混合動力挖掘機軸系扭振測試

黃中華，謝 雅，鄧 奕，劉 質(zhì)

（1.湖南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411104；2中南大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

面對全球性的能源危機和環(huán)境污染等重大問題，量大面廣的挖掘機亟需應(yīng)對節(jié)能環(huán)保和油價日益上漲的壓力，努力在技術(shù)上尋求新的解決方案.混合動力系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域的成功應(yīng)用有力地推動了混合動力系統(tǒng)在挖掘機中的應(yīng)用.并聯(lián)式混合動力挖掘機是目前廣泛研究的混合動力挖掘機，其動力系統(tǒng)通常由柴油機和電動機同軸連接而成.混合動力挖掘機工作時，通過控制電動機的工作狀態(tài)實現(xiàn)“削峰填谷”，保持柴油機始終工作在高效區(qū)，從而實現(xiàn)節(jié)能和減排的目標(biāo)［1－3］.

動力系統(tǒng)軸系的扭振會使動力軸內(nèi)部產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，輕則對動力軸造成疲勞損傷，重則導(dǎo)致動力軸發(fā)生斷軸事故［4－5］.與傳統(tǒng)挖掘機動力系統(tǒng)相比，由于電動機的引入，導(dǎo)致混合動力系統(tǒng)軸系的剛度、阻尼和激勵源發(fā)生了變化.獲取混合動力系統(tǒng)軸系的扭振特性，對掌握軸系的扭振規(guī)律、提出扭振抑制方法具有重要作用［6－8］.為此，研制了混合動力系統(tǒng)軸系扭振測試實驗臺，并開展了軸系的扭振測試研究.

1 實驗裝置與實驗方案

設(shè)計的混合動力系統(tǒng)軸系扭振特性實驗裝置的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.它主要由柴油機、電動機、液壓泵和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器構(gòu)成，其中液壓泵用于對軸系施加轉(zhuǎn)矩載荷，模擬動力系統(tǒng)的負載.

圖1 實驗裝置動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Experimental table power system structure

實驗裝置以6t級混合動力挖掘機動力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)參數(shù)為設(shè)計依據(jù)，動力系統(tǒng)主要部件的選型及參數(shù)如表1所示.

混合動力系統(tǒng)軸系扭振測試實驗方案如下：

（1）在柴油機的輸出端安裝磁電式編碼器，并將編碼器與扭振測試儀相連.

（2）啟動柴油機，并把柴油機的油門開度固定至某一設(shè)定值.

（3）啟動液壓加載系統(tǒng)，并將加載功率設(shè)定至某一設(shè)定值.

（4）實時測量軸系的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和扭振角.

表1 主要部件參數(shù)Tab.1 Main component parameters

2 實驗結(jié)果與分析

實驗時將混合動力系統(tǒng)的負載設(shè)定為80N·m，將柴油機的油門位置θ分別設(shè)定為55%，60%，70%，80%，88%，93%，98%，進行7組實驗.每組實驗重復(fù)3次，分別用a，b，c表示，用n表示混合動力軸系的工作轉(zhuǎn)速，f0表示混合動力軸系的工作轉(zhuǎn)頻，m表示工作轉(zhuǎn)頻的倍數(shù).

油門位置為55%時，軸系的扭振譜如圖2所示.從圖2可以看出：3次測量結(jié)果非常接近，表明軸系的扭振譜穩(wěn)定；扭振角最大值發(fā)生在2f0處，表明引起軸系振動的主要激勵頻率為2f0；扭振的激勵頻率主要集中在0.5f0～2.0f0，表明高頻激勵對軸系的扭振貢獻很小.

圖2 軸系扭振譜（θ＝55%）Fig.2 Shafting torsional vibration spectrum （θ＝55%）

表2是不同油門開度θ下軸系的轉(zhuǎn)速測量結(jié)果，從表2可以看出：隨著油門開度的增加，軸系的工作轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加.

不同油門開度和不同倍頻下軸系的最大扭振角測量結(jié)果如表3所示，對應(yīng)的扭振譜曲線如圖3所示.從圖3可以看出：不同轉(zhuǎn)速下軸系的扭振譜曲線變化規(guī)律一致，表明扭振是軸系的固有特性；不同轉(zhuǎn)速下軸系的最大扭轉(zhuǎn)角均發(fā)生在2f0處，表明引起軸系扭振的激勵頻率為2f0；不同轉(zhuǎn)速下軸系扭振的激勵頻率主要集中在0.5f0～2.0f0，表明高頻激勵對軸系的扭振貢獻很小.

表2 軸系轉(zhuǎn)速測量結(jié)果Tab.2 Shafting rotate speed test result

表3 不同油門開度下軸系扭振測量結(jié)果（0.0001°）Tab.3 Shafting torsional vibration test result with different throttle angle（0.0001°）

實驗中使用的柴油機為4缸柴油機，汽缸壓力的變化頻率為柴油機曲軸轉(zhuǎn)頻的2倍.由此可見，混合動力系統(tǒng)軸系扭振的產(chǎn)生原因是柴油機汽缸壓力的周期性變化，電動機的引入對動力系統(tǒng)軸系的扭振特性影響不大.

圖3 不同轉(zhuǎn)速下軸系扭振頻譜圖Fig.3 Shafting torsional vibration spectrum with different throttle angle

3 結(jié)論

（1）不同轉(zhuǎn)速下混合動力系統(tǒng)軸系的最大扭轉(zhuǎn)角均發(fā)生在2f0處.不同轉(zhuǎn)速下軸系扭振的激勵頻率主要集中在0.5f0～2.0f0.

（2）混合動力系統(tǒng)軸系扭振產(chǎn)生的主要激勵源是柴油機，電動機的引入對混合動力系統(tǒng)軸系的扭振特性影響不大.

［1］OCHIAI M，RYU S.Hybrid in construction machinery［C］∥Proceedings of the 7th JFPS International Symposium on Fluid Power.Tsukuba：JFPS，2008：41－44.

［2］LIN Tianliang，WANG Qingfeng，HU Baozan，et al.Development of hybrid powered hydraulic construction machinery［J］.Automation in Construction，2010，19（1）：11－19.

［3］XIAO Qing，WANG Qingfeng，ZHANG Yanting.Control strategies of power system in hybrid hydraulic excavator［J］.Automation in Construction，2008，17（4）：361－367.

［4］岳東鵬，苗德華，張峻霞.機電耦合作用下混合動力系統(tǒng)軸系動力學(xué)分析［J］.汽車工程，2008，30（3）：211－214.

YUE Dongpeng，MIAO Dehua，ZHANG Junxia.Theory study of electro-mechanical coupling vibration on hybrid system shafts［J］.Tractor ＆ Farm Transporter，2010，22（3）：212－216.

［5］VUL’FSON I I，PREOBRAZHENSKAYA M V.Excitation of bending and torsional vibrations in multisectional drives of cyclic machines［J］.Journal of Machinery Manufacture and Reliability，2010，39 （2）：111－117.

［6］SAFINA G F.Investigations of the torsional vibrations of a shaft with disks［J］.Russian Journal of Nondestructive Testing，2011，47（3）：189－201.

［7］BOVSUNOVSKII A P，CHEMOUSENKO O Y，SHTEFAN E V.Fatigue damage and failure of steam turbine rotors by torsional vibrations［J］.Strength of Materials，2010，42（1）：108－113.

［8］TSAI J I.A new damper scheme to restrict torsional torques on the turbine generator shafts and blades near a HVDC link［J］.Electrical Engineering，2006，89（5）：377－387.