基于混合動力與能量回收的液壓挖掘機(jī)節(jié)能研究.pdf

1、液壓挖掘機(jī)由于其用量大、耗油高、排放差，已逐漸成為節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域普遍關(guān)注的主要對象之一。因此，高效、節(jié)能一直是國內(nèi)外液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)追求的主要目標(biāo)。當(dāng)前，液壓挖掘機(jī)的節(jié)能研究主要包括如下三個方面：提高元件性能，改進(jìn)液壓系統(tǒng)和改善發(fā)動機(jī)－液壓系統(tǒng)－負(fù)載的功率匹配。元件的改進(jìn)對液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)效率的提高發(fā)揮了重大作用，但節(jié)能空間比較有限；液壓系統(tǒng)效率較低，特別是主控閥消耗了大量能量，應(yīng)作為節(jié)能研究的一個主要對象；功率匹配的目的在于充分利用發(fā)動

2、機(jī)的輸出能量，但由于發(fā)動機(jī)工作點的變化致使其自身效率低下，因此通過采用混合動力驅(qū)動來改善發(fā)動機(jī)的工作條件是液壓挖掘機(jī)節(jié)能的另一重要研究方向。 論文以某20噸級雙泵驅(qū)動液壓挖掘機(jī)為對象，基于MATLAB系統(tǒng)的Simulink和SimMechanics建立了整機(jī)的仿真模型，分析研究了液壓挖掘機(jī)的能量分配，從燃油消耗、元件裝機(jī)功率和工作參數(shù)等方面對串、并聯(lián)混合動力液壓挖掘機(jī)進(jìn)行了仿真評價，重點對以電容器為主要儲能元件的并聯(lián)式混合動力系

3、統(tǒng)的控制方案和液壓馬達(dá)能量回收展開了深入的理論分析、仿真和試驗研究，最后提出了集并聯(lián)式混合動力、單獨驅(qū)動、電機(jī)直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)和液壓馬達(dá)能量回收于一體的新型結(jié)構(gòu)方案，并對該方案進(jìn)行了性能的綜合分析和研究。 各章內(nèi)容分述如下： 第一章論述了液壓挖掘機(jī)節(jié)能研究的重要意義，介紹了液壓挖掘機(jī)工作元件、液壓系統(tǒng)以及發(fā)動機(jī)—液壓泵功率匹配三方面節(jié)能研究的現(xiàn)狀和發(fā)展歷程，分析了各種節(jié)能方法的特點和存在的不足，提出了改進(jìn)液壓系統(tǒng)的工作方式和

4、采用混合動力系統(tǒng)驅(qū)動作為液壓挖掘機(jī)的節(jié)能方案，概述了本課題的研究內(nèi)容及論文所進(jìn)行的研究工作。 第二章以國外某20噸級液壓挖掘機(jī)為藍(lán)本建立了數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB系統(tǒng)所提供的Simulink和SimMechanics兩個仿真模塊建立了液壓挖掘機(jī)的整機(jī)仿真模型。對液壓挖掘機(jī)能量流進(jìn)行了分析研究，并對發(fā)動機(jī)的輸出功率和主控閥能量損耗分配進(jìn)行了仿真計算。研究結(jié)果表明，混合動力驅(qū)動和液壓馬達(dá)能量回收是液壓挖掘機(jī)的兩項比較有效的節(jié)能方案

5、。 第三章從燃油消耗、裝機(jī)功率和系統(tǒng)實現(xiàn)三方面，對液壓挖掘機(jī)的串聯(lián)和并聯(lián)混合動力系統(tǒng)進(jìn)行了仿真對比，并對油耗和裝機(jī)功率等指標(biāo)進(jìn)行了綜合評價。仿真結(jié)果表明，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)的油耗和各元件裝機(jī)功率等方面的參數(shù)指標(biāo)均優(yōu)于串聯(lián)式系統(tǒng)。 第四章研究了以電容器作為主要儲能元件的液壓挖掘機(jī)并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的定 工作點控制策略。以液壓挖掘機(jī)動臂液壓缸作為模擬對象，開展了電容器儲能并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)基于定工作點控制的模

6、擬試驗研究。在此基礎(chǔ)上，提出了雙工作點控制方案，并對該方案進(jìn)行了試驗研究。 第五章建立了液壓馬達(dá)能量回收系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了液壓馬達(dá)能量回收對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響及改善措施。在并聯(lián)式混合動力液壓挖掘機(jī)的仿真模型的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了變量液壓馬達(dá)和定量液壓馬達(dá)能量回收系統(tǒng)，對可回收能量、燃油消耗和裝機(jī)功率進(jìn)行了仿真計算和對比分析，提出了以變量液壓馬達(dá)作為回收元件的系統(tǒng)方案。建立了液壓馬達(dá)能量回收試驗臺，分別從能量回收性能和操控性能兩方面對

7、液壓馬達(dá)能量回收進(jìn)行了試驗研究。 第六章提出了基于并聯(lián)混合動力驅(qū)動和液壓馬達(dá)能量回收的全液壓驅(qū)動的四泵方案和電動機(jī)直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)的三泵方案，并從系統(tǒng)的耗油量、耗油率、發(fā)動機(jī)的功率、發(fā)電／電動機(jī)的功率、回收發(fā)電機(jī)的功率、回轉(zhuǎn)電動機(jī)的功率、電容器的充放電峰值功率、能量交換和SOC等方面對兩種方案進(jìn)行了分析研究及綜合比較。在此基礎(chǔ)上，提出了基于能量流程最短原則的機(jī)械能合流方案。仿真研究結(jié)果表明，該方案在所提出的所有方案中綜合性能指標(biāo)最好