， 　， 　(太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)試驗(yàn)室, 山西 太原　030024)

引言

液壓挖掘機(jī)作為重要的工程機(jī)械，廣泛應(yīng)用于建筑施工，橋梁建設(shè)，道路施工等各類(lèi)施工場(chǎng)所。但是由于工作環(huán)境惡劣，負(fù)載波動(dòng)大等因素，現(xiàn)有控制方式存在燃油消耗大、排放嚴(yán)重等問(wèn)題，在嚴(yán)峻的國(guó)際能源危機(jī)背景下，其節(jié)能性越來(lái)越受關(guān)注。為此，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者和制造企業(yè)紛紛提出多種類(lèi)型的節(jié)能系統(tǒng)方案開(kāi)展研究,研究工作的重點(diǎn)可分為兩個(gè)方面，其一是通過(guò)功率匹配降低系統(tǒng)能耗，包括發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵之間的功率匹配，液壓泵與負(fù)載之間的功率匹配，發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)器工況的功率匹配，文獻(xiàn)[1，2]從提高元器件效率、降低多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)能耗的電液控制技術(shù)、能量回收再利用、動(dòng)力匹配和混合動(dòng)力技術(shù)方面，介紹了提高工程機(jī)械能量利用率的主要技術(shù)現(xiàn)狀和新的研究成果，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]提出了一種電液負(fù)載敏感系統(tǒng)，系統(tǒng)采用高速開(kāi)關(guān)閥控制壓力電閉環(huán)比例泵，通過(guò)比例壓力閥改變壓差補(bǔ)償器的補(bǔ)償壓差，實(shí)現(xiàn)抗飽和流量的流量分配控制。文獻(xiàn)[4]研究了發(fā)動(dòng)機(jī)-泵和泵-負(fù)載兩個(gè)環(huán)節(jié)功率匹配的原理與方法，并解決了這兩個(gè)環(huán)節(jié)之間協(xié)調(diào)匹配的問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵工作點(diǎn)的優(yōu)化及匹配，降低燃油消耗17%。另一個(gè)研究熱點(diǎn)是混合動(dòng)力技術(shù)，文獻(xiàn)[6]研究了動(dòng)力源混合度對(duì)整機(jī)動(dòng)力性能與燃油效率的影響，提出了一種基于混合度方法的動(dòng)力源最佳匹配方法。文獻(xiàn)[7]對(duì)傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)、油電混合動(dòng)力和油液混合動(dòng)力3種系統(tǒng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明油電混合動(dòng)力和油液混合動(dòng)力的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面以及節(jié)能方面均有很大提高。但是混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，能量轉(zhuǎn)化效率降低，并且只能使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在相對(duì)高效率的區(qū)域，其效率的提升幅度非常有限。

采用功率匹配與混合動(dòng)力技術(shù)的液壓挖掘機(jī)，噪聲大、污染嚴(yán)重，不適合城市、醫(yī)院、學(xué)校以及一些相對(duì)封閉場(chǎng)所的作業(yè)。電動(dòng)液壓挖掘機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并且成為液壓挖掘機(jī)新的研究方向，在2012年法國(guó)巴黎召開(kāi)的INTERMAT展會(huì)中，多生產(chǎn)制造公司展出自己的電動(dòng)挖掘機(jī)，如發(fā)動(dòng)機(jī)+電動(dòng)機(jī)的雙動(dòng)力挖掘機(jī)，采用智能功率匹配的SWEROB純電動(dòng)液壓挖掘機(jī)[8]。

本研究中，新的系統(tǒng)方案是在傳統(tǒng)LUDV液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用變頻電動(dòng)機(jī)取代內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制方法，通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)液壓泵的排量，降低了整機(jī)的能耗，綠色環(huán)保。

1　電動(dòng)液壓挖掘機(jī)原理與控制方法

1.1　工作原理

基于試驗(yàn)室現(xiàn)有的6 t機(jī)型，提出的電動(dòng)液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)控制原理如圖1所示。變頻電動(dòng)機(jī)為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，采用電纜或蓄電池進(jìn)行供電。系統(tǒng)由單個(gè)負(fù)載敏感液壓泵提供動(dòng)力，并集成有壓力切斷和恒功率控制功能，為了能夠精確的實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作，液壓閥采用抗流量飽和負(fù)載敏感控制原理，可不受負(fù)載變化影響，根據(jù)控制閥的開(kāi)口面積分配提供各執(zhí)行元件的流量，并在控制流量大于液壓泵流量的情況下，按比例降低供給各執(zhí)行器的流量，即抗流量飽和功能，原理如圖2所示，多路閥的單聯(lián)工作原理可以用圖中的三位三通閥與三位六通換向閥說(shuō)明，三位三通閥一方面用來(lái)獲取最高負(fù)載壓力反饋到負(fù)載敏感泵，一方面用于壓力補(bǔ)償，保證閥節(jié)流口兩端壓差恒定；三位六通閥用于節(jié)流與油路的換向。

圖1　電動(dòng)液壓系統(tǒng)控制原理

圖2　LUDV系統(tǒng)液壓控制原理

1.2　控制方法

液壓泵輸出流量：

Qp=nq

(1)

式中，n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；q為液壓泵的排量。

通常情況下，變頻電機(jī)的效率隨著轉(zhuǎn)速n的降低而降低[9]，液壓泵的效率隨著排量q的減小而降低[10]。當(dāng)液壓泵輸出流量Qp為定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與液壓泵的排量q成反比。因此，液壓泵的效率提高/降低對(duì)應(yīng)著電動(dòng)機(jī)的效率降低/提高，這構(gòu)成了一對(duì)矛盾。

為使電動(dòng)機(jī)盡可能工作在高的效率區(qū)，制定電動(dòng)液壓挖掘機(jī)的控制策略如圖3所示。采用變轉(zhuǎn)速與變排量復(fù)合控制來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓泵與液壓系統(tǒng)功率的匹配，液壓系統(tǒng)最大負(fù)載壓力pLmax控制負(fù)載敏感泵的排量，使得液壓泵出口壓力比液壓系統(tǒng)最大負(fù)載壓力pLmax高一個(gè)恒定值。變頻電機(jī)的控制目標(biāo)是泵的排量，當(dāng)泵的排量小于“泵排量目標(biāo)值”時(shí)，降低轉(zhuǎn)速；當(dāng)泵的排量大于“泵排量目標(biāo)值”時(shí)，提高轉(zhuǎn)速，從而使得泵的排量盡可能趨近“泵排量目標(biāo)值”。因此，在控制過(guò)程中液壓泵的排量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速處于不斷變化之中，其變化過(guò)程參見(jiàn)圖6b、圖7b中曲線。

圖3　電動(dòng)液壓挖掘機(jī)的控制關(guān)系框圖

2　液壓挖掘機(jī)聯(lián)合仿真模型

為了分析電動(dòng)液壓挖掘機(jī)的能耗特性，首先在SimulationX仿真軟件中建立了液壓系統(tǒng)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的仿真模型，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合變頻電機(jī)的模型，建立了電動(dòng)液壓挖掘機(jī)的聯(lián)合仿真模型。

2.1　液壓系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)建模

1) 液壓系統(tǒng)模型

挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)主要組成部分：負(fù)載敏感泵、LUDV多路閥以及液壓執(zhí)行元件。負(fù)載敏感泵可以實(shí)現(xiàn)液壓泵與液壓系統(tǒng)的功率匹配，根據(jù)負(fù)載敏感泵的工作原理，利用SimulationX軟件中函數(shù)模塊與雙向變量泵模塊建立出其仿真模型。LUDV多路閥實(shí)現(xiàn)流量的精確控制，用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)繪出閥芯節(jié)流槽的幾何尺寸，計(jì)算出閥芯位移與過(guò)流面積的函數(shù)，采用SimulationX軟件中函數(shù)模塊與節(jié)流邊模塊建立其仿真模型，詳細(xì)建模過(guò)程參考文獻(xiàn)[11]。液壓執(zhí)行元件是用于驅(qū)動(dòng)工作裝置工作的液壓缸與液壓馬達(dá)，利用SimulationX軟件中液壓缸及液壓馬達(dá)模塊建立其仿真模型。在此基礎(chǔ)上，以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的6 t機(jī)型為研究對(duì)象，用SimulationX軟件建立其液壓系統(tǒng)的仿真模型，并設(shè)置模型的相關(guān)參數(shù)。

2) 機(jī)械系統(tǒng)模型

測(cè)繪出液壓挖掘機(jī)的外形尺寸，用Pro/E構(gòu)建出挖掘機(jī)的三維模型，然后利用接口模塊將三維模型導(dǎo)入到SimulationX中，并用連接副將各個(gè)零件裝配起來(lái)。模型考慮了挖掘阻力以及鏟斗中土壤重力的影響。

2.2　變頻電機(jī)模型

電動(dòng)機(jī)采用YVF2 225S-4型變頻電動(dòng)機(jī)，額定功率為37 kW。利用SimulationX軟件中的電機(jī)模塊建立電動(dòng)機(jī)的模型，并根據(jù)實(shí)際電機(jī)設(shè)置模型的相關(guān)參數(shù)；電機(jī)配備相匹配的變頻器，其采用矢量控制方式，利用軟件中的矢量控制等模塊建立其仿真模型，并設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，將變頻電機(jī)模型與液壓系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)模型連接在一起，建立電動(dòng)液壓挖掘機(jī)機(jī)電液一體化的聯(lián)合仿真模型及其試驗(yàn)平臺(tái)，如圖4所示。

圖4　電動(dòng)液壓挖掘機(jī)聯(lián)合仿真模型及試驗(yàn)平臺(tái)

3　電動(dòng)液壓挖掘機(jī)能耗分析

3.1　挖掘裝載作業(yè)

挖掘機(jī)的作業(yè)具有明顯的周期性，其挖掘裝載作業(yè)為：挖掘——滿斗舉升、回轉(zhuǎn)——卸載——空斗回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂下降。試驗(yàn)測(cè)試挖掘裝載作業(yè)中動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸的位移以及回轉(zhuǎn)角度曲線如圖5所示，以下所有仿真模型中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行曲線與此相同，使得彼此之間具有可比性。

圖5　挖掘裝載作業(yè)

3.2　能耗特性分析

如1.2中所述，為了降低電動(dòng)液壓挖掘機(jī)的能耗，需要合理的選擇液壓泵的排量，下面對(duì)液壓泵排量目標(biāo)值分別為0.9、0.7、0.5三種情況下電動(dòng)液壓挖掘機(jī)的能耗進(jìn)行對(duì)比分析。

電機(jī)的效率為輸出功率與輸入功率的比值。圖6為電動(dòng)液壓挖掘機(jī)在三種不同“泵排量目標(biāo)值”液壓泵效率、排量仿真曲線。從圖中可以看出，泵排量設(shè)置定值由0.9減小為0.7再減小為0.5時(shí)，液壓泵的排量依次降低，其效率也隨之降低,但是降低的幅度不大。目標(biāo)值”由0.9變?yōu)?.7時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之小幅度升高，電機(jī)效率的平均值提高了12.3%；當(dāng)“泵排量目標(biāo)值”由0.9減小為0.5時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之大幅提高，電機(jī)效率的平均值提高了38%。

圖6　不同“泵排量目標(biāo)值”液壓泵效率、排量仿真曲線

圖7為電動(dòng)液壓挖掘機(jī)在三種不同“泵排量目標(biāo)值”電機(jī)效率、轉(zhuǎn)速仿真曲線，從圖中看出，當(dāng)“泵排量

圖7　不同“泵排量目標(biāo)值”電機(jī)效率、轉(zhuǎn)速仿真曲線

對(duì)電機(jī)電功率曲線進(jìn)行積分，并進(jìn)一步計(jì)算可得不同“泵排量目標(biāo)值”電動(dòng)機(jī)耗電量，如表1所示，與“泵排量目標(biāo)值”0.9相比，“泵排量目標(biāo)值”0.7時(shí)電機(jī)消耗電能減少13.9%，“泵排量目標(biāo)值”0.5時(shí)電機(jī)消耗電能減少23.7%。

表1　不同“泵排量目標(biāo)值”電動(dòng)機(jī)耗電量

進(jìn)一步的研究表明，當(dāng)“泵排量目標(biāo)值”減小為0.3時(shí)，電機(jī)耗電量不會(huì)隨著“泵排量目標(biāo)值”的減小而降低，耗電量達(dá)到最小值，即0.3為“泵排量目標(biāo)值”的最優(yōu)值。

4　結(jié)論

(1) 電動(dòng)液壓挖掘機(jī)采用變轉(zhuǎn)速與變排量復(fù)合控制方式，通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得液壓泵的實(shí)際排量盡可能趨近“泵排量目標(biāo)值”，證明了控制方法的有效性；

(2) 在挖掘裝載作業(yè)循環(huán)中，電動(dòng)液壓挖掘機(jī)隨著“泵排量目標(biāo)值”的減小，耗電量逐漸降低，但是當(dāng)“泵排量目標(biāo)值”減小到某個(gè)值時(shí)，耗電量不會(huì)隨著“泵排量目標(biāo)值”的減小而降低，耗電量達(dá)到最小值。

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