具有可停缸动力系统的液压挖掘机功率匹配及节能研究

发布时间：2021-04-12 16:58

目前,液压挖掘机节能研究主要体现在：提高柴油发动机、液压元件性能,改进液压系统和改善柴油发动机-液压系统-执行器的功率匹配,以上措施具有一定的节能效果,但由于液压挖掘机负载变化频繁、波动较大,柴油发动机常常工作在高速小负荷工况,燃油消耗较高,所以为了改善小负荷时柴油发动机的经济性,减少液压挖掘机整机燃油消耗,提出在液压挖掘机中采用柴油发动机停缸控制的能量管理思想。论文分析了液压挖掘机的基本组成和工况特点,概述了试验样机YC60型挖掘机的主要技术参数,阐述了样机采用的恒功率泵的工作原理。由于试验样机液压系统采用LUDV系统,其压力补偿阀在多路阀后端,当系统流量饱和时,液压泵的供油量不能满足多执行元件需要时,各节流孔前后压差相应减小,使得压差仍然相等,各执行元件的流量仍取决于阀开口面积的大小,故结合样机多路阀、液压泵、液压执行元件的相关参数,建立了YC60挖掘机液压系统仿真模型。分析了柴油发动机速度特性、负荷特性、调速特性,明确了柴油发动机动力性、经济性的主要指标以及克服外负载的能力。由于采用微分方程建立的柴油发动机数学模型,仿真精度较高,但工作量大,结果分析困难,所以在本课题巾利用AMESim软件进行了建模,利用IFP-Engine元件库,建立准确的柴油发动机模型,通过设置系统参数,对柴油发动机的相关性能进行了仿真分析。液压挖掘机工作过程中得各工作装置的运动学分析和状态辨识是挖掘机工作分析的重要组成部分,有效地辨识判断整机的工作状态与负载,是实现液压挖掘机的柴油发动机停缸优化柴油发动机工作区域的重要前提,因此本课题的任务之一是完成液压挖掘机工作状态的辨识。目前液压挖掘机工况及负载的判断的方法有两种：一种是通过图像处理技术辨识挖掘机开挖工况的外形及特征,另一种是对挖掘机液压系统的压力值处理来判断负载。采用图像处理技术缺少了挖掘机铲斗与工作介质之间的作用关系的有效判断,而采用液压系统压力值缺少了工作装置位姿的有效数据。在挖掘机同样的位姿状态下,由于挖掘对象的不同甚至可能是空载,液压系统的压力值是不同的。因此本课题将液压挖掘机的各工作装置的位姿与液压系统的压力相结合,对挖掘机的工作状态进行辨识,即通过挖掘机回转马达、铲斗油缸、斗杆油缸、动臂油缸各腔安装压力传感器,检测挖掘时各腔压力来判断挖掘机的负载大小,同时在三个油缸处安装位移传感器,检测各油缸活塞位移实现对工作装置运动轨迹跟踪。对于目前在液压挖掘机上液压泵—柴油发动机匹配的节能方案所存在的在挖掘机小负荷时柴油发动机处于高转速、小负荷工况远离其最佳经济区域,所造成的油耗较高的问题,本课题采用了柴油发动机停缸节油技术,通过对挖掘机在一个工作循环内的能量消耗的理论分析,同时结合柴油发动机全部气缸工作和柴油发动机1缸断油停缸工作时的万有特性曲线,明确了在液压挖掘机上采用柴油发动机停缸技术的节油机理,根据柴油发动机停缸节油机理和挖掘机工作循环的能量消耗、动力系统各参数的变化规律,提出基于整机状态辨识的柴油发动机停缸节油控制策略。在挖掘机停缸动力系统具体控制策略的基础上,针对挖掘机动臂下降、空载回转等工况,对挖掘机的动力性、经济性进行对比试验和分析。液压挖掘机在实际工作中,常会出现挖掘机短时停止工作但柴油发动机不停车的状态,为降低此种状态时整机的燃油消耗,采用液压挖掘机自动怠速技术,但怠速工作时柴油发动机的燃油消耗并不向外做功,所以尽量减少怠速时燃油消耗,所以在研究内容中针对液压挖掘机柴油发动机怠速工作时燃油消耗的问题,进行了怠速停缸经济性试验。针对挖掘机回转过程工作循环时间长、能量消耗大的特点,以回转机构转动惯量为出发点对挖掘机回转过程进行试验研究和分析,并在挖掘机满载、小转动惯量回转时,柴油发动机采用停缸技术后,进行整机经济性试验。试验结果表明：采用柴油发动机停缸节油技术,有利于使柴油发动机在部分负荷时接近高效率区,在满足整机动力性的前提下,燃油消耗量下降。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU621

文章目录

摘要

ABSTRACT

部分常量/变量含义

第1章绪论

1.1 课题提出及意义

1.2 液压挖掘机节能研究进展

1.2.1 挖掘机液压系统节能技术

1.2.2 整机能量管理及动力匹配

1.2.3 液压挖掘机节能产品的应用

1.2.4 工程机械混合动力技术

1.3 发动机停缸技术研究现状

1.3.1 停缸技术简介

1.3.2 停缸技术应用现状

1.4 课题的研究内容

1.5 液压挖掘机停缸动力系统设计目标

第2章液压挖掘机特性分析及系统建模

2.1 引言

2.2 小型液压挖掘机组成及工况特点

2.3 YC60小型液压挖掘机简述

2.4 液压挖掘机系统建模

2.4.1 液压泵的建模

2.4.2 LUDV系统分析

2.4.3 整机液压系统仿真模型的建立

2.4.4 柴油发动机特性分析及模型的建立

2.5 本章小结

第3章挖掘机工作过程状态辨识

3.1 引言

3.2 挖掘机工作装置的运动学分析

3.2.1 连杆坐标系

3.2.2 挖掘机坐标系的建立

3.2.3 动臂机构的运动分析

3.2.4 斗杆机构的运动分析

3.2.5 铲斗及铲斗连杆的运动分析

3.3 动力学方程及简化

3.4 状态辨识试验研究

3.5 本章小结

第4章可停缸动力系统方案设计

4.1 引言

4.2 液压挖掘机挖掘工作能量消耗研究

4.2.1 液压泵功率计算

4.2.2 执行元件参数计算

4.2.3 挖掘机工作时能量损失分析

4.3 可停缸动力系统设计方案

4.4 挖掘机停缸控制策略

4.5 本章小结

第5章液压挖掘机可停缸动力系统试验研究

5.1 引言

5.2 停缸动力系统综合试验系统

5.2.1 试验目的和内容

5.2.2 试验平台设计

5.3 可停缸系统的动力性试验

5.4 可停缸动力系统的经济性试验

5.5 液压挖掘机柴油发动机怠速停缸节油研究

5.5.1 怠速停油试验方案设计

5.5.2 试验结果

5.6 液压挖掘机回转过程能量消耗分析及节能试验研究

5.6.1 挖掘机回转机构概述

5.6.2 挖掘机回转机构运动学分析

5.6.3 转动惯量研究

5.6.4 回转过程能量损失仿真与试验

5.6.5 挖掘机回转过程节能研究

5.6.6 挖掘机回转柴油发动机停缸的经济性试验

5.7 本章小结

第6章总结与展望

6.1 论文总结

6.2 创新点

6.3 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及科研

【参考文献】