混合动力液压挖掘机液压马达能量回收的仿真及试验

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1、万方数据第43卷第8期2007年8月机械工程学．报v01．43No．8CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGAug．2007混合动力液压挖掘机液压马达能量回收的仿真及试验张彦廷王庆丰肖清(浙江大学流体传动及控制国家重点实验室杭州310027)摘要：针对混合动力挖掘机提出利用液压马达对液压执行元件的回油进行能量回收的节能方案。建立液压挖掘机能量回收的仿真模型，对各执行元件的可回收能量所占比重和系统的节能效果进行仿真计算。搭建混合动力液压马达能量回收试验台，进行能量回收过程中的能量转化效率和操控性能的试验研究。试验和仿真结果表明，在混合动

2、力液压挖掘机系统中采用马达能量回收和发电机转速控制执行元件运动速度的节能方案是可行的。关键词：能量回收节能混合动力液压挖掘机油耗。中图分类号：THl37将电能储存在电池或电容当中。U日【J舌厂丑液压挖掘机在工作过程中，动臂、斗杆和铲斗的上下摆动以及回转机构的回转运动比较频繁，又由于各运动部件惯性都比较大，所以减速制动时会释放出大量的能量。这部分能量通常都消耗在液压阀的阀口上，不仅浪费了能量，还会导致系统发热和元件寿命的降低。为了减少能量损耗和系统发热量，提高元件的寿命，能量回收成为液压挖掘机节能降耗的一项有效措施。能量回收根据其工作原理可以分为无蓄能元件[1-2】和有蓄

3、能元件【3。4】两种，但传统的回收方式均不适合于液压挖掘机上的能量回收。，近年来提出的混合动力驱动为液压挖掘机回收能量的储存提供了条件。特别是随着电容和电池比功率和比能量的提高，使其成为液压挖掘机能量回收的一种主要蓄能元件。比较典型的混合动力液压挖掘机能量回收方案如图1所示【5】，利用电池和电容作为蓄能元件，采用了两种能量回收方法。(1)回转机构的能量回收。回转机构由变频电动机直接驱动，减速制动时，制动能通过电动机转化为电能储存在电池或电容当中。此能量回收方案与当前混合动力汽车的能量回收方法相刚61。(2)动臂液压缸的能量回收。如图l所示，液压缸的两腔分别与一大一小两只

4、泵／马达相连，当液压缸下行或制动时，其惯性能和重力势能转变为液压能，驱动泵／马达旋转，带动电动机反转发电，并20060828收到初稿，20070313收到修改稿蓑隆整流及逆变嚣几动臂一1液压缸．J]阿翮魁霸陋I网—’r]马达I图1混合动力液压挖掘机能量回收方案上述动臂液压缸的驱动和能量回收存在如下几个特点。(1)整个驱动和回收系统比较简单，相应的控制策略也较为简便，便于能量回收的实现。(2)在工作过程中，由于液压缸的频繁换向，需要电动机频繁正反转驱动，不仅会造成能量的额外损耗，而且还会影响电动机的寿命。(3)泵／马达的进出油流方向频繁变化，无法安装管道滤清器，需单独设置

5、油滤设备。(4)泵／马达元件通用性较差，需单独进行产品开发。本文提出在执行元件回油路上采用独立液压马达进行能量回收的节能方案，不仅可以利用常规液压马达回收执行机构的重力势能和惯性能以达到节能降耗的目的，而且有利于油液的过滤和电动机寿命的提高。1液压马达能量回收的基本工作原理在混合动力系统中，发动机的工作点被控制在篓一万方数据2007年8月张彦廷等：混合动力液压挖掘机液压马达能量回收的仿真及试验219高效区内。当负载变化时，其输出能量的盈余和不足需要由电池或电容来平衡。该电池或电容同时也成为液压马达能量回收的蓄能元件。如图2所示将液压执行元件的回油通向一液压马达，通过控制

6、液压马达的流量，调节在执行元件的回油腔形成的背压pl，控制液压执行元件的运行速度vc。当液压缸减速制动时，忽略其泄漏和有杆腔的压力p2，则疗．A=詈I(4K一％玩)出(1)y’m也+良心=-n4一磊(2)式中y——液压缸与马达之间容腔的容积．pl，彳l——液压缸无杆腔压力和有效工作面积孱——液压油的弹性模量￡Im，nh——液压马达的排量和角速度毋——液压缸活塞的摩擦力6c——液压缸活塞及负载的粘性阻尼m——液压缸活塞及负载折算到活塞杆上的总质量图2液压马达能量回收原理图回收液压马达驱动发电机发电，电能经变频器l整流并储存在电池或电容当中，其发电电流‘=(吃A一-，丸一6

7、m％一耳)％／虬(3)式中-厂——发电机和液压马达的总转动惯量6Ⅲ——发电机和液压马达的粘性阻尼系数乩——电池或电容的工作电压砰一摩擦力矩虬：丝掣(4)式中矗——电池或电容的放电电流如——电池或电容通过变频器2输给电动机，与发动机共同驱动负载的工作电流C——节点容量厶=(％一玑)／‰(5)式中魄和‰分别为电池的开路电压和内阻，是荷电状态＆的函数。L=(名一足)／U(6)式中Pp和危分别是液压泵所需驱动功率和发动机的输出功率。2液压马达能量回收的仿真研究图3为采用液压马达对某液压挖掘机进行能量回收的仿真系统图。图3液压马达能量回收仿真系统图