并联式混合动力液压挖掘机能量回收与动力匹配技术研究

发布时间：2018-04-09 16:44

本文选题：液压挖掘机　切入点：控制策略　出处：《西南交通大学》2015年博士论文

【摘要】：随着新环保法正式实施,各行各业都非常重视节能环保技术的开发和研究。工程机械行业已成为除汽车行业之外使用内燃机产品的最大用户,虽然使用场合仅限于建筑、矿山和施工工地等,但由于其排放密度大,排放指标劣于汽车,因此对环境的污染更为严重。液压挖掘机作为工程机械的主要机种,其性能指标直接影响工程机械的应用前景。液压挖掘机的关键部件发动机和液压元件经过多年发展,其效率已有很大提高,但整机效率仍旧很低。据调查显示,从发动机到执行机构的总效率仅为20%,其主要原因有两方面：一是各元件之间的匹配技术有待创新,不能自动适应挖掘机的不同工况,导致挖掘机的油耗较高；二是挖掘机特殊的作业方式决定了其作业过程中的能量浪费,如动臂下降和上车回转制动过程中,大量的油液压力能转换成热能。因此对液压挖掘机整机进行动力匹配及动臂下降、回转制动过程的能量进行回收再利用,就能有效提升节能空间。本文针对20t级液压挖掘机整机动力系统匹配以及作业过程中动臂下降过程和回转制动过程系统能量回收为目标,采用了理论分析、建模仿真和试验相结合的方法,对液压挖掘机的能量回收方案、系统的效率进行了深入的研究。论文主要研究内容如下：1.结合液压挖掘机结构特点和实际作业工况,对普通挖掘机、串联油电混合动力和并联油电混合动力挖掘机进行建模和仿真,从发动机装机功率、系统能耗、电机功率选择和超级电容SOC状态方面进行对比分析。结果表明,并联油电混合动力系统节能效果最好,能有效降低挖掘机的装机功率。2.通过对动臂、斗杆和铲斗可回收能量的对比分析,动臂系统可回收能量最大,占可回收能量的49.5%,具有较大的实际回收价值。结合油电混合动力特点设计了基于能量回收的流量再生动臂系统,与普通动臂系统、流量再生动臂系统、能量回收动臂系统进行分析和比较,结果表明：在动臂下降速度基本一致的前提下,具有能量回收的流量再生动臂系统回收效率最高。通过对马达排量和节流阀开口面积等参数对回收效率的影响进行了仿真分析,找出了影响回收效率的关键参数的确定原则。3.结合挖掘机回转系统的特殊工况及能量损失,提出了回转制动时的一种直接充液和和马达—泵间接充液相结合的蓄能器能量回收方案,对回收过程中蓄能器的压力变化、回收的流量和回收的能量进行了分析。通过蓄能器的体积、充气压力以及回转系统的阻尼系数三方面对回收效率影响的分析和比较,得到了进一步提升能量回收效率的方法以及蓄能器的选择标准。结果表明：在蓄能器充气压力一定的情况下,体积越大回收的流量越多,蓄能器的压力越小,回收效率越低；在蓄能器体积一定的情况下,充气压力越大回收的流量越少,蓄能器的压力越高,回收效率越高；阻尼系统越小,回收效率越高。基于同样的方法,对4t液压挖掘机回转系统制动过程能量回收进行了分析,其变化趋势和结论与20t级是一致的。4.利用发动机的动态模型,与并联混合动力系统组成整机动态模型,提出了一种基于多参数协调不同模式下动态控制方法。利用该方法,超级电容能有效地匹配发动机输出和液压泵输入间的能量差值,使发动机、电动机与液压泵之间的扭矩实时匹配,在满足工况要求的条件下,系统综合节油效率达13%以上。5.设计了模拟4t液压挖掘机回转系统制动过程能量回收试验方案,搭建了试验平台。利用Labview软件编制了试验数据采集软件,通过对系统的压力、流量以及飞轮的转速分析和处理,得到了不同参数下系统的能量回收效率及回收能量再利用率。通过与理论仿真的对比分析,找出了理论仿真和试验研究之间存在误差的原因和提高系统回收效率的措施。
[Abstract]:With the formal implementation of the new environmental protection law , all walks of life attach great importance to the development and research of energy - saving and environment - friendly technologies . The engineering machinery industry has become the biggest user of the internal combustion engine products except the auto industry . However , because of the large discharge density , the emission index is inferior to the automobile , the efficiency of the hydraulic excavator is more serious . According to the investigation , the efficiency of the key parts of the hydraulic excavator is only 20 % , and the main reason is that the matching technology between the components is to be innovated , which can not automatically adapt to different working conditions of the excavator and lead to higher oil consumption of the excavator ;
This paper makes a comparative analysis on the energy recovery scheme and the efficiency of the hydraulic excavator . The results show that the energy saving effect of the hydraulic excavator is the best , and the energy recovery efficiency of the excavator can be effectively reduced .
When the volume of the accumulator is constant , the lower the inflation pressure is , the less the flow rate is recovered , the higher the pressure of the accumulator , the higher the recovery efficiency ;
On the basis of the same method , the energy recovery of the braking process of the rotary system of a 4 t hydraulic excavator is analyzed . The dynamic model of the engine , the motor and the hydraulic pump is set up by using the dynamic model of the engine and the rotating speed of the flywheel .

【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU621

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