混聯(lián)式混合動力挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析建模與參數(shù)匹配

摘要：混合動力液壓系統(tǒng)是以某型液壓挖掘機(jī)原動力-液壓系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一套液壓-油-電三混合動力的多系統(tǒng)相結(jié)合的方案。該混聯(lián)式混合動力方案的設(shè)計需適應(yīng)挖掘機(jī)負(fù)載變化劇烈及啟停頻繁的工況，即在挖掘機(jī)的動臂上升、動臂下降、回轉(zhuǎn)啟動、回轉(zhuǎn)制動以及復(fù)合動作等工況下，選擇不同的能量傳遞和能量回收或能量釋放的能量流路線，使液壓系統(tǒng)與動力系統(tǒng)進(jìn)行更好的匹配，既能達(dá)到節(jié)能減排提高燃油效率的目的，又不影響挖掘機(jī)的操作性和安全性要求。

關(guān)鍵詞：混合動力;混聯(lián);數(shù)學(xué)建模

一、混合動力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

由于工程機(jī)械的作業(yè)工況負(fù)載沖擊大而且具有強突變的特點，同時車輛的工作模式、集成控制系統(tǒng)軟件與能量回收模式等方面存在較大的差異，所以在工程機(jī)械領(lǐng)域運用混合動力系統(tǒng)有三個關(guān)鍵的技術(shù)：混合動力模式的選取及動力參數(shù)優(yōu)化匹配、控制策略、能量回收系統(tǒng)及存儲設(shè)備[1]。

工程機(jī)械的液壓傳動通過使用液壓馬達(dá)和液壓油缸對回收油量進(jìn)行能量回收，最后存儲到儲能元件中去。在選取儲能元件時要根據(jù)機(jī)器自身機(jī)構(gòu)、工作特點和它的動態(tài)性能，使其滿足系統(tǒng)功率與能量的分配需要。儲能元件一方面儲存能量，另一方面向電動機(jī)提供能量。常用的儲能元件的能量回收方法按照儲存能量的形式可以分成機(jī)械式、液壓式、電氣式三大類，其對比情況詳見表2-1

二、混聯(lián)式混合動力挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合液壓挖掘機(jī)的動力結(jié)構(gòu)以及執(zhí)行結(jié)構(gòu)的特點，設(shè)計如圖1所示的動力傳動流程圖，從圖中可以看出“發(fā)動機(jī)=第一電動機(jī)=變量泵”構(gòu)成并聯(lián)系統(tǒng)，“發(fā)動機(jī)==第一電動機(jī)==變量泵+第二電動機(jī)==泵/馬達(dá)”構(gòu)成串聯(lián)動力系統(tǒng)。結(jié)合某型的動臂-回轉(zhuǎn)復(fù)合回路，根據(jù)此動力流程的設(shè)計目標(biāo)，進(jìn)行基于液壓泵/馬達(dá)的混聯(lián)式液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計。

圖1動臂-回轉(zhuǎn)復(fù)合回路混合動力流程圖

如圖2所示是本文設(shè)計的液壓挖掘機(jī)混聯(lián)式能量回收系統(tǒng)原理圖，包括：動臂油缸和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變量泵、蓄電池系統(tǒng)、電磁換向閥、液控單向閥、液控?fù)Q向閥、減速器、離合器、液壓泵/馬達(dá)、各種電磁感應(yīng)元件等。其中，電池/電量儲存單元和變頻器的使用，保證電能的回收存儲和釋放利用。混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，優(yōu)化了動力系統(tǒng)的資源配置，利用變量泵和液壓泵/馬達(dá)的綜合作用，對動臂動作的勢能進(jìn)行回收和分配，增加了系統(tǒng)工作的可靠性和工作效率，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速能保持在其燃油經(jīng)濟(jì)最佳工況，與此同時動臂和回轉(zhuǎn)兩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)合動作的運動協(xié)調(diào)性也得到了改善，實現(xiàn)了能量的靈活利用。

圖2混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的液壓挖掘機(jī)混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)有如下特點：

1.采用混聯(lián)式工作回路

發(fā)動機(jī)和電動機(jī)分別與變量泵系統(tǒng)（原型挖掘機(jī)的雙泵系統(tǒng)）同軸連接，變量泵系統(tǒng)和電動機(jī)不僅作為挖掘機(jī)動作的主動力元件和電力元件，還作為在回收能量過程中發(fā)電環(huán)節(jié)的動力來源，屬于并聯(lián)工作;第二電動機(jī)直接為變量泵系統(tǒng)提供動力，完成回收能量釋放的環(huán)節(jié)，屬于串聯(lián)工作;在系統(tǒng)工作過程中，并聯(lián)和串聯(lián)回路共同完成液壓系統(tǒng)能量回收和能量釋放以及復(fù)合動作的要求，該混聯(lián)式系統(tǒng)使能量利用效率得到了提高，達(dá)到了節(jié)能的目的。

2.能量回收階段

采用泵/馬達(dá)對動臂的勢能回收[2]，以及對回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制動能回收，利用變量泵系統(tǒng)完成對兩個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能量釋放，動臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能量回收采用了同一個能量存儲方式，即共用同一個能量回收和釋放的系統(tǒng)回路，這樣可以減少流量和能量的在更多元件的常規(guī)消耗損失，使回收能量的利用率得到了提高。回轉(zhuǎn)制動的能量和動臂下降的勢能經(jīng)過同一液壓回路進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和流動，減少了液壓元件數(shù)量，節(jié)約了系統(tǒng)成本，避免了系統(tǒng)體積過于龐大;電池系統(tǒng)不僅吸收執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能量，也吸收在變量泵系統(tǒng)工作時因功率匹配不完全等因素多出的能量。

3.能量釋放階段

通過電動機(jī)和變量泵系統(tǒng)完成能量釋放，采用蓄電池系統(tǒng)作為能量釋放源，可以為挖掘機(jī)工作提供大而平穩(wěn)的驅(qū)動電流，滿足了挖掘機(jī)各個工況的功能要求和穩(wěn)定的工作要求，并且通過實時監(jiān)測電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和變量泵的出口壓力，判斷能量釋放是否結(jié)束，即蓄電池系統(tǒng)是否繼續(xù)放電。

4.流量再生階段

回轉(zhuǎn)制動的流量可以經(jīng)過液壓回路的泵/馬達(dá)元件的變壓后直接提供動臂機(jī)構(gòu)的上升工況;反之動臂下降的勢能也可以為回轉(zhuǎn)動作直接提供能量，多余的能量積蓄存儲在電池系統(tǒng)中，這種液壓流量的再生循環(huán)利用，即一次回收和二次回收，避免了油箱供油的升壓能量浪費，實現(xiàn)了液壓回路的流量的靈活性和多樣性流動，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

5.復(fù)合動作

動臂機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以單獨工作，也可以同時動作，兩大執(zhí)行機(jī)構(gòu)均可以進(jìn)行能量的回收和能量的釋放;當(dāng)復(fù)合動作時其中一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于能量可以回收利用的狀態(tài)時，可以達(dá)成流量和能量的互相利用，多余的能量存入回收系統(tǒng)的電池系統(tǒng)中，復(fù)合動作的回路節(jié)省了能量從回收到轉(zhuǎn)換釋放的的操作流程，對能量進(jìn)行了充分的利用。

三、系統(tǒng)工況分析及數(shù)學(xué)建模

1.動臂上升過程

主電動機(jī)帶動變量泵系統(tǒng)工作，油箱提供流量，動臂主換向閥右位工作，變量泵系統(tǒng)的流量經(jīng)主換向閥至變量泵，高壓油液最終進(jìn)入動臂油缸的無桿腔，在壓差作用下帶動動臂上升;動臂油缸的有桿腔體積縮小，流出有桿腔的油液通過節(jié)流閥到達(dá)主換向閥的第三油口，最終流量通過主換向閥的第一油口回入油箱;當(dāng)油液壓力過大時，溢流閥被打開，多余壓力油液經(jīng)溢流閥卸至油箱以起到保護(hù)回路的作用。

當(dāng)動臂上升時，動臂控制閥聯(lián)工作在右位，動臂控制閥聯(lián)亦工作在右位;回轉(zhuǎn)優(yōu)先閥的工作位置則取決于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是否工作：若無回轉(zhuǎn)操作，則其節(jié)流口不起作用。兩個液壓泵合流后共同給動臂缸的活塞腔供油，此時動臂缸活塞運動方程為：

（1-1）

式中式中p2，p1分別為動臂缸活塞腔和有桿腔的壓力;A1，A2為動臂活塞有桿腔和無桿腔的有效作用面積;m為動臂和負(fù)載的總質(zhì)量;G’為動臂和負(fù)載的等效重量;ps為液壓泵的輸出壓力;Cq1，Cq2為動臂主控閥1，2的閥口工藝參數(shù);A1（x），A2（x）為主控閥的節(jié)流閥口面積d2x/dt2，dx/dt為動臂活塞的加速度和速度。

2.動臂下降過程

主電動機(jī)帶動變量泵系統(tǒng)工作，動臂機(jī)構(gòu)的主換向閥在先導(dǎo)信號下?lián)Q左位工作，通過變量泵系統(tǒng)的流量經(jīng)主換向閥的第二油口流向第三油口，動臂油缸的有桿腔得到流量下降，當(dāng)下降速度數(shù)據(jù)不穩(wěn)定時，節(jié)流閥在控制信號控制下調(diào)節(jié)開合度，使節(jié)流閥輸出流量的速度趨于定值，從而調(diào)節(jié)動臂下降速度的平穩(wěn)性，使液壓系統(tǒng)流量傳動保持穩(wěn)定;動臂油缸無桿腔里的壓力流量經(jīng)其主換向閥經(jīng)液壓泵/馬達(dá)，將勢能經(jīng)處于發(fā)電模式的第二電動機(jī)，存儲在電池系統(tǒng)中，完成勢能的能量回收。

當(dāng)需要動臂下降的時候：由于動臂下降所承受的負(fù)載相對是較小的，所以只需要一個液壓泵供應(yīng)流量即可。當(dāng)動臂下降時動臂主控閥工作在左位，該油路切斷;動臂主控閥換向，動臂缸有桿腔由液壓前泵單獨供應(yīng)流量。且主控閥的左位回油油路帶有節(jié)流小孔，可產(chǎn)生回油背壓以防止動臂下降過快。動臂下降過程中的運動方程可由式（1-2）表示。

（1-2）

式中A為動臂主控閥1中節(jié)流小孔的節(jié)流面積，Cq為其流量系數(shù)。

3.回轉(zhuǎn)動作過程：

液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作時其系統(tǒng)液壓能將主要由后泵提供，且回轉(zhuǎn)方向由回轉(zhuǎn)主控閥的左位和右位確定。挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)動作的穩(wěn)定閥組通過各自的工作特性以求使回轉(zhuǎn)過程盡可能的平穩(wěn)。制動閥的工作狀態(tài)由操作人員控制，常態(tài)下制動閥由于其自身的彈簧力作用使其處于下位，即在不需要挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)時制動器始終處于制動狀態(tài)，只有當(dāng)回轉(zhuǎn)時才會在先導(dǎo)壓力作用下克服彈簧力使其閥芯上移到上位，制動器被屏蔽，不起制動作用。此時泵/馬達(dá)的物理特征方程可表述為式（1-3）：

（1-3）

式中QL為回轉(zhuǎn)主控閥7流量;θm是液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)角;Dm為液壓馬達(dá)排量;C為液壓馬達(dá)的綜合泄漏系數(shù)，其可表述為Ci+0.5Ce（Ci為內(nèi)泄漏系數(shù)，Ce為外泄漏系數(shù)）;Vt是液壓馬達(dá)容積腔與連接管道總的容積;Jt是液壓馬達(dá)總慣性矩;液壓馬達(dá)阻尼系數(shù)Bm表示的是總黏性的阻尼;G為負(fù)載等效扭轉(zhuǎn)彈簧剛度;TL為液壓馬達(dá)軸的外部力矩;xv是回轉(zhuǎn)主控閥芯位移;PL為液壓馬達(dá)內(nèi)部容積腔壓差;kq為回轉(zhuǎn)主控閥芯流量增益;kc為回轉(zhuǎn)主控閥芯小孔節(jié)流系數(shù);βe為液壓馬達(dá)有效容積彈性模量。

4.動臂-回轉(zhuǎn)復(fù)合動作過程：

本文設(shè)計的混聯(lián)式液壓系統(tǒng)在能量回收中有一次回收，也有二次回收。一次回收是動臂與回轉(zhuǎn)復(fù)合動作時流量的互相利用，二次回收是復(fù)合動作時多余的流量轉(zhuǎn)化為電能的過程，其中二次回收不僅有動臂勢能的轉(zhuǎn)化，也包括回轉(zhuǎn)制動動能的轉(zhuǎn)化。對于設(shè)計的系統(tǒng)回路，具體過程是：當(dāng)動臂下降時，動臂下降的速度由液壓泵/馬達(dá)的排量控制，即根據(jù)第二電動機(jī)E/M的轉(zhuǎn)速和油缸的目標(biāo)速度來決定排量?；剞D(zhuǎn)速度也由第二電動機(jī)E/M調(diào)節(jié)，當(dāng)回轉(zhuǎn)加速時，動臂下降的勢能可以通過液壓泵/馬達(dá)傳遞給回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如有多余的勢能未直接利用，即動臂下降的功率大于回轉(zhuǎn)加速動作所需的功率的工況，則通過處于發(fā)電模式的電動機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池系統(tǒng)中;當(dāng)回轉(zhuǎn)制動動作時，制動動能和動臂下降的勢能均經(jīng)電動機(jī)存儲在電池系統(tǒng)中。

對于動臂下降和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動作，根據(jù)動力流程圖1，利用工作的點線性化，由于泵的壓力傳遞函數(shù)和輸出流量[3]為：

（1-4）

式（4-4）中，為泵的斜盤傾角，N表示元件功率。

其工作狀態(tài)的數(shù)學(xué)描述可以為式（1-5）：

（1-5）

當(dāng)挖掘動作完成，動臂承載上升時，回轉(zhuǎn)優(yōu)先閥將發(fā)揮作用，使液壓泵/馬達(dá)優(yōu)先得到流量供應(yīng)，保證回轉(zhuǎn)的連續(xù)。由于回轉(zhuǎn)優(yōu)先閥使動臂活塞缸活塞腔油路上產(chǎn)生一定的節(jié)流壓差，從而使進(jìn)入動臂缸的流量減少而供應(yīng)液壓泵/馬達(dá)的流量增加。式（1-6）為動臂上升和挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)復(fù)合動作時的液壓回路動態(tài)方程。

（1-6）

式中Cq3為回轉(zhuǎn)優(yōu)先閥3節(jié)流閥口流量系數(shù)，A為其節(jié)流截面通流面積;Δp為回轉(zhuǎn)優(yōu)先閥的節(jié)流壓差[4]。其他的物理參數(shù)在前面的分析中已說明。

所設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)學(xué)動力學(xué)方程以及仿真所需相關(guān)參數(shù)的計算，不僅可以更加了解挖掘機(jī)的整體性能，通過建立的數(shù)學(xué)模型也為系統(tǒng)主要部件的選型及設(shè)計提供了參數(shù)基礎(chǔ)，由于所設(shè)計系統(tǒng)以某型液壓挖掘機(jī)為基礎(chǔ)，在此發(fā)動機(jī)及電動機(jī)的參數(shù)已確定，所要重新選型的是混聯(lián)式系統(tǒng)中代替回轉(zhuǎn)馬達(dá)的液壓泵/馬達(dá)以及電池系統(tǒng)中的蓄電池。

四、液壓泵/馬達(dá)的傳動比設(shè)計

由于系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速和液壓泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)速不是統(tǒng)一的，故需要設(shè)計減速比以匹配工作轉(zhuǎn)速和泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，保證泵/馬達(dá)的工作效率和系統(tǒng)工作的性能。泵/馬達(dá)的工作效率及其排量和功率與傳動比之間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，其定性曲線如圖3所示，從圖中也可以看出泵/馬達(dá)的工作效率與其排量和功率之間均成同增同減的趨勢[5]。

圖3泵/馬達(dá)的工作性能與傳動比的關(guān)系曲線

傳動比由主減速器的減速比io和泵馬達(dá)的轉(zhuǎn)速np/m（r/min）以及回轉(zhuǎn)的半徑r（m）和速度v決定，根據(jù)傳動比的約束條件，即在工作常規(guī)速度下能保證回收能量的良好進(jìn)行，使二次元件的轉(zhuǎn)速小于等于改元件的許用最高轉(zhuǎn)速，如表達(dá)式（1-7）所示：

（1-7）

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入得本文設(shè)計系統(tǒng)的傳動比為：

ip/m=0.377×（0.587×1200）/（15×7）=2.5（1-8）

五、結(jié)論

根據(jù)混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，針對動臂回轉(zhuǎn)聯(lián)合動作，提出適合原型號的混聯(lián)式混合動力液壓系統(tǒng)方案，說明混合動力系統(tǒng)方案的結(jié)構(gòu)組成和工作模式，對單動作回路和聯(lián)合動作回路的能量回收和能量釋放的工作過程進(jìn)行說明;分別對各主要回路進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立系統(tǒng)建模的理論基礎(chǔ)。

混聯(lián)式混合動力挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計不僅具有原有的主要元件選型（如發(fā)動機(jī)，電動機(jī)，變量泵等）和控制系統(tǒng)，還需有混聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)中添加或替換的的新的元件選型，建立挖掘機(jī)的模型，可以為動臂及回轉(zhuǎn)等工況的進(jìn)行更好的優(yōu)化匹配，為后續(xù)試驗的實施提供理論依據(jù)，使所設(shè)計的混合動力液壓挖掘機(jī)在更大程度上發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢和可操作性提升[6]。

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