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1、第 28卷 第 1期 2010年 1月 北京工商大学学报 (自然科学版 ) Journal of Beijing T echnology and BusinessUniversity(Natural Science Edition) Vol?28 No?1 Jan. 2010 ?文章编号: 1671?1513( 2010) 01?0043?05 混合动力液压挖掘机能量回收系统仿真研究 代 ? 鑫, ? 张承宁, ? 梁新成 (北京理工大学 电动车辆国家工程实验室, 北京?100081) 摘 ? 要: 混合动力在工程机械的应用是当前的研究热点, 为了研究混合动力挖掘机执行机构能量 回收的动态过程
2、, 用多体动力学软件 Recurdyn建立逼真的液压挖掘机工作装置模型, 用 Si mulink 建立了液压回路能量回收系统中马达、 发电机、 动力电池模型, 对动臂和斗杆势能的回收过程进行 了研究. 分析了动臂油缸、 斗杆油缸在能量回收过程马达转速变化规律及负载电磁转矩变化规律, 并对能量回收效率进行了分析. 为混合动力在挖掘机的技术提升方面提供可靠依据. 关键词: 混合动力; 挖掘机; 联合仿真; 能量回收;Si mulink ; Recurdyn 中图分类号: U415?51 ; TP391?9? ? ? 文献标志码: A 收稿日期: 2009- 09- 21 基金项目: 国家部委预研项
3、目 ( 40402070101). 作者简介: 代? 鑫( 1985?),男, 重庆人, 博士研究生, 研究方向为混合动力技术; 张承宁( 1963?),男, 安徽芜湖人, 教授, 博士生导师, 主要从事电机控制方面的研究; 梁新成( 1978?),男, 陕西华县人, 博士研究生, 研究方向为新能源车辆. ? 液压挖掘机在工作过程中, 铲斗、 斗杆和动臂都 会频繁运动, 由于它们都具有较大的惯性, 在工作过 程中存在着很大的能量浪费. 据统计, 国产挖掘机 的能量利用率仅为 50 % 70 % 1. 在传统挖掘机 上, 其势能主要消耗在液压油及元件的发热上, 影响 元件寿命. 液压挖掘机正常工
4、作时, 其液压系统的 效率仅为 40 % 左右, 是液压挖掘机效率低下的主要 原因之一. 因此怎样将这部分能量有效地回收, 成 为近年较为热门的研究. 鉴于混合动力系统在汽车上的成功运用 2, 在 液压挖掘机上装备混合动力系统成为一种可能, 并 已受到许多液压挖掘机制造商和科研机构的重视. 能量回收与利用混合动力挖掘机是提高燃油利用率 及节能减排的关键技术. 其中能量回收包括: 1)工 作执行机构的能量回收, 将液压油缸中的压力能量 回收以及执行装置的势能能量回收.2)回转机构的 能量回收, 回转机构在回转过程中通过电机制动取 代传统的机械制动, 将动能转换为电能储存. 本文主要对工作执行机构
5、的能量回收过程进行 研究, 建立了能量回收系统模型, 并对其进行了参数 匹配. 分析了动臂油缸、 斗杆油缸在能量回收过程 中压力、 速度的变化, 并对能量回收效率进行了分 析. 1? 系统模型的建立 针对挖掘机液压能量回收系统的工作原理, 建 立整个系统的仿真模型. 考虑到铲斗势能回收能量 较少, 这里只对动臂和斗杆油缸与液压回路所构成 的系统进行能量回收分析. 由于工作装置能量回收 动力学方面是个很复杂的过程, 利用 Recurdyn在多 体动力学研究的优势, 建立了挖掘机工作装置的逼 真模型. 利用 Matlab中 Si mulink在算法计算方面的 优势, 建立了液压管路、 液压马达、
6、发电机、 蓄能电池 的模型. 通过 Si mulink与 Recurdyn无缝连接, 进行 了联合仿真, 对液压能量回收过程进行了仿真研究. 1?1? 挖掘机模型的建立 该液压挖掘机模型基于 CNGC Hydraulic Exca? vator CN65工作装置外形尺寸建立, 如图 1 , 该仿真 模型由动臂、 动臂油缸、 斗杆、 斗杆油缸、 铲斗、 铲斗 油缸组成. 其中, 针对 Recurdyn与 Si mulink的联合 仿真, 这里建立了模型的输入输出关系. 以动臂和 43 斗杆油缸的液压力作为该模型的输入, 以动臂和斗 杆中活塞相对于缸体的速度作为输出. 从而与 Si m? ulin
7、k中液压马达进行输入输出的连接. 达到 Co? si mulation的目的. 图 1? 挖掘机模型 F ig . 1? Excavatormodel ? 1?2? 流动液体建模 3 液压油在流动过程中要损耗一部分能量, 这种 能量损耗主要表现为液体流动的压力损失. 圆管层 流是液压系统最常见的流动状态. 圆管中有力平衡 方程: ?p?r 2 - 2?r / - m du /dt= 0 ,( 1) 其中 r为圆管半径, l为圆管长度, ?p 为压力损 失, 圆管中的流量 q可以由积分得到: q= 0 R ?p 4!l(R 2 - r 2 ) 2?rdr= ?d 4 128!l?p. ( 2)
8、根据平均流速 v的定义: v= q A = 1 ? R 2 ? R 4 8!l ?p= R 2 8!l?p, ( 3) 因为 q= 1 4 ?d 2 , != # , = #/g, Re= d /#得: ?p = 128!l ! d 4 ! 1 4 ?d 2v=64 Re ! l d ! 2 2 = % l d ! # 2 2g . ( 4) 式中, %为沿程阻力系数; Re为雷诺数; #为流动液 体的运动黏度. 1?3? 液压马达建模 4 设液压马达进油口和出油口的流量、 压力分别 为 Q1, P1和 Q2, P2. 液压马达的进油、 出油的流量 连续方程为: Q1= Qt+ Qz+ Qd=
9、 nVt+ k1?p+ k2? P + C1 dp1 dt, ( 5) Q2= Qt+ Qz- Qd= nVt+ k1?p + k2?P - C2 dp2 dt, ( 6) 式中, Qt为马达理论流量, m 3 /s; Qz为马达泄露流 量, m 3 /s; Qd为马达压缩性流量, m 3 /s; n 为马达的 转速; Vt为马达的排量, m 3 /r ; ? P 为进出油口的压 差, Pa ; k1, k2为马达泄露系数, kg - 1m4 s ; C 1, C2分 别为马达的吸油腔和排油腔的液容, kg - 1m4 s2, 可 表示为: C1= 1 k Vt 2 + V1,( 7) C2=
10、 1 k Vt 2 + V2,( 8) 式中, V1, V2分别为马达的吸油腔和压油腔的容积, m 3; k为油液体积弹性模量, MPa . 液压马达的时机输出扭矩M 方程为: M = Mt-Mz-Md= Vt 2?+ k 3?P - b0n- b1n 2 - 2?J dn dt, ( 9) 式中,Mt为理论扭矩, Mz为扭矩损失, Md为惯性引 起的动态扭矩损失, k3为马达内各密封面因压力引 起的扭矩损失系数; b0为马达内因油液搅拌和稳流 漏损引起的扭矩损失系数; J 为液压马达及负载的 总转动惯量. 1?4? 发电机模型 该系统采用常用的永磁同步发电机, 其 dq轴数 学模型 5为:
11、d dti d= 1 Ldv d- R Ld id+ Lq Ld R 为定子绕组的阻抗; id, iq为 d, q轴的电流; vd, vq为 d , q轴的电压; p 为磁级对数; Te为电磁转矩. 1?5? 电池建模 电池模型的作用在于计算当前状况下电池的 SOC( state of charge). 这里用 SOC的估算公式 6: SOC= SOCini+ idt C ,( 13) 式中, SOCini为电池初始 SOC, C 为电池额定容量 (Ah), i为电池充放电电流 (A), 充电为正, 放电为 负, 为充放电效率. 44北京工商大学学报 (自然科学版 )? ? ? ? ? ? ?
12、 ? ? ? ? ? 2010年 1月 2? 系统仿真及性能评价 2?1? 能量回收原理 在建模过程中, 考虑到该模型是对整个能量回 收效率及其他能量回收过程参数的分析, 液压系统 选用定量马达作为液压能向机械能转换的中介. 在 液压工作装置势能的驱动下, 马达带动永磁同步发 电机旋转, 经过整流变换, 给电池组充电. 考虑到马 达的低速大转矩以及电机的高速高效特性, 在马达 与发电机之间配一个变速比为 3的增速器. 参数匹配: 马达排量 20mL /r , 额定转速 600 r/ m in , 额定压力 15MPa . 永磁同步发电机: 额定功率 10 k W, 额定转速 1 700 r/m
13、 in , 300Vdc . 电池: 电压 300V, 容量 20Ah . 折算到马达的负载转动惯量为 7 kg m 2. 最终挖掘机工作装置模型与 Si mulink联合 仿真模型如图 2 . 图 2? 能量回收系统模型 Fig . 2? Energy recovery model ? 2?2? 仿真分析 2?2?1? 斗杆油缸能量回收分析 图 3? 斗杆能量回收马达转速示意 F ig . 3? Angular hydraulicmotor of ar m energy recovery 图 3为斗杆油缸能量回收过程中马达转速曲线 图. 马达转速有个急速上升的过程, 为斗杆在重力 的作用下,
14、 驱动液压马达带动发电机加速的过程, 由 于发电机此时转速较低, 负载电磁转矩较小 (如图 4), 斗杆的势能克服管路液体流动压力, 驱动马达 带动负载转动惯量加速较快. 随着马达转速的升 高, 经过增速器后发电机转速增加, 发电机的电磁转 矩增加, 从而相当于马达的负载增加, 液压系统的背 压上升, 从而活塞杆所受压力增加, 最终斗杆油缸能 量回收过程逐渐达到一个平衡状态, 使发电马达转 速长时间维持在 500 r/m in左右, 发电机转速在 1 500 r/m in 左右. 图 4? 斗杆能量回收电磁转矩示意 Fig . 4? M agic torque of ar m energy r
15、ecovery ? 图 5为斗杆能量回收效率图, 该效率呈现一个 上升趋势, 因为在能量回收起始阶段斗杆的势能大 部分转换为马达及电机转子动能和斗杆动能, 导致 能量回收初期效率较低. 当整个能量回收系统工作 稳定之后, 整个系统的效率在 30 %左右. 通过对整个能量回收系统的参数匹配, 经过 5 s 的能量回收过程, 能够基本实现斗杆势能的能量回 收, 从而通过驾驶员操作进入下一个液压工作循环. 虽然与正常设计要求下放过程 3 s的时间超出 2 s , 45第 28卷 第 1期? ? ? ? ? ? ? ? ? 代? 鑫等: 混合动力液压挖掘机能量回收系统仿真研究 图 5? 斗杆能量回收效
16、率示意 Fig . 5? Efficiency of ar m energy recovery ? 应该对作业影响不大, 但却能获得 30%的能量回收 效率. 斗杆油缸能量回收终止状态模型如图 6 . 图 6? 斗杆能量回收终止状态示意 Fig . 6?End state of ar m energy recovery ? 2?2?2? 动臂油缸能量回收分析 图 7? 动臂能量回收马达转速示意 Fig . 7? Hydraulic motor angular of boom energy recovery 图 7为动臂油缸能量回收马达转速曲线图. 该 仿真结果表明: 在能量回收初始阶段马达转速
17、也有 一个剧增的过程, 与斗杆能量回收相似, 这个过程电 机转速较低, 马达负载电磁转矩较小 (如图 8); 随着 马达转速的增加, 马达负载转矩增加, 导致马达进出 图 8? 动臂能量回收电磁转矩示意 F ig . 8? M agic torque ofboo m energy recovery ? 口背压增加; 动臂油缸活塞所受压力增加, 动臂下降 加速度减慢, 导致马达转速趋于平稳, 最终趋于平稳 状态. 较为稳定的运行在 600 r/m in. 与斗杆油缸能 量回收不同, 马达转速没有出现一个减速过程, 分析 原因如下: 动臂油缸活塞与斗杆油缸活塞在能量回收过程 中移动相同的距离, 动
18、臂油缸中的油液流量大, 它们 之间容积相差是活塞杆的体积. 在能量回收系统相 同参数匹配下, 动臂能量回收容易使马达快速打到 较高转速, 从而获得较大的负载电磁转矩. 避免了 执行装置速度过快产生的冲击. 通过动臂油缸能量回收的执行装置总体质量较 大, 马达虽然较平稳地运行在 600 r/m in左右, 但仍 然有一个缓慢的加速度, 说明该过程将逐渐达到平 衡转速. 最终通过计算, 动臂能量回收效率接近 20 %, 见图 9. 图 9? 动臂能量回收效率示意 Fig . 9?Efficiency of boom energy recovery ? 46北京工商大学学报 (自然科学版 )? ?
19、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2010年 1月 3? 结 ? 论 通过建立混合动力挖掘机能量回收系统模型, 利用 Recurdyn与 Si mulink的联合仿真, 系统地分析 了作为混合动力挖掘机能量回收的动态过程. 对整 个能量回收系统的参数进行严格匹配的情况下, 分 析了马达转速的变化规律以及马达负载的变化规 律, 并对能量回收系统的效率进行了分析. 该仿真 研究证明了动臂斗杆的势能通过马达带动发电机给 动力电池充电的方案具有可行性, 而且工作装置的 能量回收过程不影响挖掘机的正常作业. 通过能量 回收系统参数的匹配可以使能量回收系统的效率平 均在 25 % 左右. 参考文献:
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22、itute of Technology, Beijing 100081 , China) Abstract : The application of hybrid in constructionm achinery hasbecome the current research focus .In order to study the energy recovery dynam ic process of executive body in hybrid excavator body,the realis? ticworking hydraulic excavatormodel is estab
23、lished by multi?body dynam ics soft ware recurdyn, and the hydraulicmotors, generator , power batterymodel is establish by soft ware si mulink in hydraulic energy re? covery system.Boom and ar m on the potential energy under the recycling processwere studied. Energy changes ofmotor speed ,load chang
24、es of the electrom agnetic torque and the efficiency of energy recovery in the boom cylinder and the ar m cylinder recovery process are analyzed .It provides a reliable basis for upgrading of technology in hybrid excavator . Key words : hybrid ;excavator ;co?si mulation ;energy recovery; Si mulink ; Recurdyn (责任编辑: 檀彩莲 ) 47第 28卷 第 1期? ? ? ? ? ? ? ? ? 代? 鑫等: 混合动力液压挖掘机能量回收系统仿真研究