并聯(lián)式油液混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)仿真研究

張敏杰 王慶九 管 成

浙江大學(xué)，杭州，310027

0 引言

液壓挖掘機(jī)用量大、排放不佳的特點(diǎn)使其節(jié)能研究備受關(guān)注。挖掘機(jī)工況復(fù)雜、負(fù)載波動(dòng)劇烈，傳統(tǒng)的液壓挖掘機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)與負(fù)載的優(yōu)化匹配，柴油機(jī)大部分時(shí)間工作在非高效區(qū)，因此燃油消耗高、排放差。為了改善節(jié)能效果，目前的挖掘機(jī)采用轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的匹配，而在負(fù)載—泵環(huán)節(jié)，則采用負(fù)載傳感控制或負(fù)流量控制［1］。兩個(gè)環(huán)節(jié)都是靠調(diào)節(jié)泵的排量來(lái)實(shí)現(xiàn)局部功率匹配的，因此，現(xiàn)有液壓挖掘機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)全局功率匹配，必須重新考慮挖掘機(jī)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)［2］。

鑒于混合動(dòng)力技術(shù)在汽車(chē)上的成功應(yīng)用，目前已經(jīng)受到了不少工程機(jī)械領(lǐng)域的專家和企業(yè)的關(guān)注。目前的混合動(dòng)力根據(jù)儲(chǔ)能元件的不同，可以分為油電混合和油液混合。前者的儲(chǔ)能元件為超級(jí)電容和蓄電池，后者的儲(chǔ)能元件為液壓蓄能器。蓄電池的能量密度高，但是它的功率密度卻很低，只有30～100W／kg。而液壓蓄能器的功率密度可以達(dá)到500～1000W／kg［3］，能更好地滿足挖掘機(jī)瞬時(shí)大功率的需求。此外，液壓蓄能器具有的成本低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)使得油液混合動(dòng)力技術(shù)逐漸成為人們的關(guān)注焦點(diǎn)之一。美國(guó)環(huán)保署（EPA）一直致力于該項(xiàng)技術(shù)的推廣。美國(guó)福特、日本三菱等公司也已經(jīng)把該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于城市皮卡、城市垃圾車(chē)、城市公交車(chē)和重型卡車(chē)上。而在液壓挖掘機(jī)領(lǐng)域，油液混合技術(shù)尚處于起步階段。本文提出一種基于液壓蓄能器的油液混合動(dòng)力方案，使得發(fā)動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定工作在高效區(qū)，從而降低排放、提高效率。

1 挖掘機(jī)工況及發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)

傳統(tǒng)的液壓挖掘機(jī)由行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、行走馬達(dá)等工作裝置組成，主要運(yùn)動(dòng)有整機(jī)行走、轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂升降、斗桿收放、鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)等。每個(gè)動(dòng)作由多個(gè)關(guān)節(jié)復(fù)合完成，每個(gè)關(guān)節(jié)工作所需要的功率相差很大。加上挖掘機(jī)工作環(huán)境惡劣，土壤情況差，扭矩變化大，因此泵的出口壓力波動(dòng)劇烈。由于泵直接吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，因此發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩波動(dòng)劇烈，如圖1所示。傳統(tǒng)挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)是漂移的，大部分的工作點(diǎn)分布于高油耗區(qū)，燃油效率低，如圖2所示。因此，要降低挖掘機(jī)的油耗，就必須使得發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)油門(mén)開(kāi)度下的工作點(diǎn)分布于最佳燃油點(diǎn)附近［4］。

圖1 15t液壓挖掘機(jī)重載模式下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩

圖2 傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布圖

2 油液混合動(dòng)力原理及結(jié)構(gòu)

油液混合動(dòng)力系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)和帶有液壓蓄能器的液壓馬達(dá)／泵作為混合動(dòng)力源的一種新型的混合動(dòng)力系統(tǒng)［5］。該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件為液壓馬達(dá)／泵以及蓄能器。液壓馬達(dá)／泵可工作于四個(gè)象限，既能作液壓泵又能作為液壓馬達(dá)。它能輸出較大扭矩，可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率，降低排放，減少油耗，且結(jié)構(gòu)緊湊。蓄能器的功率密度大，響應(yīng)速度快，可以瞬時(shí)完成能量的充放。

現(xiàn)有研究的液壓混合共有串聯(lián)和并聯(lián)兩種模式，串聯(lián)式油液混合動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵、液壓馬達(dá)／泵、液壓蓄能器和動(dòng)力裝置等以串聯(lián)的方式組成，如圖3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)恒壓變量泵為系統(tǒng)提供恒壓動(dòng)力油源。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率大于負(fù)載所需功率時(shí)，多余的能量通過(guò)變量泵存儲(chǔ)在蓄能器中，液壓馬達(dá)／泵工作在馬達(dá)狀態(tài)，帶動(dòng)變量泵，從而驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足，液壓蓄能器作為輔助動(dòng)力源帶動(dòng)液壓馬達(dá)／泵。當(dāng)回收勢(shì)能時(shí)，液壓馬達(dá)／泵工作在泵狀態(tài)，往蓄能器中存儲(chǔ)能量。串聯(lián)系統(tǒng)避免了發(fā)動(dòng)機(jī)與外界負(fù)載的直接聯(lián)系，因此發(fā)動(dòng)機(jī)可以在一個(gè)特定工況區(qū)域內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定地運(yùn)行。但是串聯(lián)式系統(tǒng)能量傳遞環(huán)節(jié)多，能量損失和噪聲相對(duì)較大，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高［6］。并聯(lián)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓蓄能器組成，如圖4所示。其中發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)／泵與挖掘機(jī)的變量泵同軸相連。系統(tǒng)可以工作在液壓馬達(dá)／泵單獨(dú)驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)／泵聯(lián)合驅(qū)動(dòng)兩種模式下。在挖掘機(jī)怠速運(yùn)行時(shí)可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，而在挖掘機(jī)裝載挖掘時(shí)，由于工況復(fù)雜，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在穩(wěn)態(tài)模式，故需要由液壓馬達(dá)／泵彌補(bǔ)負(fù)載的不足。并聯(lián)式靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)整體效率高、元件體積小、噪聲低，但是增加了一個(gè)能量環(huán)，因此控制難度大。

圖3 串聯(lián)式油液混合動(dòng)力挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖4 并聯(lián)式油液混合動(dòng)力挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的特性，本文選擇并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，原理圖如圖5所示。當(dāng)液壓馬達(dá)／泵工作在泵狀態(tài)，通過(guò)液壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)使得A口和蓄能器相連，B口和油箱相連；當(dāng)工作在馬達(dá)狀態(tài)，A口和油箱相連，B口和蓄能器相連。該系統(tǒng)具有兩個(gè)特點(diǎn)：①液壓馬達(dá)／泵的壓差始終為蓄能器氣體的壓力，方便了計(jì)算；②保證了液壓馬達(dá)／泵始終朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。

圖5 并聯(lián)式油液混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

3 油液混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

MATLAB中的仿真模塊如圖6所示，它包含控制模塊、PID模塊、蓄能器模塊、液壓馬達(dá)／泵模塊以及發(fā)動(dòng)機(jī)模塊。該仿真模型采用閉環(huán)控制，控制對(duì)象為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。輸入為實(shí)際的挖掘機(jī)載荷譜。控制模塊根據(jù)SOC值確定油門(mén)開(kāi)度以及目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

圖6 控制原理框圖

3.1 液壓馬達(dá)／泵模型

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩公式為

qV的計(jì)算公式為

式中，d為柱塞直徑；z為柱塞數(shù)量；D1為缸體上柱塞分布圓直徑；φ為斜盤(pán)轉(zhuǎn)角；k2為常量系數(shù)。

將式（2）代入式（1），則轉(zhuǎn)矩公式變?yōu)?/p>

式中，k1為常量系數(shù)。

3.2 蓄能器模型

蓄能器有多種形式，其中，氣囊式蓄能器具有氣囊慣性小、油氣隔離性好、比容大、密封性好、反應(yīng)靈敏、充氣方便等特點(diǎn)［7］。膠囊式蓄能器的膠囊采用耐油橡膠，膠囊內(nèi)充有氮?dú)?。基于以上特點(diǎn)，本文油液混合動(dòng)力挖掘機(jī)中采用氣囊式蓄能器。

根據(jù)理想氣體方程確定壓力與體積的基本關(guān)系：

1)PJM電力市場(chǎng)中，電能供需基本均衡。美國(guó)容量市場(chǎng)價(jià)格的設(shè)計(jì)原則為：在供需平衡的情況下，容量市場(chǎng)的價(jià)格等于發(fā)電成本減去在能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)中已補(bǔ)償?shù)某杀尽Ｔ诠┻^(guò)于求的形勢(shì)下，RTO獲取更多的容量，但價(jià)格也會(huì)相應(yīng)下降。總體定價(jià)的原則為補(bǔ)償其需求部分機(jī)組的全成本。

即

式中，p為蓄能器壓力，Pa；V為壓力為p時(shí)氣體的體積，L；p0為蓄能器的充氣壓力，Pa；V0為蓄能器中氣體的初始體積，L；n為氣體指數(shù)，對(duì)于氮?dú)?，n＝1.4。

蓄能器的流量連續(xù)方程為

式中，V為蓄能器氣腔的體積。

而管路里流量為

式中，nm為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速；V1為從蓄能器到液壓馬達(dá)的管路液體體積；βe為液體膨脹系數(shù)，取為βe＝6×10－10。

把式（2）代入式（7），聯(lián)合式（6）得

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型主要是確定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和油門(mén)位置三者的關(guān)系。由牛頓第一定律可得三者動(dòng)力學(xué)關(guān)系：

式中，Med（ne，α）為發(fā)動(dòng)機(jī)主軸輸出扭矩（即負(fù)載扭矩）；Me（ne，α）為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門(mén)開(kāi)度后通過(guò)查表得出；Je為等效發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ce為等效黏性阻尼；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；α為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際油門(mén)位置；αcom為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)油門(mén)位置。

發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)為一階慣性環(huán)節(jié)，其數(shù)學(xué)模型為

式中，τ為調(diào)速器響應(yīng)阻尼；k為調(diào)速手柄動(dòng)態(tài)響應(yīng)剛度。發(fā)動(dòng)機(jī)模型中，取1。

3.4 控制模塊

除了建立各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型外，還需要有整體控制策略，從而協(xié)調(diào)各部件工作。為了初步驗(yàn)證油液混合動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能效果，本文采用發(fā)動(dòng)機(jī)多工作點(diǎn)控制策略。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線，發(fā)動(dòng)機(jī)每一個(gè)擋位下都有一個(gè)最佳燃油效率工作點(diǎn)。結(jié)合蓄能器SOC的變化來(lái)調(diào)整油門(mén)位置，并使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作在該油門(mén)位置下的最佳工作點(diǎn)，即：①根據(jù)負(fù)載情況初步確定發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)油門(mén)開(kāi)度α，本文初定油門(mén)開(kāi)度為0.8；② 當(dāng)蓄能器SOC≤SOCmin，發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)提高到最大值1，用于充能，直至充滿；③當(dāng)蓄能器SOC≥SOCmax，發(fā)動(dòng)機(jī)降低一擋油門(mén)至0.7；④ 當(dāng)蓄能器SOCmin≤SOC≤SOCmax，發(fā)動(dòng)機(jī)保持油門(mén)位置不變；⑤根據(jù)目標(biāo)油門(mén)開(kāi)度查表獲得確定目標(biāo)轉(zhuǎn)速nset；⑥通過(guò)PID控制使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

蓄能器的SOC值設(shè)定為蓄能器瞬時(shí)油液量和蓄能器最大進(jìn)油量之比［8］。當(dāng)SOC為0時(shí)，蓄能器儲(chǔ)能為0；當(dāng)SOC為1時(shí)，蓄能器儲(chǔ)能達(dá)到最大值。由于液壓蓄能器具有功率密度高的特點(diǎn)，能在瞬時(shí)達(dá)到所需功率，因此蓄能器可以實(shí)現(xiàn)全充全排。為了安全起見(jiàn)，留有一定余量，故設(shè)定SOCmin＝0.2，SOCmax＝0.8。

4 混合動(dòng)力模型仿真及結(jié)果分析

4.1 參數(shù)選擇

本文模擬的是15t液壓挖掘機(jī)，它的動(dòng)力系統(tǒng)的額定輸出功率為82kW（2200r／min轉(zhuǎn)速下），系統(tǒng)的動(dòng)力配置為：發(fā)動(dòng)機(jī)42.9kW（2200r／min轉(zhuǎn)速下），發(fā)動(dòng)機(jī)功率不能選擇過(guò)大，以防止瞬時(shí)蓄能器被過(guò)充；液壓馬達(dá)／泵160kW（在35MPa，2200r／min時(shí)），在這里選擇大功率的液壓馬達(dá)，主要是由于液壓馬達(dá)的瞬時(shí)功率和蓄能器的壓力成正比，因此需要選擇較大余量，以防止液壓馬達(dá)不能補(bǔ)償峰值扭矩差。各部件的參數(shù)選擇如表1所示。

表1 并聯(lián)式混合動(dòng)力挖掘機(jī)關(guān)鍵部件參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果及比較

系統(tǒng)的動(dòng)力輸入如圖1所示。數(shù)據(jù)采集于重載工況下15t挖掘機(jī)，采樣時(shí)間為一個(gè)工作循環(huán)。MATLAB／Simulink模型見(jiàn)圖7。

圖7 MATLAB／Simulink仿真模塊

圖8為普通液壓挖掘機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速圖。由于負(fù)載波動(dòng)劇烈，因此發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很不穩(wěn)定，上下波動(dòng)達(dá)到幾百轉(zhuǎn)。圖9為并聯(lián)式油液混合動(dòng)力挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速圖，3個(gè)油門(mén)開(kāi)度下對(duì)應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速值為：油門(mén)開(kāi)度1，目標(biāo)轉(zhuǎn)速2230r／min；油門(mén)開(kāi)度0.8，目標(biāo)轉(zhuǎn)速2046r／min；油門(mén)開(kāi)度0.7，目標(biāo)轉(zhuǎn)速1900r／min。圖10為實(shí)際轉(zhuǎn)速圖?？梢?jiàn)當(dāng)采用混合動(dòng)力技術(shù)后，負(fù)載的波動(dòng)完全由液壓蓄能器來(lái)補(bǔ)償，因此發(fā)動(dòng)機(jī)得以穩(wěn)定工作在各個(gè)油門(mén)位置下的工作點(diǎn)。圖11所示為蓄能器SOC值。可見(jiàn)在SOC過(guò)低或過(guò)高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)提高或降低擋位，保證蓄能器正常工作。

圖12所示為普通液壓挖掘機(jī)和并聯(lián)油液混合動(dòng)力挖掘機(jī)系統(tǒng)燃油消耗圖。在一個(gè)工作循環(huán)后，共可節(jié)省燃油達(dá)30%?？梢?jiàn)在采用并聯(lián)油液混合動(dòng)力技術(shù)后，系統(tǒng)節(jié)省了燃油，減少了排放。

圖8 15t傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速圖

圖9 15t并聯(lián)油液混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速圖

圖10 15t并聯(lián)油液混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速圖

圖11 SOC值曲線

圖12 燃油消耗圖

5 結(jié)束語(yǔ)

仿真結(jié)果證明，采用油液混合動(dòng)力能穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低燃油消耗，從而提高整機(jī)動(dòng)力性能，降低排放。油液混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)在節(jié)能方面有著特有的潛力，是一個(gè)值得研究的方向。

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