变化趋势；根据尽量少或不改变现有传统液压挖掘机平 台元件布置、不影响挖掘机工作稳定性等设计目标，设计出详细的回转制动能量回收系统 1 0 浙江大学硕士学位论文绪论 方案，为接下来的研究工作准备实验数据基础。 ( 2 ) 回转制动能量回收系统的参数匹配与数学建模 液压挖掘机回转制动能量回收系统基于现有传统普通挖掘机平台增添所需的辅助液 压系统，原系统中的液压泵与回转马达等部件参数不变动，因而本文主要对蓄能器与回转 液压系统的负载、液压泵之间的功率和蓄能器的释放能力进行匹配：建立回转制动能量回 收液压系统中各个关键部件的数学模型，并在m a t l a b s i m l l l i n k 中建立回转制动能量回收 液压系统仿真模型，主要包括液压挖掘机回转系统模型、蓄能器及控制器模型三部分。 ( 3 ) 制动能量回收与释放分配控制策略研究 目前没有适用于液压挖掘机回转制动能量回收系统的控制策略，本文提出了一种两级 决策的动力控制策略：以蓄能器s o p 、液压泵出口压力、负流量反馈压力为输入信号，根 据实时检测的负载变化先确定系统总能量需求，再基于一正态分布函数的能量释放分配策 略来控制主辅动力源提供的总能量满足复合恒功率+ 负流量动力控制需求；通过仿真分析， 从回转系统节能效果与操作性能两方面分析该控制策略的适用性；为保证控制策略参数的 合理性以及系统最高的节能率，引入了遗传算法对系统能量分配控制参数进行全局优化。 ( 4 ) 挖掘机平台布局与稳定性分析 在2 3 吨普通中挖平台上增加了能量回收液压系统模块，这将会影响到挖掘机平台布 局稳定性。本文通过平台布局方案的重心分析，以及从作业稳定、自身稳定和行走稳定三 个方面中八种典型工况对改造后的液压挖掘机稳定性能进行分析和校验，从而确定能量回 收系统平台布置的最终方案。 浙江大学硕士学位论文 回转液压系统负载模型与制动能量回收系统原理设计 2 回转液压系统负载模型与制动能量回收系统原理设计 【摘要】通过传统2 3 吨液压挖掘机回转马达力学特性、马达进出口压力的实际采样曲线 以及仿真曲线分析回转液压系统的负载变化趋势；根据尽量少或不改变现有传统液压挖掘 机平台元件布置、不影响挖掘机工作稳定性等设计目标，设计出详细的回转制动能量回收 系统方案，为接下来的研究工作准备实验数据基础。 2 1 回转制动能量回收系统设计目标 回转制动能量回收系统设计目标包括： ( 1 ) 液压挖掘机回转作业时包含起动加速、匀速、减速制动三个连续过程，而能进 行回转制动能量回收的只有减速制动过程，进行回收的难点是如何在整个连续动作的过程 中识别出减速制动过程。希望设计一种自动对减速制动阶段进入和终止的进行判定，主动 选择能量回收与否的全液压自动控制的系统。 ( 2 ) 设计的回转制动能量回收液压系统在保证节能效果的同时，不会影响挖掘机的 操作舒适性、操作可靠性以及工作效率，即驾驶员在操作原有传统的液压挖掘机与具有回 转制动能量回收的挖掘机时，对于转台回转同样角度，操作手柄动作时间点基本不变化， 保证不会影响到系统原有的操作性能。 ( 3 ) 保留现有传统普通的液压挖掘机操作功能，即具有对回转制动能量回收系统与 传统普通的挖掘机回转液压系统之间模式进行切换的功能，可以让操作者根据实际操作需 要人为选择与切换液压系统的供能体系。 ( 4 ) 需要考虑2 3 吨液压挖掘机平台的布局空间限制以及改造成本的有限，要在尽量 少或不改变现有传统液压挖掘机平台元件布置的基础上，增加所需的回转制动能量回收与 能量释放等模块，且基本不影响平台的重心位置，不影响平台稳定性。 2 2 挖掘机回转系统的负载模型分析 本章主要针对中挖d e e r3 2 3 e l z n 液压挖掘机为研究对象，转台上布置主要有驾驶 室、工作装置、发动机、配重、油箱等，图2 1 为传统普通液压挖掘机平台布局结构简图。 如图2 1 所示，挖掘机平台布置中可支配空间主要集中在驾驶室后面安置蓄电池的位置、 1 2 浙江大学硕士学位论文回转液压系统负载模型与制动能量回收系统原理设计 液压泵下方以及回转马达与工作装置底座之间；散热器周边虽有位置，但这里的环境温度 比较高，同时还会影响其散热时的空气交换，不适宜新增的安装元件。 1 31 21 11 098 1 驾驶室；2 底座；3 回转马达；4 控制阀；5 蓄电池；6 散热系统；7 配重； 8 发动机；9 液压泵；1 0 液压油箱；1 1 柴油箱；1 2 工具箱；1 3 工作装置 图2 1 普通液压挖掘机的平台布局结构简图 传统的普通液压挖掘机回转液压系统原理图见图2 2 ，液压挖掘机回转机构起动阶段 的回转阻力矩在不考虑工作环境因素( 即坡度以及风载荷的影响) ，只考虑其惯性阻力矩 与摩擦阻力矩的情况下，回转马达最大液压制动力矩是由过载缓冲阀8 调定的，这里过载 缓冲阀的调定压力选取2 7 5 a 。 回转马达的力矩平衡方程为 d m ( 一) = ，警+ 砌+ 瓦 ( 2 - 1 ) 式中： 风回转马达的排量； 舳回转马达的进口腔压力； 跏回转马达的出口腔压力。 珂m m 回转马达的机械效率，这里取轴i n l = o 9 2 ； 卜折算到液压马达上的上车转台总转动惯量； 一一回转马达的角速度； 伊一回转马达的黏性阻尼； 1 3 浙江大学硕士学位论文回转液压系统负载模型与制动能量回收系统原理设计 死回转马达的摩擦转矩。 1 变量泵；2 溢流阀；3 多路阀；4 负流量控制定节流阀；5 回转马达； 6 机式械制动器；7 操作手柄；8 过载缓冲阀 图2 2 传统回转液压系统原理图 由式2 1 可知，马达转矩仁珑( 一) ，当回转马达的排量一定时，忽略液压 系统中在马达上的能量损失，其转矩与马达进出口压力值的差值互为正比例关系，而这里 的压力是指在液压系统流体中单位面积上承受的力，再由牛顿第二定律产聊口，可推导出： 在同一个液压系统中，系统的加速度与马达进出口压力值的差值互为正相关关系。即在液 压挖掘机回转系统中，回转马达加速度与马达进出口压力值的差值成正相关关系，当回转 马达加速起动时，其差值从o 开始逐渐增大到最大值；而当回转马达减速制动时，其差值 会逐渐减小至一个负值，直到回转马达停止工作为止。现有的研究都是采用加速度传感器 对回转马达的加速度大小进行实时监控，从而识别回转马达在一个连续动作过程中所处的 状态。倘若推论成立，说明可以采用液压元件来替代现有的加速度传感器，直接利用液压 阀来自动检测马达进出口压力差值的变化，从而实现自动识别马达的状态。下面将通过对 该系统的仿真试验与实际采样结果来验证这一结果。 1 4 浙江大学硕士学位论文回转液压系统负载模型与制动能量回收系统原理设计 以液压挖掘机标准循环作业周期中的一次满载回转为例建立m a t l a b 仿真模型，当 户啦1 os 时，回转马达不工作；当f = 1 o 3 5s 时，转台满载起动加速；当产3 5 5 0s 时， 转台满载减速制动。液压泵出口压力、回转马达进出口压力曲线仿真结果见图2 3 。 芒 篆 山 罡 蒌 g 厶 邕 善 舌 山 一 一 “s 图2 3 传统普通回转液压系统的液压泵出口、回转马达进出口压力曲线 当f = 1 5s 时，在操作手柄7 的操纵下将多路阀3 移至右位时，多路阀的阀口面积 将逐渐打开增加至最大，回转马达的进口压力随着液压泵出口压力的增大而不断增大，回 转马达进口压力值与出口压力值的差值也随之增大，该过程中回转马达起动并加速正转； 当目5 5 0s 时，当操作手柄拉至中位过程中，多路阀的阀口逐渐关闭，回转马达进出 口油路逐渐关上至切断，在挖掘机上车车身转台的惯性力矩作用下，回转马达以泵模式工 作，回转马达的出口压力逐渐增大，并在超过回转马达的进口压力后仍继续升高，进出口 压力差的差值逐渐减小至负值，该过程中回转马达在制动力矩作用下立即制动，而液压挖 掘机的上车车身所具有的动能以热能的形式损失在液压系统中。 由传统普通液压挖掘机回转液压系统的负载分析中可以看出回转马达的进出口压力 大小变化明显，而进出口压力差值的变化呈现出一种明显的变化规律，对挖掘机的回转 浙江大学硕上学位论文 回转液压系统负载模型与制动能量回收系统原理设计 系统中马达进出口压力进行实际采样的压力曲线如图2 4 中所示，同样也可以发现这种规 律：回转马达起动加速时，进出口压力值的差值从0 逐渐增大；而回转制动过程中，进 出口压力值的差值逐渐减小并成为负值。因而从回转马达进出口压力差值变化趋势中， 可以区分出马达回转起动加速、减速制动两个过程。根据这个规律，可以设计一种基于回 转马达的进出口压力差的方法去自动识别回转马达所处阶段，来决策是否进行回转制动 能量回收的全液压自动控制系统。 3 0 0 2 5 0 2 0 0 k 蛊1 5 0 毫 1 0 0 5 0 0 02 纨 46 图2 4 马达进出口压力的实际采样曲线 2 3 回转制动能量回收系统原理设计 具有回转制动能量回收的液压挖掘机液压系统原理如图2 5 ，其具体的工作原理为： 同样以标准作业循环时间中的一次满载回转为例，当户0 1 0s 时，回转马达不工作；当 户1 肛3 5s 时，转台满载起动加速；当户3 5 5 0s 时，转台满载减速制动。以正转为例， 当挖掘机处于回转减速制动过程时，回转负载所需要的功率逐渐变小，这时蓄能器就可以 对回转的制动能量进行自动回收；当回转马达的进出油路压力的差值达到了回转转换阀8 的设定值时，回转转换阀8 就会关闭，回转马达就会处于泵工作模式，在其作用下不断往 蓄能器中充入高压油液并储存，从而顺利实现吸收制动能量的功能：在该过程中，蓄能器 的压力会随着高压油液的不断储