電驅(qū)動(dòng)小型液壓挖掘機(jī)功率匹配及能效特性研究.pdf

1、液壓挖掘機(jī)是一種重要的工程機(jī)械設(shè)備，集機(jī)械、液壓、電氣于一體，作業(yè)工況復(fù)雜。傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)受負(fù)載波動(dòng)影響較大，工作點(diǎn)常處于低效率區(qū)，且在能量傳遞過(guò)程中損耗較大。雖然在液壓挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵的功率匹配、混合動(dòng)力及能量回收、閥控系統(tǒng)的節(jié)能等方面進(jìn)行了卓有成效的研究，但發(fā)動(dòng)機(jī)固有的能量轉(zhuǎn)化率低、噪聲大、震動(dòng)大、污染排放等問(wèn)題依然限制著液壓挖掘機(jī)總體效率的提升。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)于在礦井巷道中、部分大型建筑的室內(nèi)等空間有限

2、的場(chǎng)地進(jìn)行靈活的裝載、挖掘工作提出了零排放，低噪聲的新要求，傳統(tǒng)挖掘機(jī)已不能適應(yīng)這些場(chǎng)合。將節(jié)能、高效、噪聲低、抗震性好的變轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)技術(shù)與高能量密度的液壓系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用于挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)是一個(gè)重要的研究方向。本文在國(guó)家自然基金“分腔容積直驅(qū)電液控制系統(tǒng)能量高效轉(zhuǎn)換利用的理論與方法”（51575374）和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“露天煤礦大型挖掘裝備高能效運(yùn)行基礎(chǔ)研究”（U1510206）資助下，對(duì)變轉(zhuǎn)速-變排量液壓動(dòng)力源在液壓挖掘機(jī)

3、中的應(yīng)用做了系統(tǒng)地研究，對(duì)電驅(qū)動(dòng)的液壓挖掘機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性和能效特性的提高做了有益地探索。在研究過(guò)程中，主要完成了以下內(nèi)容:
　　首先綜述了電鏟和液壓挖掘機(jī)動(dòng)力源系統(tǒng)的演進(jìn)過(guò)程，液壓挖掘機(jī)動(dòng)力源系統(tǒng)的功率匹配和混合動(dòng)力節(jié)能技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。結(jié)合當(dāng)前社會(huì)對(duì)挖掘機(jī)零污染、低噪聲的要求，提出將抗震性好，性價(jià)比高的電驅(qū)動(dòng)變轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)替代原有的發(fā)動(dòng)機(jī)，得到高效、節(jié)能的新型液壓挖掘機(jī)動(dòng)力源系統(tǒng)的思路。同時(shí)闡述了進(jìn)出口獨(dú)立控制技術(shù)研究現(xiàn)

4、狀，提出將泵閥復(fù)合流量匹配控制策略應(yīng)用于電驅(qū)動(dòng)液壓挖掘機(jī)液壓缸驅(qū)動(dòng)大慣量負(fù)載過(guò)程中以提高運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗。
　　其次建立了電動(dòng)機(jī)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和矢量控制算法數(shù)學(xué)模型，在數(shù)學(xué)模型分析的基礎(chǔ)上建立了simulationX仿真模型，通過(guò)仿真和試驗(yàn)研究了三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩等靜態(tài)特性以及啟動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)等動(dòng)態(tài)特性。針對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)速度慢的問(wèn)題，應(yīng)用變轉(zhuǎn)速——變排量結(jié)構(gòu)優(yōu)化動(dòng)力源動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提出動(dòng)態(tài)使用電液比例柱塞

5、變量泵擺角控制的高響應(yīng)速度進(jìn)行液壓源控制，穩(wěn)態(tài)使用變轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行能耗匹配的策略，提高了液壓源整體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和能效特性。
　　再次論文針對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)、液壓泵的能耗進(jìn)行了理論分析、仿真和試驗(yàn)研究。確定了電動(dòng)機(jī)和液壓泵的高能效工作點(diǎn)，設(shè)計(jì)了變轉(zhuǎn)速-變排量功率匹配方案。結(jié)合低空轉(zhuǎn)能耗液壓動(dòng)力源的專利，設(shè)計(jì)了變轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)自動(dòng)怠速控制策略。相比于工頻轉(zhuǎn)速空載狀態(tài)，自動(dòng)怠速策略可使總輸入功率從4.141kW減少至0.727kW，節(jié)能率達(dá)82

6、.4％。
　　進(jìn)一步論文中應(yīng)用泵閥復(fù)合流量匹配進(jìn)出口獨(dú)立控制專利技術(shù)，抑制液壓缸驅(qū)動(dòng)大慣性負(fù)載起動(dòng)時(shí)的壓力波動(dòng)。如動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)大慣性負(fù)載過(guò)程中，阻抗伸出時(shí)，采用流量匹配基礎(chǔ)上疊加壓力控制的控制策略；超越回縮時(shí)，采用回油調(diào)速和流量再生的方法進(jìn)行控制。基于多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件simulationX建立了應(yīng)用進(jìn)出口獨(dú)立控制回路的電驅(qū)動(dòng)液壓挖掘機(jī)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型，仿真研究了電驅(qū)動(dòng)液壓挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性和節(jié)能特性。建立了以dSPACE為核心的挖掘