基于蓄能器的挖掘机节能驱动系统的参数匹配

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Research on Parameter M atching for Energy-saving System of Excavators Basedon Hydraulic AccumulatorLIN Tianliang ，LIU Qiang(1.Colege of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen Fujian 361021，China；2.State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control，Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 3 10027，China)Abstract：To improve the eficiency of driving system applied in hydraulic excavators，a parameter matching method was devel-oped to optimize the system. Structure and working condition were analyzed. Then，considering the working eficiency，stability，service life and the balance between the engine and the load，the parameter matching for the proposed energy-saving system was dis-cussed.The matching resuhs were analyzed using the built hydraulic hybrid excavator mode1.The results show that the distribution ofengineS working points is improved and the pressure fluctuation of the hydraulic accumulator is restrained. It is also observed that theenergy-saving of the energy recovery system of the swing Can be increased by 10% 。

Keywords：Hydraulic excavator；Hydraulic hybrid；Accumulator；Energy recovery液压挖掘机是-种能耗大、排放差的典型工程机械。传统的节能控制方法可以-定程度上减小挖掘机的能耗 ，但并不能从根本上解决问题。混合动力系统的引入为改善其能耗和排放提供了契机 ，但装备混合动力系统后，液压挖掘机的驱动系统变得更为复杂。为进-步提高液压挖掘机的效率，对驱动系统的诸多元件进行参数匹配是十分必要的。合理的参数匹配由于能够使各元件的作用得到最佳的发挥，可以降低系统的装机功率和成本，减轻系统的质量。因此，参数匹配的研究对于系统节能效果的提高和成本的降低都有重要的意义。

目前，油电混合动力液压挖掘机参数匹配研究已比较成熟，针对不同结构和控制策略的混合动力系统，分别研究了其参数匹配的评价指标、匹配方法和实现 引。但国内外对液压混合动力挖掘机驱动系统的研究尚处在起步阶段 ，对于同时配置上车机构回转制动能量蓄能器回收系统和液压混合动力系统的液压挖掘机驱动系统，并无其参数匹配方面的相关研究成果发表。

作者针对具有蓄能器能量回收系统的液压混合动力挖掘机驱动系统的结构、工作原理及工况特点，提出了关键元件的参数匹配方法，并对其进行了仿真研究。

收稿 日期 ：2012-o6-08基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51205140)；高校产学合作科技重大项目 (2013H6015)；国家高技术研究发展计划(863计划 2010AA044401)；浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金 (GZKF-201111)；中央高校基本科研业务费资助项目 (JB-ZR1208)；华侨大学科研启动项目 (11BS409)作者简介：林添良 (1983-)，男，工学博士，讲师，主要研究方向为工程机械混合动力系统、能量回收技术以及电液比例控制技术等。E-mail：hlkxl###163.corn。 。

· 2· 机床与液压 第 41卷1 参数匹配的条件和目标1.1 参数匹配的条件1.1.1 节能驱动系统基本结构方案图1所示为新型节能驱动系统结构方案示意图，该方案具有以下特点：(1)采用了发动机与泵/马达同轴相连的并联式混合动力系统，通过 马达的削峰填谷，使发动机输出负载所需平均功率；(2)基于液压混合动力系统的蓄能器对上车机构回转制动动能进行回收，同时上车机构的制动力矩由蓄能器压力和液 马达排量决定，降低了系统的压力冲击；(3)选用了具有快速充放能力、比功率大的液压蓄能器为蓄能装置，以满足负载的快速大波动，但参数匹配时需合理选择其容量。

萋. 7.1 tl!!L时间/s图 2 动力系统输出功率曲线时间/s图3 回转制动可回收功率曲线2 参数优化匹配2.1 蓄能器2.1.1 工作压力优化在新型驱动系统中，蓄能器的作用就是快速吸收或提供负载相对发动机输出功率的波动，同时在上车机构回转制动的1-2 S时间内，快速回收能量。由于上车机构的回转驱动液压马达排量-般不可改变，因此上车机构的制动扭矩撒于蓄能器的压力，而液压混合动力系统中的 马达-般为变排量机构，而发动机在实际工作时，其油门挡位设定后，转矩较为稳定，负载的波动主要体现为负载扭矩的波动，而马达的输出扭矩可以根据目标输出扭矩和蓄能器压力调整排量来保证，因此蓄能器工作压力的优化主要由上车机构回转驱动系统来实现。气囊式液压蓄能器的气囊惯性孝反应灵敏、成本低，能实现气液的完全隔离。文中选用气囊式液压蓄能器，蓄能器的主要参数主要包括充气压力P 最低工作压力P 、最高工作压力P：以及蓄能器的容积 。

(1)满足工作效率要求为了保证工作效率，-般要求转台在最大转速旋转时，其最大制动时间 不超过3 S，则蓄能器最低工作压力P。满足：Pl≥ 24 MPa式中：∞ 为转台的最大转速，取1.256 rad/s；-为转台的最大制动时间，s；i为液压马达和转台总减速比，取140；q为液压马达的排量，取 129 mL/r；.，为转台的转动惯量，kg·m 。

在参数优化设计时应该根据满载时转台的转动惯量设计，可按下式估计 ：5J960G了153 451 kg·m (2)式中：G为整机的质量 ，取 21 t。

(2)满足整机稳定性和结构强度的要求考虑到整机的稳定性，液压挖掘机回转机构的最大制动力矩要受到地面附着力矩的限制 。履带式液压挖掘机与地面的附着力矩可按下式计算：土 4 910bG 142 236 Nm (3)式中： 为附着系数，带筋履带板，取0.5。

因此，回转最大制动力矩 和蓄能器最高压力P，为：- -卫 第13期 林添良等：基于蓄能器的挖掘机节能驱动系统的参数匹配 ·3·M 0.6M 85 342 Nm (4)：P2≤÷ 30 MPa (5) f卫 、21T(3)延长液压蓄能器使用寿命为防止气囊变形太大损坏气囊，当系统达到最高压力时，气囊收缩后的体积仍大于充气压力下体积的1/4，即蓄能器最高压力P 和充气压力P。的关系满足：P0>10.25p2 (6)综上可得，蓄能器工作压力为：P125 MPa (7)P230 MPa (8)P00.8p120 MPa (9)2.1.2 蓄能器总体积的优化设计蓄能器的能量平衡方程：E ( -㈡ ) (10式中： 为蓄能器最低工作压力时气体体积，L。

上车机构制动过程中转台具有的最大可回收能量为：E÷( )：121 037 J (11)作为发动机和负载之间的平衡单元，蓄能器在-个工作周期内不断处于充油和放油两种模式，根据负载特性 (参见图2)，假设在液压混合动力系统，发动机的工作点转速为 1 800 r/min，输出扭矩为负载的平均扭矩，可以得到泵/马达的输出扭矩曲线 (参见图4)▲-步计算得到蓄能器满足负载平衡能力吸收或提供的能量曲线，如图5所示，最大吸收或释放的能量大约90 000 J，稍小于最大回转制动动能。

考虑到液压蓄能器的比能量密度较低以及蓄能器压力可通过溢流阀进行限压，不存在蓄能器过充现象，因此在计算蓄能器额定体积时，蓄能器的工作压力范围按最大压力工作范围设计，由式 (10)计算得到蓄能器在最低工作压力时的气体体积 为34 L，又根据波意尔定律计算得到蓄能器的气体额定体积为40 L。

2.2 泵/马达的排量设计液压马达的排量必须满足泵/马达的负载平衡能力。如图4所示，泵/马达吸收的最大扭矩大约为300 N·m，而泵/马达所提供的最大扭矩大约为280 N·m，考虑到经济性，泵/马达的排量按最大扭矩280 N·m和蓄能器最低工作压力 25 MPa设计 ：9口 70 mL/r (12)p12.3 发动机液压挖掘机用发动机额定转速范 围-般为1 500～2 000 r/rain，由于工程机械用发动机的平均油耗率最低的转速大约为 1 800 r/min，因此选择发动机的额定转速 n 为 1 800 r/rain，发动机输出的平均扭矩大约为 350 N-m〖虑到负载的不确定性，实际发动机即使在采用液压混合动力系统以后，仍然需要工作在多个挡位，因此发动机的功率等级P。 按重载模式 (重载模式时，发动机输出较大功率，保证蓄能器的压力在工作循环时总体处于上升趋势，此 时转 速为发动机最大转速 2 000r/min，转矩为450 N·m)计算：P。 -84 kW (13)3 匹配结果的分析基于图1所示的结构，利用AMESim建立了如图6所示的系统仿真模型，对比了发动机的输出扭矩，校验了蓄能器的参数以及上车机构的回转制动动能回收系统的效果〃模时，用-个液压泵和-个液压马达代替了 马达。

如图7所示，由于负载的变化，当系统没有采用液压混合动力时，发动机输出扭矩的波动范围和负载相适应。采用液压混合动力系统并进行参数匹配后，发动机输出扭矩为负载平均扭矩，因此系统效率有较大的提高。

· 4· 机床与液压 第41卷800600目 400200辑 0. 200. 400- - 发动机输出扭矩 --负载所需扭矩lj”时间/s图7 发动机、负载和泵/马达扭矩曲线图6图8所示为工作中蓄能器的压力变化曲线，可见：在第-个周期内，由于蓄能器的充气压力低于蓄能器最低工作压力，因此 马达工作在泵模式，使得蓄能器压力逐渐上升；在第3个工作周期后，蓄能器压力跟随负载而波动，但波动幅度小，且不超出工作范围，表明所选择的蓄能器的容腔大小是合理的。

从图9可以看出：当系统没有采用上车机构能量回收系统 时，发动机 在 90 s时 间里消耗能量61 582 311 J；而采用上车机构能量回收系统后，发动机在相同的时间里消耗能量 55 625 981 J。因此 ，图8 蓄能器压力变化曲线图9 发动机消耗能量对比曲线4 结论(1)针对液压挖掘机新型节能驱动系统的结构、工作原理以及负载工况，提出了驱动系统各关键元件的参数优化设计方法。

(2)利用所建立的系统模型对匹配结果进行了仿真校验，结果表明：参数匹配后系统的发动机输出扭矩为负载平均扭矩，所选择的蓄能器满足系统工作(下转第8页)· 8· 机床与液压 第41卷变得更蓖更长，并且极易在第三变形区闭合。 。

切削过程中，这些微孔的存在将有助于减小刀具后刀面的磨损量，进而使得CVD涂层刀具在整个车削过程中其 馏 值明显小于无涂层刀具 (如图 1所示 )。

3 结论(1)采用无涂层刀具车削 AISI 12L14易切削钢时，其前后刀面均不能形成硫化物 (MnS)润滑带，且刀具切削刃处存在严重的粘屑现象，刀具磨损厉害，寿命较短，不适合AISI 12L14的车，bnm。其前刀面主要发生月牙洼磨损，氧化磨损和粘结磨损，后刀面则为粘结磨损与氧化磨损。

(2)CVD涂层刀具在切削过程中，能够在刀具表面形成良好的 MnS润滑带，该润滑带能够阻断元素扩散兼起润滑减磨作用，有效降低前刀面的粘附现象，极大提高刀具的切削性能，故在整个切削过程中，涂层刀具前、后刀面磨损较校其主要磨损形式为粘结磨损和磨粒磨损。

(3)无涂层刀具和CVD涂层刀具均经过初期磨损和正常磨损阶段，其中CVD涂层刀具切削性能优于无涂层刀具，具有更长的刀具使用寿命，更适合AISI 12L14的切削加工。