混合动力液挖掘机势能回收系统的基础研究

1、 论文作者签名：叠鋈：丝 指导教师签名： 论文评阅人： 评阅人： 评阅人： 评阅人： 评阅人：答辩委员会主席： 奎 壬教授浙江太堂 委员： 医健熬援）浙江王些太堂 委员： 陶国赴数援浙渣太堂 委员： 王宣堡熬援浙江太堂 委员： 王鏖主）熬援浙江太堂 答辩日期： ！：鱼：里 ： ： ： 一 堕迈曼坠鲤 ： ： ： （ ） 一一 一一一 ： 基一一一一一一 ： ： ： 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堂或其他教育机构的学位

2、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。 学位论文作者签名：音奔一京良签字日期： 年月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解。逝姿盘堂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）学位论文作者签名：祷游良 导师签名：签字日期： 年勘 日 签字日期： ， 日始终得到导师王庆丰教授的精心指导王老师以其厚重的人格魅力、严谨的治学

3、态度、慎思明辨、诲人不倦的学术精神以及渊博的学识深深的影响了我，使我耳濡目染、受益匪浅从师过程中，感受到的是导师作为一个真正学者所具有的实事求是的工作作风和平易近人的长者风范。导师在学术上的悉心指导和精心栽培使我在科研能力、项目管理和团队协调能力上等都有了长足的进步感谢王老师为我积极创造条件参加境内外的国际学术会议，使我开阔了学术视野，增长了知识。值此论文完成之际，谨将千言万语汇成最诚挚的谢忱献给我最为尊敬的导师！ 感谢日本日立建机株式会社为本论文提供的支持与帮助。特别要感谢的是本日立建机株式会社刘小平老师和落合正巳先生刘老师在论文期间提供了诸多指导、建议和帮助；感谢落合正巳先生为论文提供的指

4、导和建议。 在完成论文过程中，还得了中联重科罗慧总经理、甑或工程师、徐茂林总工程师、张明珍工程师、冯海威工程师、张迁工程师、东荣工程师、张亚军工程师，三一重机易迪生副总经理、曹东辉副总经理、陈克雷院长、彭莹工程师、魏祥雨工程师，山河智能张大庆工程师等大力帮助，在此向他们表示衷心的感谢！上海液压件厂、上海电驱动和锦州百纳电气等在试验台的建设过程中给予了很大的帮助，在此表示由衷的谢意。 浙江大学流体传动及控制国家重点试验室的杨华勇教授、徐兵教授、范毓润教授、丁凡教授、王宣银教授、杨灿军教授、陶国良教授、唐建中副教授、雷勇讲师、葛耀峥高工、聂勇博士后以及所办公室的各位老师等各工作人，还有学院及研究生

5、科的各位老师等对本人给予了热心帮助和支持，在此一并表示感谢！ 特别感谢的是混合动力工程机械课题组成员张彦廷博士、肖清博士、胡宝赞博士生、冯强博士生、王滔博士生、姚洪博士生、王红梅博士生、陈其怀博士生、龚文硕士等。张师兄和肖师兄在前期做了大量扎实的工作，创造了一个良好的研究基础，为论文的顺利完成提供了较好的条件，在此谨表示诚挚的感谢！感谢冯强博士生在试验 浙江大学博士学位论文台的建设和论文的研究中做了大量的工作！感谢王滔师弟在试验的过程中提出了多次宝贵的意见！感谢龚文硕士在试验平台搭建过程中给予的帮助！非常怀念和姚洪博士生在一起调试强混合动力液压挖掘机的日子！我坚信，在科研团队的学习经历将对我今

6、后的人生起到积极而深远的影响！ 论文还得到了课题组钟天宇博士、毕治跃博士、于慧君博士、王海波博士、胡楚雄博士、陈正博士生、李聪博士生、安涛硕士、张超硕士、邢丽华硕士、吴永健硕士生、杨杰硕士生、高达辉硕士生、关秀雨硕士生、程晓亮硕士生等同门的诸多帮助和支持，同窗无憾，感谢他们对我的诸多支持！ 衷心感谢妻子柯晓蕾，她以她的爱作我坚强的后盾，在漫长的求学过程中，是她一直在支撑着我一步一步走了过来，没有她的支持、鼓励和理解，我不可能顺利的完成学业，我一直感恩，感恩于我可以拥有一个如此幸福的家庭，让我所有的一切都可以在你这里得到理解与支持，得到谅解和分担。我爱你，爱我们的家！ 感谢我的父亲、母亲、岳父、

7、岳母和家人对我求学以来一如既往的默默支持，亲情是我巨大的精神动力源，也是我论文研究过程中最坚实的依靠！ 最后，感谢所有关心和支持我的人们！ 林添良 二一一年三月于求是园 摘要 摘 要 用量大、能耗高、排放差的工程机械，因此研究液压挖掘机的 缺和环境恶化问题日趋严重的情况下具有重要的现实意义。液 负载惯性较大，各机械臂的上下摆动比较频繁，在机械臂下降制动时，具有很大的势能，若能将这部分能量进行回收并加以再利用，可进一步提高液压挖掘机的节能效果。在传统液压挖掘机中，这部分能量难以进行回收、存储和再利用。在液压挖掘机中引入混合动力系统后，由于动力系统中具备电池或电容等储能装置，易于实现能量的回收和存

8、储，为能量回收提供了一条新的途径。 论文针对液压挖掘机的节能需求，对液压挖掘机装备混合动力系统后进行能量回收的方法进行研究，包括能量回收系统结构，高效能量回收系统的参数优化，以及既可高效回收能量又可保证液压挖掘机执行机构采用能量回收系统后仍然具有良好操纵性的控制方法及策略，从而为混合动力液压挖掘机提供一种性能优异的、工程应用性强的能量回收方法，并且作为一种典型的工程机械，混合动力液压挖掘机的能量回收方法研究将为同类型的其它工程机械相关问题的解决提供借鉴。 各章内容分述如下： 第一章论述了在当前能源紧缺、环境恶化的情况下研究液压挖掘机能量回收系统的重要意义，介绍了各种类型的能量回收系统的特点及应

9、用场合，对比分析了能量回收技术在汽车领域和液压挖掘机上应用的不同点，介绍了能量回收系统在工程机械领域和液压挖掘机的研究现状，概述了本论文的研究内容及论文的研究工作 第二章以某吨级液压挖掘机为对象建立了液压挖掘机的负载测试系统，基于液压挖掘机工作中的实测数据，研究液压挖掘机各执行机构能量回收再利用的可行性以及各执行机构可回收能量所占比重，分析了液压挖掘机动臂势能回收的工况特点。针对液压挖掘机引入混合动力系统后具备电量储存装置的特点，分析了能量回收系统的基本结构和工作原理，建立动臂速度控制的数学模型并对控制特性进行了分析，同时建立了和的联合仿真模型，从管道长度、等效转动惯量以及发电机控制参数等研究

10、了其对系统操作性能的影响。 第三章以斜轴式轴向柱塞液压马达为研究对象，建立了其效率数学模型，通过借助试验方法和中辨识函数等辨识得到各损耗参数，从液压马达排量、液压 浙江大学博士学位论文马达压力等方面研究了液压马达的效率特性。基于考虑永磁同步发电机的铁损后的按转子磁场定向的轴等效电路图以及的控制策略，建立了发电机的效率数学模型，研究了发电机效率和转速、转矩等的关系。建立了超级电容的效率数学模型，通过试验平台测试了超级电容的容量特性、内阻特性以及超级电容效率与充放电状态的关系最后，提出了能量转换单元在变转速控制模式和变转速和变排量复合控制两种模式时的效率优化策略 第四章提出了一种基于节流辅助调速的

11、势能能量回收系统，分析了其系统结构及工作原理，建立了数学模型并完成了控制性能分析。提出了液压挖掘机采用能量回收系统后动臂新型工作模式的判断规则以高效回收能量为目标，考虑到低速控制精度差、系统损耗以及防止液压马达吸空现象，提出了发电机动态修正工作点的控制规则考虑到实际液压挖掘机难以安装速度传感器等特点，提出了一种基于发电机转速波动的比例节流阀分流以及比例方向阀限流的节流调速和容积调速的复合控制规则从操作性能和能量回收效率两方面展开了试验研究，试验表明该方案可以解决基本能量回收系统中低目标速度时震荡较大和高目标速度时动态响应较低的问题，同时能量回收效率在无变量马达优化时维持在，而有变量马达优化时维

12、持在。 第五章提出了一种基于蓄能器的液压马达发电机能量回收系统，分析了其系统结构及工作原理，建立了数学模型并完成了性能分析基于蓄能器最大能量密度、动臂下放驱动性能等约束条件，完成了蓄能器、液压马达、发电机的参数优化设计为了保证最小能量回收时间以及防止电磁换向阀的频繁切换造成压力和流量冲击，提出了两级压力判断的液压马达发电机工作模式决策准则。分析了液压马达发电机的最小能量回收时间、额定能量回收时间以及极限大能量回收时间的确定针对采用能量回收系统后，动臂下放过程和液压马达发电机能量回收过程实现相互独立的特点，研究了动臂下放和非下放两种模式的比例方向阎和发电机不同的控制规则。基于所研制的试验平台展开

13、了试验研究，试验表明，该方案可以大幅度降低液压马达发电机的功率等级，提高能量回收时间，在稳定发电机工作点方面、极限工况回收能量等方面具有明显的优势，同时不影响其操作性能。 第六章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：液压挖掘机；能量回收系统；混合动力系统；蓄能器；液压马达；发电机；控制策略；节能 （了 ” ”， ， （）， ， ， ， ， （） ， ， （ ） ， ， ， ， ， ， ， ， ， （）， ?螅? ， 、析 浙江大学博士学位论文 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ， ， 、衍 ： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，

14、 ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ； ； ； 图表目录 图表目录 路示意图 梯结构简图 ！； 示意图 的车辆制动能量能量回收示意图 动系统示意图 驱动系统示意图图起重机能量回收系统示意图图日立混合动力装载机驱动示意图图 型油电混合动力装载机 图 混合动力装载机图川崎混合动力装载机图电动叉车能量回收系统示意图 图丰田公司的混合动力叉车图基于超级电容的起重机驱动示意图图柳工油电混合动力装载机￥图电动叉车电气式能量回收系统原理图图小松混合动力液压挖掘机图小松的混合动力液压挖掘机系统图 弋少了建机与神户制钢所的混合动力挖掘机的动臂驱动系统图日立建机混合动力挖掘机图卡特彼勒吨挖掘机动臂势能能量回收单元原理图图韩国釜山大学液压挖掘机机械臂势能回收系统原理图图浙江大学研制混合动力液压挖掘机图液压挖掘机负载测试平台照片。图标准挖掘工作周期各执行机构可回收能量归一化曲线图标准挖掘工作周期动臂可回收能量和可回收功率（铲斗空斗）图标准挖掘工作周期动臂可回收能量和可回收功率（铲斗满斗）