劉 彬， 劉 輝， 權(quán) 龍， 葛 磊

(1. 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)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024；2. 太原工業(yè)學(xué)院 工程訓(xùn)練中心， 山西 太原 030008)

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變轉(zhuǎn)速純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)能效特性研究

劉 彬1,2， 劉 輝1， 權(quán) 龍1， 葛 磊1

(1. 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)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024；2. 太原工業(yè)學(xué)院 工程訓(xùn)練中心， 山西 太原 030008)

針對(duì)傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓挖掘機(jī)， 動(dòng)力源能耗大， 排放差的問(wèn)題， 提出變轉(zhuǎn)速純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)方案. 建立了普通和變轉(zhuǎn)速純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)的多體動(dòng)力學(xué)模型， 通過(guò)模型仿真對(duì)比研究了普通和電驅(qū)液壓挖掘機(jī)的能耗特性， 結(jié)果表明： 與普通液壓挖掘機(jī)相比， 電動(dòng)液壓挖掘機(jī)可以節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本30%以上， 有效地降低了挖掘機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本. 為了進(jìn)一步提高電動(dòng)液壓挖掘機(jī)的節(jié)能性， 針對(duì)挖掘機(jī)典型工作過(guò)程， 研究了電動(dòng)液壓挖掘機(jī)不同“泵排量目標(biāo)值”下以及不同轉(zhuǎn)速范圍下的能量消耗情況. 仿真結(jié)果表明， “泵排量目標(biāo)值”設(shè)定為0.9時(shí)， 電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 200～1 500 r/min， 耗電量最少.

液壓挖掘機(jī)； 電驅(qū)； 聯(lián)合仿真； 節(jié)能

0 引 言

目前， 液壓挖掘機(jī)作為重要的工程機(jī)械， 廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)和礦山挖掘中. 由于普通液壓挖掘機(jī)存在能耗高， 效率低的問(wèn)題， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者和制造企業(yè)提出多種液壓挖掘機(jī)的節(jié)能原理： ① 采用高性能的液壓元件[1]， 提高各元器件性能能夠降低節(jié)流損失， 提高液壓系統(tǒng)效率； ② 發(fā)展節(jié)能液壓系統(tǒng)， 運(yùn)用新型節(jié)能控制[2-7]和添加能量再生及回收， 動(dòng)勢(shì)能高效回收與再利用系統(tǒng)以提高整機(jī)效率和降低能耗； ③ 進(jìn)行系統(tǒng)功率匹配及采用混合動(dòng)力技術(shù)， 對(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行功率匹配以降低能耗[8]， 混合動(dòng)力技術(shù)通過(guò)電動(dòng)機(jī)或者馬達(dá)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)工作， 提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率[9].

上述液壓挖掘機(jī)新技術(shù)均以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源， 但柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)存在能量利用率較低、 污染嚴(yán)重、 噪聲大、 調(diào)速性能差、 怠速能耗大等缺點(diǎn)， 且現(xiàn)有技術(shù)僅能在一定程度上提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率， 其效率最高只能達(dá)到45%左右[10]. 電動(dòng)液壓挖掘機(jī)動(dòng)力源效率高， 清潔無(wú)污染， 而且具備噪音小、 保養(yǎng)費(fèi)用低、 節(jié)能高效等特點(diǎn)而成為新的研究方向. 本文以變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)替代發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成液壓動(dòng)力源， 應(yīng)用SimulationX系統(tǒng)對(duì)電機(jī)與液壓泵在不同工況的高效率區(qū)進(jìn)行了仿真研究.

1 電驅(qū)液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)

電動(dòng)液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)與普通液壓挖掘機(jī)大體相同， 主要是將動(dòng)力源由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改為變頻電機(jī)， 通過(guò)電纜或者蓄電池給電機(jī)供電， 液壓挖掘機(jī)常用的控制回路有負(fù)載敏感系統(tǒng)、 正流量控制系統(tǒng)和負(fù)流量控制系統(tǒng)等， 本研究對(duì)比機(jī)型所采用的是抗流量飽和的負(fù)載敏感系統(tǒng)(LUDV系統(tǒng)). 圖 1 所示采用LUDV系統(tǒng)的電驅(qū)動(dòng)液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)， 液壓系統(tǒng)由負(fù)載敏感泵、 負(fù)載補(bǔ)償多路閥、 梭閥及各自的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成， 其特點(diǎn)是壓力補(bǔ)償閥位于多路換向閥的節(jié)流口之后， 經(jīng)梭閥檢測(cè)出的最大負(fù)載壓力作用在所有壓力補(bǔ)償閥的閥芯上， 與各自壓力補(bǔ)償閥進(jìn)油口的壓力平衡， 同時(shí)將最大的負(fù)載壓力引入到負(fù)載敏感泵的控制油口， 控制泵出口壓力始終高于最大負(fù)載壓力一個(gè)恒定值， 這樣作用在所有多路閥節(jié)流口的壓差就保持恒定， 當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定的流量大于泵所能提供的最大流量時(shí)， 仍能維持多路閥各節(jié)流口的壓差恒定， 使各執(zhí)行器的流量按相同比例減小， 從而不改變各液壓執(zhí)行器速度的比例關(guān)系.

圖 1 電驅(qū)液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic diagram of electric drive hydraulic excavator

2 仿真模型

為在樣機(jī)改造前充分了解電驅(qū)動(dòng)液壓動(dòng)力源的能效特性， 首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性和電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型特性建立了基于SimulationX的發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)仿真模型， 同時(shí)建立了基于3D多體系統(tǒng)、 液力系統(tǒng)的能反映液壓挖掘機(jī)真實(shí)工作狀況的機(jī)電液聯(lián)合仿真模型進(jìn)行仿真研究.

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型

挖掘機(jī)用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為YC4F60Z-T10， 額定功率為43 kW， 額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min. 圖 2 為某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性測(cè)試曲線， 實(shí)線為外特性曲線， 虛線為等油耗曲線. 由圖可以看出， 在不同的轉(zhuǎn)速與扭矩下， 發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率是不同的， 要實(shí)現(xiàn)節(jié)能， 就要使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低油耗區(qū)域.

圖 2 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線Fig.2 Universal characteristic curve of engine

本文主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)耗油經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題， 不研究其動(dòng)力學(xué)特性， 所以建立其靜態(tài)模型.

發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩方程

式中：Me為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；α為發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度.

發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗量

式中：mfuel為發(fā)動(dòng)機(jī)油耗量；ηfuel為燃油效率；k為系數(shù).

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 難以用單純的數(shù)學(xué)方程搭建出其仿真模型， 利用臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試出發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速、 不同扭矩下的油耗率， 得到多組數(shù)據(jù)， 利用插值方法建立發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率與轉(zhuǎn)速、 扭矩關(guān)系的數(shù)據(jù)表， 之后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SimulationX軟件中， 利用發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線數(shù)據(jù)并結(jié)合方程(2)建立發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型如圖 3 所示.

圖 3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型Fig.3 Engine model

2.2 變頻電機(jī)仿真模型

電動(dòng)機(jī)采用YVF2 225S-4型異步變頻電動(dòng)機(jī)， 額定功率為37 kW. 圖 4 為電動(dòng)機(jī)的等效電路數(shù)學(xué)模型， 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， 采用矢量控制方式， 變頻電機(jī)仿真模型如圖 5 所示.

圖 4 電動(dòng)機(jī)的T形等效電路圖Fig.4 T shape equivalent circuit diagram of motor

為了驗(yàn)證所建立的變頻電機(jī)仿真模型的正確性， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行對(duì)比. 圖 6 為帶負(fù)載時(shí)電機(jī)從200～1 400 r/min啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線. 由圖可以看出仿真與實(shí)際曲線基本吻合， 證明了變頻電機(jī)仿真模型的正確性.

圖 5 變頻電機(jī)的模型Fig.5 Model of variable frequency motor

圖 6 階躍信號(hào)帶載電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線Fig.6 Rotational speed curves of motor with load under step signal

2.3 聯(lián)合仿真模型

根據(jù)液壓挖掘機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓元件的物理結(jié)構(gòu)， 采用多學(xué)科仿真軟件SimulationX， 構(gòu)建了能反應(yīng)液壓挖掘機(jī)真實(shí)工作狀況的機(jī)電液聯(lián)合仿真模型進(jìn)行仿真研究， 如圖 7 所示. 該模型能實(shí)時(shí)計(jì)算出作用在各執(zhí)行器上的等效質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 彌補(bǔ)了單純按液壓系統(tǒng)仿真， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效質(zhì)量采用常數(shù)與實(shí)際情況不符， 準(zhǔn)確性差的不足. 該模型也能將作用在鏟斗上的載荷實(shí)時(shí)分配到各液壓缸上， 實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)模型與機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的無(wú)縫連接和實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng).

通過(guò)對(duì)動(dòng)臂液壓缸模擬挖掘動(dòng)作進(jìn)行仿真， 可得到如圖 8 所示的動(dòng)臂液壓缸無(wú)桿腔壓力仿真曲線， 可以看出電驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓缸的無(wú)桿腔壓力曲線基本一致， 說(shuō)明聯(lián)合仿真模型具有較好的準(zhǔn)確性.

圖 7 電驅(qū)動(dòng)液壓挖掘機(jī)的聯(lián)合仿真模型Fig.7 Combined simulation model of electric hydraulic excavator

圖 8 動(dòng)臂液壓缸無(wú)桿腔壓力曲線Fig.8 The rodless cavity pressure curve of boom hydraulic cylinder

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

3.1 普通和電驅(qū)液壓挖掘機(jī)能耗成本對(duì)比分析

由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不便， 普通液壓挖掘機(jī)進(jìn)行典型作業(yè)時(shí)， 一般將普通液壓挖掘機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 000 rpm. 而電動(dòng)液壓挖掘機(jī)可根據(jù)“泵排量目標(biāo)值”不同， 通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速對(duì)液壓系統(tǒng)流量進(jìn)行適應(yīng).

常規(guī)挖掘中， 根據(jù)不同的挖掘現(xiàn)場(chǎng)， 可分為重載、 中載和輕載三種不同工況， 以下對(duì)兩種液壓挖掘機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算和能耗對(duì)比分析.

根據(jù)式(2)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量公式， 將發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率、 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速求積， 然后再對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分， 可得如圖 9 所示的發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量曲線.

圖 9 3種不同工況發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量曲線Fig.9 Engine fuel consumption curve of three kinds of working conditions

將電動(dòng)機(jī)電功率對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分， 可以得到電動(dòng)機(jī)耗電量. 圖 10 為電動(dòng)液壓挖掘機(jī)3種不同工況下電動(dòng)機(jī)耗電量曲線.

圖 10 3種不同工況電動(dòng)機(jī)耗電量曲線Fig.10 Motor consumption curve of three kinds of working conditions

按照現(xiàn)在0號(hào)柴油價(jià)錢5.4 元/L， 可以計(jì)算出挖掘機(jī)一個(gè)小時(shí)耗油成本， 按照普通工業(yè)用電價(jià)格0.8 元/(kW·h)， 可以計(jì)算得到電動(dòng)液壓挖掘機(jī)耗電成本， 如表 1 所示.

表 1 不同工況下普通液壓挖掘機(jī)與電動(dòng)液壓挖掘機(jī)耗能成本

表 1 結(jié)果表明， 當(dāng)電動(dòng)液壓挖掘機(jī)的“泵排量目標(biāo)值”為0.9， 電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速設(shè)定為400 r/min， 工作在不同工況下， 與普通液壓挖掘機(jī)相比， 電動(dòng)液壓挖掘機(jī)可以節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本分別為30.1%， 30.4%， 31%.

3.2 不同轉(zhuǎn)速范圍電動(dòng)液壓挖掘機(jī)能效分析

設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速在800～1 500 r/min, 1 000～1 500 r/min, 1 200～1 500 r/min， “泵排量目標(biāo)值”為0.9時(shí)的電機(jī)耗電量如圖 11 所示. 由圖可以看出， 轉(zhuǎn)速范圍800～1 500 r/min 的耗電量最多， 1 000～1 500 r/min 耗電量有明顯的降低， 1 200～1 500 r/min 耗電量有較小的降低.

圖 11 不同轉(zhuǎn)速范圍電機(jī)耗電量曲線Fig.11 Motor power consumption curve with different rotational speed range

由表 2 電機(jī)耗電量數(shù)據(jù)綜合分析得出， “泵排量目標(biāo)值”設(shè)定為0.9時(shí)， 電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1 200～1 500 r/min， 電動(dòng)液壓挖掘機(jī)耗電量最少.

表 2 不同轉(zhuǎn)速范圍電機(jī)耗電量

4 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓挖掘機(jī)， 動(dòng)力源能耗大， 排放差的問(wèn)題， 提出了變排量變轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合控制策略的電驅(qū)液壓挖掘機(jī)， 通過(guò)模型仿真對(duì)比分析了普通和電驅(qū)液壓挖掘機(jī)的能耗特性結(jié)果如下：

1) 針對(duì)挖掘機(jī)典型工作過(guò)程進(jìn)行仿真分析. 結(jié)果表明： 與普通液壓挖掘機(jī)相比， 電動(dòng)液壓挖掘機(jī)可以節(jié)約耗能成本30%以上， 有效降低了挖掘機(jī)的耗能成本.

2) 針對(duì)挖掘機(jī)典型工作過(guò)程， 分析了電動(dòng)液壓挖掘機(jī)不同排量、 不同轉(zhuǎn)速范圍的能量消耗情況， 結(jié)果表明： “泵排量目標(biāo)值”設(shè)定為0.9時(shí)， 電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 200～1 500 r/min,電動(dòng)液壓挖掘機(jī)耗電量最少.

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Energy Consumption Characteristic of Electric Hydraulic Excavator with Different Rotational Speed

LIU Bin1,2, LIU Hui1, QUAN Long1, GE Lei1

(1. Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System， Ministry of Education of Shanxi Province， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024, China; 2. Engineering training center, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008, China)

The traditional diesel engine driven hydraulic excavator has the problem of high fuel consumption and serious emissions. Aiming at these problems, the electric hydraulic excavator with different rotational speed was put forward. The co-simulation models of ordinary hydraulic excavator and electric hydraulic excavator were established. In view of the excavator working process, the energy consumption characteristics of two kinds of hydraulic excavator was studied. The results show that compared with the ordinary hydraulic excavator, electric hydraulic excavator save energy consumption costs by more than 30%, effectively reduce the energy consumption costs. In order to further improve the energy saving property of electric hydraulic excavator, in view of the excavator working process, the energy consumption characteristics of electric hydraulic excavator is studied under different “pump displacement target value” and under different speed range. The simulation results show that when the speed of the motor is set for 1 200～1 500 r/min, and “pump displacement target value” is set to 0.9, power consumption of electric hydraulic excavator is the least. The electric hydraulic excavator design research has certain guiding significance.

hydraulic excavator； electric drive; co-simulation; energy saving

1673-3193(2016)06-0588-05

2016-03-24

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1510206)

劉 彬(1975-)， 男， 副教授， 博士生， 主要從事機(jī)電液伺服控制， 電氣傳動(dòng)的研究.

TH137

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.06.007