（机械电子工程专业论文）混合动力挖掘机动臂能量回收系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 手葡要 工程机械是国家基础建设的主要装备，液压挖掘机作为工程建设中主要的施工机械， 已广泛应用于土方施工、水利工程、国防建设和一些地质灾害的救援等。但是大量工程 机械所消耗的资源、排放的污染物以对环境产生了难以估计的负荷。面对当今社会能源 紧缺、环境问题日益严重的情况，节能减排已经成为工程机械发展的关键技术。 鉴于混合动力技术在汽车领域的成功应用，为适应社会的长远发展，减少能源的消 耗和对环境的污染，在液压挖掘机上应用混合动力技术已成为挖掘机节能发展一个重要 方向。本论文主要是分析了国内外先进的混合动力驱动技术和动臂节能技术，在此基础 上设计了带势能回收的动臂流量再生系统，并进行了仿真分析和元件的计算选型。本论 文研究的主要内容如下： 1 、调研了各工程机械厂家对混合动力驱动技术的研究和运用情况，以某公司2 0 t 级挖掘机机型为参考，对普通挖掘机液压驱动系统、串联混合动力驱动系统和并联混合 动力驱动系统进行了分析，并通过建模仿真对比了三种驱动系统的性能参数，结果表明 并联混合动力驱动系统的能量利用率较高。 2 、在挖掘机前端工作装置模型中引入了电力式能量回收系统，并对挖掘机工作装 置及其驱动系统的典型工作过程进行了仿真，得到挖掘机前端工作装置各液压缸的性能 参数和可回收能量的比例。 3 、通过对常见的挖掘机动臂系统的分析，提出了一种带势能回收的动臂流量再生 系统，并利用建模仿真对比分析了几种动臂系统的性能参数，结果表明带势能回收的动 臂流量再生系统具有较高能量利用率。在此基础上，对所提出的带势能回收的动臂流量 再生系统进行了详细的分析和元件的设计选型。 关键词：液压挖掘机；仿真；混合动力；动臂节能；势能回收；流量再生 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yi st h em a i ne q u i p m e n to fn a t i o n a li n f r a s t r u c t u r e ，a st h em a i n c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , h y d r a u l i ce x c a v a t o rh a sb e e nw i d e l yu s e di ne a r t h w o r kc o n s t r u c t i o n ， w a t e rc o n s e r v a n c y , n a t i o n a ld e f e n s ec o n s t r u c t i o n ，a n dg e o l o g i c a ld i s a s t e r s r e s c u e i ti sd i f f i c u l t t oe s t i m a t et h el o a dg e n e r a t e db yc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yt h a tr e s o u r c e sc o n s u m e da n d e m i s s i o n sp o l l u t a n t st ot h ee n v i r o n m e n t f a c et h es i t u a t i o no fe n e r g ys h o r t a g e s ，e n v i r o n m e n t a l p r o b l e m si n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，e n e r g ys a v i n g h a sb e c o m eak e yt e c h n o l o g yf o rt h e c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yd e v e l o p m e n t i nv i e wo fh y b r i dt e c h n o l o g ys u c c e s s f u l l yu s e di nt h ea u t o m o t i v es e c t o ra n di no r d e rt o m e e tl o n g - t e r md e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t oa p p l i c a t i o nt h eh y b r i dt e c h n o l o g yt ot h eh y d r a u l i c e x c a v a t o rh a sb e c o m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o nf o re x c a v a t o r se n e r g ys a v i n gt h ed e v e l o p m e n t t h i sp a p e ri sp r i m a r i l ya n a l y z et h ea d v a n c e dh y b r i da n db o o m se n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g y , o n t h i sb a s i s ，d e s i g naf l o wr e g e n e r a t i o nl o o pw i t hp o t e n t i a le n e r g yr e c o v e r ys y s t e m ，a n dc a r r i e d o u tt h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nf o rt h ec o m p o n e n ts e l e c t i o n m a i nw o r ki sa s f o l l o w s ： 1 r e s e a r c ht h eh y b r i dd r i v et e c h n o l o g ya p p l i c a t i o no nt h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y m a n u f a c t u r e r s ，a n dt o2 0t o n sa st h er e s e a r c ho b j e c t , a n a l y s i st h eo r d i n a r ye x c a v a t o rh y d r a u l i c d r i v es y s t e m ，s e r i e sa n dp a r a l l e lh y b r i dd r i v es y s t e m ，a n dc o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c ea n d p a r a m e t e r so f t h r e ed r i v es y s t e m sb ym o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，r e s u l t ss h o wt h a tt h ep a r a l l e l h y b r i dd r i v es y s t e mh a sh i g h e re n e r g ye f f i c i e n c y 2 i n t r o d u c e dt h ep o w e r - t y p em o d e le n e r g yr e c o v e r ys y s t e mi nf r o n to ft h ee x c a v a t o r s w o r k i n gd e v i c e ，a n dc a r r i e do u tt h es i m u l a t i o nf o re x c a v a t o r sw o r k i n gd e v i c ea n dd r i v e s y s t e mi nat y p i c a lw o r kp r o c e s s ，g e tt h ec y l i n d e r sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dp r o p o r t i o no f r e c y c l a b l ee n e r g yo f e x c a v a t o r sw o r k i n gs y s t e m 3 t h r o u g ht h ec o m m o na n a l y s i sf o re x c a v a t o r sb o o ms y s t e m ，d e s i g naf l o wr e g e n e r a t i o n l o o p w i t hp o t e n t i a le n e r g yr e c o v e r yd e v i c e ，a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i st h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so ft h et h r e eb o o ms y s t e m sb ym o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e f l o wr e g e n e r a t i o nl o o pw i mp o t e n t i a le n e r g yr e c o v e r ys y s t e m sh a sah i g h e re f f i c i e n c y o nt h i s b a s i s ，c a r r i e do u td i s s e c t i v ea n a l y s i sa n dc o m p o n e n td e s i g ns e l e c t i o nf o rt h ef l o wr e g e n e r a t i o n l o o pw i 廿1p o t e n t i a le n e r g yr e c o v e r ys y s t e m k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce x c a v a t o r ；s i m u l a t i o n ；h y b r i d ；b o o m se n e r g y - s a v i n g ；p o t e n t i a le n e r g y r e c o v e r y ；f l o wr e g e n e r a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 随着世界能源问题的日益凸显，燃油消耗已经成为工程机械发展所面临的最重要问 题之一。国际能源署( i e a ) 报告在2 0 1 0 年1 1 月出炉的国际能源展望中称，预计 石油价格在2 0 1 5 年超过每桶1 0 0 美元，2 0 3 5 年超过2 0 0 美元。i e a 首席经济学家称， 如果各国政府不采取措施抑制原油消费量，估计油价还将继续走高，他鼓励政府需要加 快发展更稳定的低碳经济，以避免石油波动造成严重的经济混乱。而能源的大量消耗引 起了全球环境恶化和气候变暖，如何减少温室气体排放已是人们关注的焦点。加强对节 能、高能效产品研发和产业化投入，以应对环境气候变化已成为国家经济社会发展的重 大战吲1 , 2 】。因此，从长远的发展来看，节能环保性能是工程机械产品进入市场和被用户 接受的重要因素，同时也是其生存和发展的先决条件。 液压挖掘机作为一种高效的施工机械，在当今工程建设中起着举足轻重的作用，其 广泛应用于土方施工、水利工程、国防建设和一些地质灾害的救援等【3 】。据统计世界上 各种工程建设中大约6 5 一7 0 的土方施工是由液压挖掘机来完成的【4 5 】。故无论从挖掘 机在世界范围内的巨大的发展潜力，还是其强大多功能适应性来看，均体现出其在建筑 施工机械中的重要地位，其用量还将继续大幅度增长。 由于挖掘机属于重型工程机械，其一直存在用量大、耗油高、排放差等问题，随着 能源短缺和环境污染问题日趋严重，挖掘机的节能研究成为挖掘机发展的一个重要突破 口，根据日本神钢公司研究结果表明，传统液压挖掘机的总能量利用率仅为2 0 左右【6 】。 主要是由于挖掘机能量传递结构较为复杂，能耗存在于各个能量传递环节，其中主要集 中在发动机工作时自身的能耗、液压系统的能耗和负载功率与发动机提供功率不匹配时 产生的能耗，挖掘机能量转换流如图1 1 所示。 液压马达i 液压系统 机械传动损耗 液压管路、阔口和 舂岛件损耗 工作装置损耗 图1 1 挖掘机能量转换流图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 就挖掘机的能量利用效率而言，机械传动的损耗和工作装置的损耗相对较低，并且 从现在工业技术来看，结构传动上的损耗很难再有大幅度减小的。而对于液压系统的损 耗，占挖掘机总能耗的比例较大，但是可以通过选择更优化液压系统型式、控制方式和 连接方式来提高液压系统的效率【7 j 。 挖掘机液压系统的能耗主要来源于多路阀节流损失、安全阀溢流损失、液压管路的 沿程压力损失和工作元件的能耗损失【8 】。液压系统所损失的大部分能量都转化为热能， 其中部分散发到空气中去，另外大部分传到工作元件和油液中，从而导致液压系统温度 升高，而引起一系列问题 9 1 。据调查，工程机械故障有1 0 的来自于机械结构，而4 0 的来自于液压系统【l o 】。所以采用节能液压技术，不仅有助于节省系统损耗能量，更能 提高系统的可靠性和工作寿命，减少设备的成本维护。 1 2 挖掘机节能技术发展现状 从挖掘机在工程建设中普及以来，节能减排一直是国内外工程机械生产企业所追求 的重要目标之一。随着近年能源问题和环境问题的日益激化，工程机械行业提出了多种 节能的技术及方法，主要体现在对发动机燃油效率的提高、对液压系统结构的改造和对 发动机与负载的控制策略匹配的优化【l l , 1 2 。现今运用较多的节能技术主要有： 1 ) 电液比例控制 2 ) 发动机与液压系统的匹配优化 3 ) 正流量控制与负流量控制 4 ) 负载传感系统 5 1 流量再生回路 6 ) 能量回收系统 1 2 1 电液比例控制 电液比例控制技术用于工程机械，可以省去复杂、庞大的液压信号传递管路，用电 信号传递液压参数，不但能加快系统响应，而且使整个挖掘机动力系统控制更方便、灵 活，所以早在8 0 年代初就开始应用于工程机械，到目前为止己经在液压挖掘机上得到了 大量应用。 电液比例控制技术是指在普通的液压先导式操作挖掘机的基础上，采用电液比例技 术控制挖掘机，相应的运用电比例手柄取代液压先导手柄。其基本原理是采集电手柄的 动作信号，利用控制器进行运算，输出相应的p w m 值控制比例阀，结合布置于机器上 的传感器，还可以实现某些自动或者半自动功能【1 3 】。比较典型的采用电液比例控制的挖 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 掘机技术有： ( 1 ) l e i c a 公司研发的挖掘机工作平台，该平台是l e i c a 公司为演示其电控挖 掘机控制技术专门定制的，既采用电液比例技术，同时具有辅助挖掘操作装置，通 过安装在平台上的显示屏及工作装置上的倾角传感器，可以实时的显示铲斗的轨 迹。 ( 2 ) 山河智能的s w e l 5 5 型挖掘装载机，该机型不同与平常的两头忙，其工 作装置位于一端，从挖掘机切换成装载机时，只需将工作装置折叠即可完成，反之 亦然。为了便于工作装置的模式转换，该机器采用了全电控技术。 ( 3 ) d o o s a n 的主从式挖掘机，控制原理为：属于一种主从方式的控制形式， 通过手指，手腕，大臂对应控制铲斗，斗杆与动臂；小臂的左右偏转来控制挖掘机 的回转。在操作过程中，当操作者( 主控制方) 的相应关节动作后，计算机采集到 该信号，并与安装在挖掘机( 从控制方) 上的角度传感器的信号进行比较，如果存 在偏差；发出遥控信号控制挖掘机消除偏差，从而达到控制挖掘机的目的。其原理 还是点到点控制，因此，在同步性上存在误差。 ( 4 ) 采用h u s c o 技术的液压挖掘机，其工作原理为：动臂和回转仍采用常用 的液压先导式主阀，在系统中装有能量回收机构，回收动臂下降的能量，并储存起 来，供给其他的工作装置；斗杆与铲斗采用特殊的电控阀，而且该阀分别布置在靠 近工作装置液压缸的位置，而不是传统的所有主阀布置在一起的方式，该电控阀由 四个插装阀构成，对阀的a 口和b 口分别进行控制；而不同于常用的单阀芯的形式； 具研究者声称：采用该项技术后，挖掘机可以节能2 5 。 随着计算机控制技术的发展，电液比例泵、比例阀等电液控制元件的应用日益增多， 电液比例控制更进一步“智能化”。这种智能化主要表现在以下几个方面。首先，计算机 能够通过传感器监测液压系统和发动机的运行参数，如压力、发动机转速等，并能根据 这些参数控制整个挖掘机动力系统运行在高效节能状态；其次，能够完成一些半自动操 作，如平地、斜坡的修整等，对司机的操作的熟练程度要求降低，但工作质量却能够得 到较大幅度提高；第三，能够根据监测到的运行数据进行故障诊断，以便于挖掘机的维护。 所以电液控制技术的运用，使挖掘机性能得到了大幅度提高【i 4 1 。 1 2 2 发动机与液压系统的匹配优化 在实际工作时，挖掘机并不总是在满负荷的工况，一般有全功率工况作业、经济工 况作业和轻载作业等若干种工况。而动力系统理想的功率输出应该是发动机按照负载需 求提供功率，使发动机的功率能充分发挥而又不会造成过载。当挖掘机工况变化时，发 动机提供与负载相适应的功率，从而减少功率浪费，提高工作效率。因此，除了在液压 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 系统内部采用相关节能控制技术外，还应对发动机与液压泵进行功率匹配控制。 随着电液控制技术在工程机械领域得到广泛发展，为发动机与液压泵的功率匹配奠 定了基础。发动机与液压泵的功率匹配控制技术在挖掘机上的运用，取得了较好的节能 效果，从简单的发动机油门怠速控制、发动机与液压泵之间的功率模式选择控制，发展 到目前的发动机与液压泵、控制阀的综合控制，使得发动机与液压系统之间的匹配的不 断接近最佳状态p j 。 由于发动机与液压系统匹配的不断优化，使挖掘的工作效率和工作效果得到了较大 的提高了，同时也明显降低了挖掘机的耗油量。但是这些功率匹配的方法无法使发动机 总是工作在其经济区，因此不能从根本上解决发动机燃油效率低下和排放较差的问题 并且随着控制技术的日渐成熟，这些控制方法的节能效果很难再有所突破。所以需要在 此基础上开发一种更新的技术来提高能量的利用效率。 1 2 3 正流量控制与负流量控制 为了保证液压泵提供的流量能够随着负载的需求而变化，液压挖掘机通常采用变量 泵作为液压油源。变量泵的排量是根据检测到的流量信号自动调节的。根据检测信号的 来源，液压泵排量的控制分为负控制和正控制【15 ，1 6 】。 正流量控制主要是利用操纵手柄的先导压力对泵的排量进行直接控制，在控制过程 中，泵排量随着先导压力的增加而增加，是典型的容积调速系统。正流量控制出现于2 0 世纪7 0 年代，其特点是主泵的排量与操作手柄输出的信号压力成正比【1 7 】。其工作原理 如图1 2 所示。 图1 2 正流量控制系统原理图 根据工作装置的需求，操作手柄作用于控制器，并通过控制器发出控制信号作用于 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 伺服阀，信号处理器根据先导压力信号及其变化趋势判断执行器的流量需求及变化趋势， 并据此输出相关信号来控制主泵的排量，以使系统的流量供应能够动态跟随执行元件的 流量需求进行变化，实现系统流量的实时匹配，达到“所得即所需”。该系统采用传统的 六通多路阀，旁路回油功率损失不可避免，但由于在调速区内泵流量很小，先导压力不 高，因此损失并不很大。这使阀芯位于调速区内时，难以形成克服负载的系统压力，直 到阀芯基本越过调速区后液压油才开始进入工作油缸，影响挖掘机操纵性的提高。比较 典型的正流量控制的产品是日立建机( h i t a c h i ) 生产的e x 4 0 0 液压挖掘机【18 1 9 】，其明显 特点就是泵排量与先导操纵压力成正比。 负流量控制系统【2 0 】目的是为了消除采用六通阀时产生的节流损失，最早出现于2 0 世纪8 0 年代初，目前仍然在国内外挖掘机上大量采用。其工作原理如图1 3 所示，具体 操作方法是在六通阀中位回油路上设置流量检测装置，检测装置所反馈的信号在经过处 理后，作用到液压泵，以控制其排量变化，这样可以使通过旁路流回油箱的流量始终保 持在一个很小的值，从而可以减小甚至基本消除中位回油功率损失。 图1 3 负流量控制系统原理图 其不足之处在于六通阀调速范围有限，受负载影响较大。当负载较大时，会使多路 阀阀芯调速区域减小，从而造成挖掘机动作粗暴。当多路阀旁路回油口完全关闭后，负 流量控制就不再起作用，其流量调节作用也相应消失。所有这些，都造成了挖掘机操纵 性能的降低。比较典型的负流量控制的产品是小松公司推出的p c 系列机型。 针对负流量控制只能较好地满足节能性和特定条件下的调速性，而正流量控制只能 满足某些情况下的调速性和节能性，浙江大学在这方面做了相应研究，其中冯培恩在文 献【l7 】中提出将这两种控制系统的优点结合起来并进行组合优化控制，使挖掘机液压系统 在节能性和操纵性得到了较大的提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 4 负载传感系统 为提高挖掘机的节能性和操作性，并克服六 通多路阀结构的缺点，研究人员提出了在挖掘机 上采用基于四通多路阀结构的负载传感技术。负 载传感控制从2 0 世纪6 0 - 7 0 年代开始兴起，进 入2 0 世纪9 0 年代以来，各工程机械液压件生产 厂商纷纷推出了一系列相关产品如小松公司的 p c 2 0 0 6 、日立建机的e x 2 0 0 2 等【2 1 2 2 1 ，现在负 载传感控制已经成为挖掘机的主流控制系统之 o 负载传感系统是通过把两个负载液压缸的 压力分别传感到压力补偿阀，同时把较高的压力 图1 4 负载传感系统原理图 经过梭阀，传送到变量泵斜盘倾角控制装置，从而对泵的排量进行控制。这样可以实现 泵输出的压力和流量满足负载的需求。 负载传感控制与节流控制系统相比具有以下优点：能量利用率相对较高，流量控制 精度高，不受负载压力变化的影响，多个负载可以同步运动或以某种速比运动，且互不 干扰。由于其具有良好的节能性和操纵性，即使不熟练的司机也z 日- , 匕l c , ，t k e 快适应【2 3 1 。 1 2 5 流量再生回路 所谓的流量再生可定义为：当执行元件的运动方向与负载力方向相同时，即负载向 系统回馈能量工况，利用负载产生的压力将油液从高压腔输送至低压腔内，使系统所需 主泵流量最小或为零【2 4 】，流量再生技术主要用在了挖掘机的动臂和斗杆系统中。 在动臂下降时，由于重力作用会使降落速度太快而发生危险，动臂缸上腔可能产生 吸空，有的挖掘机在动臂油缸下腔回路上装有单向阀和节流阀组成的单向节流阀，使动 臂下降速度受节流限制，但这将引起动臂下降慢，影响作业效率。目前部分挖掘机采用 了如图1 5 所示的动臂流量再生回路。动臂下降时，油泵的油经单向阀通过动臂操纵阀 进入动臂油缸上腔，从动臂油缸下腔排出的油需经节流孔回油箱，提高了回油压力，使 得液压油能通过补油单向阀供给动臂缸上腔。这样当发动机在低转速和泵低流量时，防 止动臂因重力作用下迅速下降而使动臂缸上腔产生吸空【2 卯。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 234 图1 5 动臂流量再生i 司路 1 动臂液压缸2 操纵阀3 节流口4 液压源 和动臂液压操纵回路一样，有些挖掘机利用斗杆自重产生的负荷油压，在斗杆收回 时将斗杆油缸活塞杆腔的油流入油缸大腔【2 6 】。 目前多数挖掘机上动臂和斗杆采用了再生回路，以提高工作装置的作业速度，改善 复合操纵性能，使液压系统的能耗降低、效率提高。如j c b 的j s l 4 5 、h i t a c h i 的z a x i s 3 系列、c a t 的3 4 5 d 、v o l v o 的e c 2 1 0 b 等。 1 2 6 能量回收系统 液压挖掘机在工作时，各工作装置进行着往复的运动，需要频繁的制动和举升，大 部分势能都消耗在多路阀口，不仅造成了能量浪费，而且容易引起液压系统的发热，造 成元件的损坏。张彦廷在文献【2 7 】中谈到，挖掘机工作时的能耗主要集中在溢流损失和节 流损失上，这是因为在调速过程中，为控制各工作装置的运动速度，必须依靠控制阀通 流液阻所产生的背压来实现，从而保证各工作装置的的操纵性能。 为保证系统的操作性能，同时也能降低系统的节流损失，研究人员在挖掘机液压系 统中引入了能量回收系统。能量回收系统主要是通过把各液压执行元件流回的油液引入 到回收系统中，并通过回油来驱动相应的能量回收装置或储能装置。这样做一方面可以 通过调节调整能量回收系统来控制油液回流速度，降低在阀口能量损失的同时保证了执 行元件的操作性能；另一方面可通过能量回收装置回收执行元件回油的液压能，以减少 能量损耗，提高能量利用率。 现在用在工程机械上面的能量回收系统主要分为电力式能量回收系统和液压式能 量回收系统，液压式主要是依靠液压马达和蓄能器来回收能量，例如l a r sb r u u n 推出的 “e e o m a t e ”的新节能系统【2 8 1 ，该系统在挖掘机的平衡重内设置了一个高压蓄能器来储 存动臂向下运动产生的能量，并在动臂提升时将能量释放出来，已成功用于c a t 的 3 4 5 b i i 挖掘机上。 电力式能量回收系统主要是依靠发电机和蓄电池( 超级电容) 来回收系统中多余的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 能量，在国内，浙江大学的张彦廷、裴磊等人研究了针对小型挖掘机动臂的能量回收系 统，该系统采用液压马达将液压能转换为机械能，再通过发电机将机械能转换为电能进 行存储2 7 1 。此外，林添良还在文献 2 9 1 q , 提出了将电力式和液压式结合起来的能量回收系 统，该系统主要利用发电机和液压马达来回收系统中能量，利用蓄能器来平衡能量的波 动，这样可以稳定发电机的转速，提高能量回收的效率。 1 3 混合动力驱动技术研究现状 混合动力驱动系统是指由两种或两种以上的动力为系统提供动力输出，联合国将混 合动力车 的定义规定如下。所谓混合动力车是“为了推动车辆的革新，至少拥有两个 能量变换器和两个能量储存系统( 车载状态) ”的车辆。混合动力驱动技术于1 9 世纪末 在车辆驱动系统中得到运用，日本丰田汽车公司于1 9 9 7 年推出第一款量产混合动力车 普锐斯，到目前为止已有7 0 多款车型配备了混合动力驱动系统【3 0 1 。混合动力技术 的应用使得发动机的能量利用效率得到了大幅度的提高，有效的提高了车辆尾气排 放质量。 1 3 1 混合动力系统结构的主要类型 混合动力驱动系统按照动力源的种类来看，主要分为油液混合动力和油电混合动力 两种，油液混合主要是依靠依靠液压元件来回收和存储能量，比如利用液压马达、液压 泵来回收能量，用蓄能器来存储能量，并且在重载工况时释放能量【3 ，其结构简图如图 1 6 ；油电混合动力则是采用液压马达将液压能转换为机械能，再通过发电机将机械能转 换为电能，存储到蓄电池( 超级电容) 中，并在负载需求功率较大时，蓄电池通过电机 将能量释放到系统中。 图1 6 油液混合动力系统结构简图 目前就混合动力技术的应用来看，主要采用的是油电混合动力技术，依靠蓄电池或 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 超级电容，在负载需求功率较低的情况下吸收发动机的多余的功率，在负载需求功率较 高的情况下，将蓄电池中的电能通过电机释放到系统中，作为辅助动力对发动机起到补 充的作用。这样实现了发动机输出功率稳定在高效区，提高了燃油效率，同时也减小了 发动机的峰值功率，从而在进行同一吨位系统设计时，减小了发动机的装机容量【3 2 ，3 3 1 。 现在应用的油电混合动力驱动系统根据其动力总成的组成结构不同，主要可以分为 串联式、并联式和混联式【3 4 , 3 5 】。 串联混合动力系统是由发动机来驱动发电机发电，电能通过整流器输送到电动机或 超级电容中，并通过电动机将能量输送给负载系统。这种系统控制策略和结构都比较简 单，易于实现，而且发动机的输出功率不受负载变化的影响，而是由电动机来匹配负载 的变化，所以发动机能保持在一个效率较高的状态下工作，有利于提高燃油效率，提升 排放质量，延长发动机工作寿命。 图1 7 串联混合动力系统结构简图 但是发动机输出的机械能首先要经过发电机转化为电能，然后再由电动机将电能转 化为机械能。由于现在技术的限制，这种能量转化的整体效率不高，节能效果不明显， 而且发电机、电动机和蓄电池的装机功率要求较大，所以应用范围不是很广，目前仅有 一些小吨位混合动力液压挖掘机使用串联系统，如日立建机的e x 7 0 b 和日本神钢的 s k 7 0 h 。 并联混合动力系统由发动机和电动机共同组成动力源，根据负载的变化既可单独驱 动又可共同驱动。具体系统结构如图1 8 所示。 图1 8 并联混合动力系统结构简图 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 此系统中，由发动机来提供系统运行的主要能量，电动机为稳定发动机的功率起辅 助的作用。当发动机的输出功率大于系统所需时，电动机作为发电机吸收发动机多余的 输出，并转化为电能存储到蓄电池中：当发动机的输出功率低于系统所需时，电动机为 系统补充发动机供应不足的能量，这样平衡了发动机所受到的载荷，使发动机工作在高 效区。与串联系统相比，并联系统整体效率较高，节能效果明显，而且电动机和蓄电池 只为发动机起辅助作用，所以需要的装机功率不大。但是并联系统受负载影响明显，布 置不灵活，控制策略复杂。目前中大型混合动力挖掘机使用并联系统较多，比较经典的 是小松的p c 2 0 0 8 型混合动力挖掘机。 混联式混合动力系统是并联与串联系统的综合，发动机输出功率一部分与电动机一 起共同驱动负载，一部分用来驱动发电机转化为电能并存储到蓄电池中，并可通过控制 离合器来控制能量的分配，其系统结构如图1 9 。这种系统控制灵活，系统综合性能较高。 但是其部件较多，整车安装布置困难，控制策略复杂。 图1 9 混联混合动力系统结构简图 1 3 2 混合动力在工程机械上应用 工程机械一般都是高油耗、高耗能的产品，通过混合动力能够降低成本、节能环保， 并且能够提升工程机械的性能，使得混合动力成为工程机械行业的一个重要研究方向。 从2 0 0 0 年开始，国外各大工程机械生产厂商开始了对混合动力工程机械的研究，并陆续 推出了自己的产品。2 0 0 3 年日立建机推出了世界上第一台混合动力驱动的轮式装载机， 标志着混合动力在工程机械领域的成功运用。2 0 0 4 年5 月，小松推出了混合动力挖掘机 试验机型p c 2 0 0 8 ，采用并联式混合动力系统，与普通挖掘机相比能节能2 5 e 3 6 1 。随后， 日立建机也研制出了2 0 t 级的混合动力挖掘机。2 0 0 6 年神钢和纽荷兰推出了7 t 混合动 力挖掘机样机。2 0 0 7 年小松成功研制出混合动力叉车，并推向市场销售。2 0 0 8 年3 月 v o l v o 公司展出了l 2 2 0 f 型油电混合动力装载机。2 0 0 9 年，卡特彼勒推出新款d 7 e 推土 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 机。2 0 0 9 年4 月，凯斯推出了c x 2 1 0 b 具有h y b r i d 技术的油电混合动力特种挖掘机。2 0 0 9 年日本住友推出了2 0 t 级磁盘起吊式混合动力液压挖掘机，据说该机可降低燃油消耗 2 0 以上。2 0 1 0 年现代推出了2 2 t 混合动力挖掘机的试验机型，此机型在正常工况下能 节能2 5 ，并计划2 0 1 1 年推向市场。2 0 0 9 年2 月5 日，斗山重工宣布公司开始研发一 种混合动力挖掘机，预计将在2 0 1 4 年完成并推向市圳3 7 3 8 ，3 9 1 。 国内各工程机械厂商近几年也开始着手研究各自的混合动力机型，詹阳重工是国内 最早推出混合动力挖掘机的厂家，2 0 0 9 年詹阳推出了j y l 6 2 1 h 混合动力挖掘机。同年 三一也推出了s y 2 1 5 c 型混合动力挖掘机。2 0 1 0 年b a u m a 展上，柳工推出了柳工 c l g 8 6 2 h y b r i d 装载机和柳工c l g 9 2 2 d 混合动力挖掘机。徐工也推出了z l 5 0 g s 型 混合动力装载机。山河智能首款混合动力挖掘机s w e 2 1 0 h y b r i d 在2 0 1 0 年8 月就下线。 中联重科推出了采用并联方式驱动工作液压缸，用电马达驱动回转平台的z e 2 0 5 h y b r i d 型混合动力挖掘机。德尔重工业推出了采用蓄能器回收能量的混合动力挖掘机【4 0 , 4 h 。 表1 部分厂家混合动力机型及相关情况 公司名称型号 吨位( t ) 上市时间 混合方式降低耗油量 试验机型 2 0 t 2 0 0 4 年5 月并联未知 小松2 0 0 8 年6 月 p c 2 0 0 8h y b r i d2 0 t 并联 2 5 4 0 ( 日本) 2 0 0 6 年4 月 s k 7 0 h ( 试验) 7 t 串联 4 0 ( 日本) 神钢 2 0 1 0 年1 月 s k 8 0 h8 t 串联 4 0 ( 日本) 日立z x 7 0 b7 t 2 0 0 6 年4 月串联 2 5 4 0 住友磁盘起吊式 2 0 t2 0 0 9 年 并联 2 0 凯斯 c x 2 1 0 b2 1 t2 0 0 9 笠 并联 2 0 现代 2 2 5 l c 92 2 t2 0 1 1 危2 5 斗山 斗山重工开始研发一种混合动力挖掘机，预计将在2 0 1 4 年完成( 并联) s y 2 1 5 c2 1 t 2 0 0 9 钜并联3 0 詹阳j y l 6 2 1 h2 1 t2 0 0 7 正2 5 中联 z e 2 0 5 一h y b r i d 2 0 t2 0 1 0 焦 并联 2 5 山河智能s w e 210 h y b r i d2 l t 2 0 1 0 年8 月并联 2 0 柳工 c l g 9 2 2 d2 2 t2 0 1 0 笠 回转采用电机2 0 左右 我国科技部2 0 0 8 年组织了“十一五”8 6 3 计划“新型混合动力工程机械关键技术及系 统”重点项目研究。针对国家重大工程和基础建设中工程机械装备高油耗和排放差的严峻 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 现实，围绕工程机械动力系统的节能减排，开展新型混合动力工程机械关键技术研究， 以混合动力复合方式、动力参数匹配、能量管理系统、能量回收方法以及混合动力专用 部件为突破口，研制新一代混合动力液压挖掘机样机，并开展示范应用，满足作业品质 和操作特性的需求，提高我国工程机械制造行业的整体水平以及竞争能力。要求通过该 项目研究突破新型混合动力工程机械总体设计与能量回收方法等若干关键技术，包括： 混合动力系统的串并联动力结构形式及系统参数匹配方法、混合动力专用关键零部件、 综合模拟混合动力试验系统、进出口独立调节以及能量回收方法等，研制基于混合动力 系统的液压挖掘机工程示范样机【4 2 j 。 1 4 本文的研究背景及内容 1 4 1 本文的研究背景 工程机械是国家基础建设的主要装备，液压挖掘机作为工程建设中最主要的施工机 械，已广泛应用于土方施工、水利工程、国防建设和一些地质灾害的救援等。但是大量 工程机械所消耗的资源、排放的污染物以及施工中产生的噪声、粉尘对能源和环境产生 了难以估计的负荷。面对当今社会能源紧缺、环境问题日益严重的情况，节能减排已经 成为工程机械发展的关键技术。 根据日本神钢公司研究结果表明，传统液压挖掘机的总能量利用率仅为2 0 左右， 主要是由于挖掘机能量传递结构较为复杂。鉴于混合动力技术在汽车领域的成功应用， 为适应社会的长远发展，减少能源的消耗和对环境的污染，在液压挖掘机上应用混合动 力技术已成为挖掘机节发展一个重要方向。 1 4 2 本文的研究内容 由于混合动力在挖掘机上应用时间不长，很多技术发展还不够成熟，而且国内在工 程机械领域的混合动力技术研究才刚刚起步，成熟的混合动力挖掘机技术还未得到推广， 导致了国内外这一领域的技术差别逐渐增大。本文主要是在学习了国内外先进的混合动 力驱动技术的基础上，希望通过理论分析，设计一种适用于中型挖掘机的混合动力系统， 并对动臂的节能系统作更为详细的研究，以提高挖掘机能量利用的综合效率。本文研究 的主要内容如下： 1 、收集了国内外中型( 2 0 2 5 t ) 挖掘机的相关资料，总结了用于中型挖掘机的主 要节能技术，并简要分析这些节能技术的工作原理和节能效果。 2 、以2 0 t 挖掘机的液压系统为例，分析了普通挖掘机驱动系统、串联混合动力驱 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 动系统和并联混合动力驱动系统的结构和特点，并建立了其仿真模型。针对挖掘机的典 型工况，对三种驱动系统进行了仿真，对比分析了几种驱动系统中发动机输出功率和能 量、电机的峰值功率以及超级电容的工作功率。 3 、参照某公司2 0 t 级挖掘机机型上车工作装置的参数，在a m e s i m 里建立了工作 装置及驱动系统的仿真模型，并通过电力式能量回收系统回收各工作液压缸的势能。参 照挖掘机的一般工况，设定了各驱动系统的控制参数，经过仿真分析，得到了在一个完 整工作周期中，各个工作装置的负载压力的变化和可回收能量的比例。 4 、收集了现在市场上用于挖掘机动臂的主要节能方法和技术，针对普通动臂、流 量再生、势能回收等几种主要的动臂系统，分析了其具体工作原理和能量消耗，并在此 基础上设计了一种带势能回收的动臂流量再生系统。建立了这几种动臂系统仿真模型， 经过仿真计算，得出了几种动臂系统的控制性能和能量利用率。 5 、对带势能回收的动臂流量再生系统进行了详细的分析，根据动臂的实际工作情 况，对液压马达、发电机和超级电容等关键元件进行了设计选型，并通过仿真分析研究 了马达的排量、电磁节流阀的阀口面积等参数对能量回收系统的回收性能影响，在此基 础上对参数的控制方法进行了探究，提出了可以采用p i d 控制和模糊控制来解决参数综 合控制，最后对能量回收系统在工作过程中的能量损失进行了分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 1 引言 第2 章液压挖掘机的驱动系统研究 挖掘机作为一种高效的施工机械，一直在施工建设中扮演着重要的角色，但是其高 能耗问题一直制约着其推广和发展，特别在能源问题日益凸显的今天，挖掘机的能耗已 经成为工程机械领域研究的重要方向。 传统挖掘机利用液压驱动系统使其具有较大的工作扭矩，能够从事多种重载工况并 保持工作稳定性，但是由于液压系统和机械结构的传动效率较低，所以传统挖掘机的液 压驱动系统得能量利用效率较低，造成了较大的能量浪费。随着混合动力技术在汽车领 域的成功运用，很多工程机械公司开始把混合动力技术引入挖掘机的驱动系统，这很好 提高了驱动系统的综合效率和发动机的燃油效率，改善了挖掘机的能效，使挖掘机在节 能方面的得到了很大的发展。混合动力技术的主要原理是利用储能装置来吸收和释放挖 掘机工作过程中的波动能量，平衡系统的输出功率，这样不仅可以吸收挖掘机工作装置 的势能，而且可以有效的改善发动机的工作状况，提高发动机的效率，从而降低驱动系 统的综合能耗和排放【4 3 1 。 由于国内对混合动力技术的研究起步较晚，混合动力技术在挖掘机上应用时间不 长，很多技术发展还不够成熟，而且国内在工程机械领域的混合动力技术研究才刚刚起 步，成熟的混合动力驱动技术还未得到推广，所以有必要对挖掘机的驱动系统进行更为 详细的分析，为后续的混合动力机型的设计和研究奠定基础。 本章主要是通过收集国内外著名工程机械厂家推出的混合动力挖掘机的主要结构 和参数，分析了液压挖掘机几种典型驱动系统的结构和特点，并基于2 0 t 级挖掘机的机 型进行了建模仿真，对比分析了几种驱动系统的性能参数。 2 2 挖掘机的结构分析 本课题研究的挖掘机驱动系统主要是指驱动挖掘机工作装置运动的液压系统，首先 我们需要对挖掘机工作装置的具体结构进行分析，以2 0 t 级别的挖掘机为例进行研究， 其具体结构图如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 图2 1 液压挖掘机的结构示意图 1 动臂油缸2 动臂3 斗杆油缸4 斗杆5 铲斗油缸 6 铲斗7 回转机构8 回转平台 液压挖掘机的工作装置主要结构包括铲斗及铲斗液压缸、斗杆及斗杆液压缸、动臂 及动臂液压缸、回转机构及回转平台、行走装置及行走马达，因为本章研究挖掘机工作 过程中驱动系统的节能问题，而在具体工作中大部分时间挖掘机行走装置处于不工作状 态，仅因工作位置变化进行相应移动，所以在本章中暂不考虑行走装置及行走马达的工 作情况。 液压挖掘机工作装置通过驱动系统对其进行控制，满足不同工况下的工作需求，以 挖掘机的一个典型工作循环为例，其的主要动作有几下几步： 1 挖掘：铲斗和斗杆的运动进行挖掘，或者两者共同配合挖掘，铲斗和斗杆的动作 由其相应的液压缸控制。 2 负载提升：进行挖掘工况以后，动臂由动臂液压缸支撑提升，同时回转装置带动 前端工作装置转向卸载处，此时需要回转装置和动臂配合运动。 3 放铲卸荷：回转装置带动前端工作装置至卸荷点，通过斗杆液压缸对调节斗杆的 卸荷高度和半径，然后铲斗液压缸回缩带动铲斗卸荷。 4 空斗返回：在卸荷以后，转台回复到工作的初始位置，斗杆液压缸、动臂液压缸 和铲斗液压缸共同作用，使工作装置回到下一次挖掘的初始位置。 西南交通大学硕士