(太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030024)
液壓挖掘機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于各類土方作業(yè)的工程機(jī)械,具有功率密度大、動(dòng)作靈活、可承受較大的振動(dòng)與沖擊載荷等優(yōu)點(diǎn)?,F(xiàn)有液壓挖掘機(jī)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變量液壓泵作為動(dòng)力源,并通過多路閥實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行器的油路分配。為滿足挖掘機(jī)的短時(shí)大功率需求,一般按照所需峰值載荷配置柴油發(fā)動(dòng)機(jī),而液壓挖掘機(jī)在大部分時(shí)間內(nèi)工作在低負(fù)荷狀態(tài),導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)長期工作在低效區(qū)域,特別是外部載荷變化較大時(shí),內(nèi)燃機(jī)效率只有35%左右。此外,現(xiàn)有柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓挖掘機(jī)存在噪聲大、排放污染嚴(yán)重等問題。因此,提高挖掘機(jī)動(dòng)力源能效,減少廢氣排放與噪聲污染,對工程機(jī)械節(jié)能減排、綠色發(fā)展具有重要意義。
為提高液壓挖掘機(jī)動(dòng)力源的能效,一些學(xué)者針對功率匹配技術(shù)、混合動(dòng)力技術(shù)進(jìn)行研究??娗锷彽萚1-2]基于MATLAB/Simulink設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速傳感變量控制系統(tǒng),改善發(fā)動(dòng)機(jī)與油泵的功率匹配,降低油耗。耿亞杰等[3]采用二次調(diào)節(jié)技術(shù)對負(fù)載功率進(jìn)行平衡,使柴油機(jī)工作高效區(qū)。YANG Jing等[4]提出采用發(fā)動(dòng)機(jī)停缸控制技術(shù),提高發(fā)動(dòng)機(jī)輕載工況下的負(fù)載率,使挖掘機(jī)每個(gè)工作循環(huán)的油耗降低約13%。在混合動(dòng)力技術(shù)方面,管成等[5]提出一種功率差值補(bǔ)償式油液混合動(dòng)力系統(tǒng),改善了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng),提高了燃油效率。崔寧等[6]針對采用蓄能器的并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng),提出一種基于實(shí)時(shí)優(yōu)化力矩分配的多目標(biāo)優(yōu)化控制策略,提高發(fā)動(dòng)機(jī)能效,降低轉(zhuǎn)矩變化幅度。
然而,功率匹配技術(shù)和混合動(dòng)力技術(shù)雖然能夠在一定程度上提高發(fā)動(dòng)機(jī)能效,降低油耗和排放,但發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源時(shí),其燃油轉(zhuǎn)化率只有30%~40%[7],且仍存在噪聲大、污染嚴(yán)重的問題。為此,純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)因其具有的低噪聲、高能效等優(yōu)勢,逐漸成為液壓挖掘機(jī)新的發(fā)展方向。
目前,純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)多采用定速電機(jī)與變量泵作為動(dòng)力源,電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,在怠速和輕載工況,電動(dòng)機(jī)和液壓泵都工作在低效區(qū),能量浪費(fèi)嚴(yán)重。為解決這一問題,一種方法是采用變速電機(jī)與定量泵驅(qū)動(dòng)方案[8],權(quán)龍等[9]申請了一項(xiàng)變轉(zhuǎn)速容積直驅(qū)純電液壓挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)及能量回收系統(tǒng)的專利,減少系統(tǒng)節(jié)流損失,并提高挖掘機(jī)運(yùn)行能效。梁濤等[10]提出一種伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵的流量匹配控制系統(tǒng),顯著降低了挖掘機(jī)能耗。另一種方法是采用變速電機(jī)與變量泵的驅(qū)動(dòng)方案。
本研究基于LUDV系統(tǒng)(抗流量飽和負(fù)載敏感系統(tǒng)),采用變頻異步電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源,提出一種基于“排量預(yù)值”的轉(zhuǎn)速排量復(fù)合控制模式,通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,使變量泵排量盡可能保持在“排量預(yù)值”(指液壓泵實(shí)際排量的控制目標(biāo)值)附近,液壓泵的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以補(bǔ)償變頻異步電機(jī)響應(yīng)速度的不足,當(dāng)工作裝置靜止時(shí),電機(jī)以最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行,降低挖掘機(jī)空載能耗。搭建了純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)聯(lián)合仿真模型,針對動(dòng)臂單動(dòng)作及工作裝置復(fù)合動(dòng)作工況進(jìn)行仿真研究,對比分析不同驅(qū)動(dòng)方案下液壓挖掘機(jī)能耗特性,并分析“排量預(yù)值”對純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)能效的影響。
圖1為純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)原理圖,主要包括:電機(jī)控制系統(tǒng)、負(fù)載敏感泵、負(fù)載補(bǔ)償多路閥組、各執(zhí)行器油缸及液壓馬達(dá)等。具體來說,電機(jī)控制系統(tǒng)中的變頻電機(jī)及變頻器構(gòu)成轉(zhuǎn)速可變的動(dòng)力裝置,其外接電源為380 V交流電源。負(fù)載補(bǔ)償多路閥和負(fù)載敏感泵共同實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的抗流量飽和及多執(zhí)行器流量匹配功能。
將最高負(fù)載壓力pmax引入負(fù)載敏感泵的X油口,在負(fù)載敏感泵內(nèi)部各控制閥共同作用下,保證泵出口壓力ps始終高于最高負(fù)載壓力一定值,保證負(fù)載的輸出。負(fù)載補(bǔ)償多路閥不僅承擔(dān)著各執(zhí)行器的換向功能,而且還具有壓力補(bǔ)償功能,保證閥口兩端壓差Δp相等,使輸入不同的執(zhí)行器的流量完全由負(fù)載補(bǔ)償閥的開度決定,當(dāng)系統(tǒng)流量需求大于液壓泵所能提供的最大流量時(shí),能夠按照比例降低供給各執(zhí)行器的流量。
圖1 純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)工作原理
液壓泵的輸出流量q為:
q=nV
(1)
式中,n—— 電機(jī)轉(zhuǎn)速
V—— 液壓泵的排量
由式(1)可知,改變泵的轉(zhuǎn)速或排量均能改變泵的輸出流量。根據(jù)現(xiàn)有研究可知[11],就電機(jī)的效率而言,當(dāng)電機(jī)負(fù)載功率較大時(shí),效率隨著轉(zhuǎn)速的提高而提高,而負(fù)載功率相對較小時(shí),低速下的能效比高速下的能效高。就泵效率而言,當(dāng)出口壓力一定時(shí),輸出流量不變,則泵的容積效率可視為常數(shù),而泵的機(jī)械效率隨排量的增加或轉(zhuǎn)速的降低而提高。液壓挖掘機(jī)在大多數(shù)情況下都工作在部分載荷工況,因此,要想使電機(jī)和液壓泵組成的電液動(dòng)力源效率盡可能高,需要使液壓泵盡量工作在較大排量下。
同時(shí),在電機(jī)和液壓泵共同驅(qū)動(dòng)時(shí)涉及到“動(dòng)態(tài)響應(yīng)”問題,泵的響應(yīng)速度比電機(jī)的響應(yīng)速度快[12]。因此,通過將泵預(yù)期排量設(shè)置在一個(gè)相對較高的值,當(dāng)挖掘機(jī)流量發(fā)生突變時(shí),液壓泵的快速響應(yīng)可以彌補(bǔ)電機(jī)響應(yīng)不足,保證了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。
因此,提出一種基于“排量預(yù)值”的轉(zhuǎn)速排量復(fù)合控制模式,如圖2所示,通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,使液壓泵排量維持在較大的“排量預(yù)值”附近。具體來說:輸入信號為“排量預(yù)值”,反饋信號為液壓泵的實(shí)際排量值,二者偏差通過PID控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,當(dāng)液壓泵排量值小于“排量預(yù)值”時(shí),變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低,液壓泵出油口壓力減小,在變量機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下,液壓泵排量會(huì)增大,反之亦然。在這種控制模式下,一方面,液壓泵保持在較大排量下運(yùn)行,提高效率;另一方面,液壓泵的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以彌補(bǔ)變頻異步電機(jī)響應(yīng)速度的不足。
以某型6 t液壓挖掘機(jī)為研究對象,搭建液壓挖掘機(jī)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型。將挖掘機(jī)主要零部件導(dǎo)入SimulationX軟件中,按照與實(shí)際機(jī)器一致的約束關(guān)系進(jìn)行裝配,構(gòu)成挖掘機(jī)機(jī)械模型;基于LUDV系統(tǒng)原理搭建挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)模型,并通過力約束將液壓系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)聯(lián)合起來;最后,通過柴油發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線與油耗特性參數(shù)搭建柴油發(fā)動(dòng)機(jī)模型,并搭建變頻電機(jī)及控制系統(tǒng)模型,將其與負(fù)載敏感泵同軸連接,分別構(gòu)成柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)和純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型,其中,發(fā)動(dòng)機(jī)為YC4F60Z-T10柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。由于液壓挖掘機(jī)在不同工況下會(huì)有不同的擋位,在重載時(shí)設(shè)定額定轉(zhuǎn)速為2200 r/min,在輕載時(shí)設(shè)定額定轉(zhuǎn)速為1800 r/min;電機(jī)為變頻異步電機(jī),其額定功率為37 kW,額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min;為保證挖掘機(jī)性能不發(fā)生改變,發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)主泵額定排量為63 mL/r,電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)主泵額定排量為71 mL/r。圖3為純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型。
圖2 基于“排量預(yù)值”的轉(zhuǎn)速排量復(fù)合控制模式圖
圖3 純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型
利用所建立的液壓挖掘機(jī)仿真模型, 將動(dòng)臂運(yùn)行過程的仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,以驗(yàn)證所建立液壓挖掘機(jī)模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上, 針對動(dòng)臂單動(dòng)作(輕載工況)及工作裝置復(fù)合動(dòng)作工況(即重載工況,指動(dòng)臂-斗桿-鏟斗配合實(shí)現(xiàn)物料的挖掘-卸料-復(fù)位的過程)進(jìn)行仿真研究,對傳統(tǒng)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)、定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)和基于“排量預(yù)值”的轉(zhuǎn)速排量復(fù)合控制模式液壓挖掘機(jī)運(yùn)行與能耗特性進(jìn)行分析,并分析不同“排量預(yù)值”(指液壓泵排量預(yù)值與液壓泵最大排量的比值)對純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)能效特性的影響。
為了驗(yàn)證所建立液壓挖掘機(jī)仿真模型的準(zhǔn)確性,將動(dòng)臂運(yùn)行過程中動(dòng)臂缸位移與兩腔壓力的仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,如圖4所示,動(dòng)臂舉升過程中(0~4 s),無桿腔壓力波動(dòng)較大,且波動(dòng)幅度隨著舉升過程的進(jìn)行逐漸減小,這一載荷特點(diǎn)符合大多數(shù)的重載舉升系統(tǒng)。在4~7 s, 動(dòng)臂位移的仿真與試驗(yàn)曲線均恒定不變,但由于在試驗(yàn)過程中,動(dòng)臂液壓缸在此階段已達(dá)到最大位移,無桿腔達(dá)到系統(tǒng)最大壓力,而此階段動(dòng)臂位移的仿真結(jié)果未達(dá)到最大位移,故此階段仿真與試驗(yàn)結(jié)果的動(dòng)臂缸無桿腔壓差較大。但綜合分析圖中曲線可知,動(dòng)臂運(yùn)行過程中的仿真與試驗(yàn)結(jié)果十分接近,表明所建立液壓挖掘機(jī)聯(lián)合仿真模型的準(zhǔn)確性較高[12]。
圖4 動(dòng)臂運(yùn)行過程仿真試驗(yàn)結(jié)果對比
圖5為動(dòng)臂單動(dòng)作時(shí),采用傳統(tǒng)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)、定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)和基于“排量預(yù)值”的轉(zhuǎn)速排量復(fù)合控制模式的液壓挖掘機(jī)各液壓缸位移曲線,從圖中可以看出,不同運(yùn)行模式下具有相同的運(yùn)行特性。圖6為復(fù)合動(dòng)作工況時(shí),各工作液壓缸位移曲線。
圖5 動(dòng)臂單動(dòng)作時(shí)動(dòng)臂缸位移曲線
圖6 復(fù)合動(dòng)作時(shí)各液壓缸位移曲線
圖7和圖8分別為動(dòng)臂單動(dòng)作和工作裝置復(fù)合動(dòng)作工況時(shí),采用不同驅(qū)動(dòng)方案所對應(yīng)的液壓泵排量。由圖7可知,動(dòng)臂單動(dòng)作工況時(shí),由于傳統(tǒng)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)和定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的液壓泵轉(zhuǎn)速均為定值,因此,液壓泵排量在動(dòng)臂舉升階段(2~6 s)相對于動(dòng)臂下降階段(7~10.2 s)較大。采用轉(zhuǎn)速排量復(fù)合控制模式的液壓泵排量在動(dòng)臂上升與下降階段均能達(dá)到目標(biāo)值50 mL/r左右。不同控制模式下,在動(dòng)臂靜止階段(0~2 s,10.2~12 s),液壓泵排量均為最小值。由圖8可知,工作裝置復(fù)合動(dòng)作工況,采用轉(zhuǎn)速排量復(fù)合控制模式,液壓泵排量在挖掘舉升與下降復(fù)位階段均能達(dá)到50 mL/r左右。而柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)和定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的液壓泵排量較小, 排量值在挖掘舉升階段大于下降復(fù)位階段。在復(fù)合動(dòng)作5, 7, 15, 19 s處,由于泵的響應(yīng)速度優(yōu)于電機(jī)的響應(yīng)速度,導(dǎo)致在流量發(fā)生突變時(shí),泵排量出現(xiàn)明顯波動(dòng)。
圖7 動(dòng)臂單動(dòng)作時(shí)液壓泵排量
圖8 復(fù)合動(dòng)作時(shí)液壓泵排量
圖9和圖10分別為動(dòng)臂單動(dòng)作和工作裝置復(fù)合動(dòng)作工況時(shí),不同驅(qū)動(dòng)方案下轉(zhuǎn)速變化曲線。由圖9、圖10可知,在定轉(zhuǎn)速控制模式下,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)重載、輕載與定速電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為2200, 1800, 1500 r/min,而在轉(zhuǎn)速排量復(fù)合控制模式下,由于在動(dòng)臂舉升與下降階段,液壓泵排量均為目標(biāo)值50 mL/r,因此,在單動(dòng)作工況下,變速電機(jī)轉(zhuǎn)速較小,動(dòng)臂舉升階段的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為768 r/min,動(dòng)臂下降階段電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為462 r/min,而在動(dòng)臂靜止階段電機(jī)轉(zhuǎn)速為最小值300 r/min。工作裝置復(fù)合動(dòng)作工況時(shí),由于在工作裝置復(fù)合動(dòng)作工況的挖掘機(jī)流量需求較大, 變速電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高,在挖掘階段與卸料階段中電機(jī)最高轉(zhuǎn)速分別為1580, 700 r/min。
圖9 動(dòng)臂單動(dòng)作時(shí)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線
圖10 復(fù)合動(dòng)作時(shí)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線
設(shè)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的輸入功率為P1,液壓泵效率為η1,電機(jī)效率為η2,則純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)運(yùn)行過程中所需要輸入的電功率Pe為:
(2)
液壓挖掘機(jī)運(yùn)行時(shí)間為t時(shí),消耗的電能E1為:
(3)
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性數(shù)據(jù)計(jì)算,發(fā)動(dòng)機(jī)油耗為:
(4)
式中,cice—— 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率
M—— 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩
n—— 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
E2=σmice
(5)
式中,σ—— 柴油燃燒值,一般取σ=4.3×107kg
E2—— 發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入能量
由于液壓挖掘機(jī)工況復(fù)雜,所以有不同的擋位適用于不同的載荷工況,這里設(shè)置挖掘機(jī)重載工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2200 r/min,輕載工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1800 r/min。
一方面,利用發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和燃油消耗率曲線,并結(jié)合式(4)和式(5)計(jì)算得出發(fā)動(dòng)機(jī)能耗。另一方面,根據(jù)大量試驗(yàn)仿真得出的電機(jī)效率曲線圖和泵效率曲線計(jì)算得出電機(jī)能耗,在此基礎(chǔ)上,將電機(jī)能耗和發(fā)動(dòng)機(jī)能耗的單位進(jìn)行統(tǒng)一,得到不同驅(qū)動(dòng)方案下挖掘機(jī)1 h能耗對比情況,如表1所示,無論是動(dòng)臂單動(dòng)作工況,還是工作裝置復(fù)合動(dòng)作工況,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案能耗均為最大,變轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)方案能耗最小。
表1 不同工況下各驅(qū)動(dòng)方案1 h能耗對比 kW·h
在得到發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、電機(jī)能耗的基礎(chǔ)上,按照柴油費(fèi)用6.2元/L、電費(fèi)0.7元/(kW·h)進(jìn)行計(jì)算,得到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)重載、輕載、定轉(zhuǎn)速電機(jī)和變轉(zhuǎn)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案下挖掘機(jī)循環(huán)工作1 h運(yùn)行成本曲線,如圖11所示,左上放大圖為復(fù)合動(dòng)作下,一個(gè)工作循環(huán)下不同驅(qū)動(dòng)方案的運(yùn)行成本。由圖可知,在重載工況下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案每小時(shí)運(yùn)行成本分別為15.41元,采用定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案每小時(shí)成本約為8.19元,轉(zhuǎn)速排量復(fù)合控制方案每小時(shí)運(yùn)行成本約為4.83元。另計(jì)算得出在輕載工況下每小時(shí)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、定轉(zhuǎn)速電機(jī)和變轉(zhuǎn)速電機(jī)方案成本分別為6.34, 3.36, 2.1元。綜上,與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和定轉(zhuǎn)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案相比,采用所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速排量復(fù)合控制方法,可以分別節(jié)約成本約63%和38%。
圖11 復(fù)合動(dòng)作時(shí)運(yùn)行成本對比
圖12為動(dòng)臂單動(dòng)作工況時(shí),不同“排量預(yù)值”所對應(yīng)的電機(jī)和泵的電機(jī)功率曲線。由圖可知,動(dòng)臂單動(dòng)作工況,隨著“排量預(yù)值”的增大,電機(jī)和液壓泵的總效率逐漸提高,電機(jī)功率逐漸減小。將電機(jī)功率曲線對時(shí)間積分,可得到不同“排量預(yù)值”所對應(yīng)的電機(jī)運(yùn)行成本,如表2所示,隨著“排量預(yù)值”的增大,電機(jī)每小時(shí)耗電量與電費(fèi)成本逐漸降低;當(dāng)“排量預(yù)值”為0.9時(shí),電機(jī)每小時(shí)運(yùn)行成本較“排量預(yù)值”為0.5時(shí)低0.57元。
圖12 動(dòng)臂單動(dòng)作時(shí)電機(jī)功率曲線
表2 動(dòng)臂單動(dòng)作工況的電機(jī)功耗指標(biāo)
排量預(yù)值1 h耗電量/kW·h電費(fèi)/元0.53.912.740.73.572.490.83.352.350.93.102.17
(1) 純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)采用基于“排量預(yù)值”的轉(zhuǎn)速-排量復(fù)合控制模式,可以通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,使液壓泵排量保持在“排量預(yù)值附近”,并且與傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)相同的運(yùn)行特性,能夠滿足作業(yè)要求;
(2) 與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和定轉(zhuǎn)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案相比,采用基于“排量預(yù)值”的轉(zhuǎn)速排量復(fù)合控制模式,液壓挖掘機(jī)運(yùn)行成本可以降低約63%和38%;
(3) 在一定范圍內(nèi),隨著“排量預(yù)值”的增大,純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)的電機(jī)效率逐漸提高,運(yùn)行成本逐漸降低。