挖掘機回轉(zhuǎn)電液能量回收系統(tǒng)仿真與試驗

李 曙， 龔 進， 龔 俊，， 張大慶， 劉昌盛，， 胡 鵬

（1.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.山河智能裝備股份有限公司 國家級企業(yè)技術(shù)中心，湖南 長沙410100）

液壓挖掘機是各種土石方施工中必不可少的工程機械設(shè)備。在水利施工、交通運輸、建筑、露天采礦及現(xiàn)代化軍事工程中都有著非常廣泛的應(yīng)用［1］。然而，目前液壓挖掘機具有能耗高、排放差等特點，能量利用率普遍較低，僅有15%～25%［1］。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，液壓挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的回轉(zhuǎn)時間約占整個工作循環(huán)時間的50% ～70%，耗能約占總能量的25% ～40%［2］。目前，回轉(zhuǎn)制動能量多以熱能形式發(fā)散，而回轉(zhuǎn)液壓油路的發(fā)熱量約占總發(fā)熱量的30%～40%［3］，這不僅引起了液壓系統(tǒng)的發(fā)熱，降低了回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作性能，同時也降低了整機的工作壽命。因此，對回轉(zhuǎn)制動能量進行回收與再利用，不僅在節(jié)能上有可觀的經(jīng)濟價值，而且能夠有效延長液壓挖掘機系統(tǒng)的工作壽命，提高系統(tǒng)的工作性能。

目前，國內(nèi)外對挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)制動能量回收系統(tǒng)的設(shè)計與控制策略開展了廣泛研究。在國內(nèi)，文獻［4－5］在考慮采用蓄能器的方案回收液壓挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)制動能量時，通過大量的試驗數(shù)據(jù)，對蓄能器參數(shù)的選擇進行了分析討論；文獻［6－8］對液壓挖掘機節(jié)能控制策略進行了廣泛研究。在國外，日本日立公司開發(fā)的回轉(zhuǎn)節(jié)能液壓系統(tǒng)—— KHER二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在市場上已經(jīng)投入生產(chǎn)［9］。

在已有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合挖掘機回轉(zhuǎn)工況的特點，本文提出一種基于電液聯(lián)合回收的挖掘機回轉(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)，以變量泵－馬達－電機為能量回收與利用單元，一方面實現(xiàn)能量回收與利用元件的集成，另一方面通過電氣液壓的聯(lián)合回收，將回收的一部分能量在挖掘機液壓系統(tǒng)有功率需求時可以直接利用，有效減少能量回收與再利用的功率傳遞環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于電液聯(lián)合回收系統(tǒng)是指將回轉(zhuǎn)起動能量以及制動能量通過變量泵－馬達－電機進行聯(lián)合回收，如圖1所示，該回收系統(tǒng)由發(fā)動機、主泵1、主泵2、多路閥、回轉(zhuǎn)馬達、壓力控制閥、輔助泵、回收馬達、電機、蓄電池等構(gòu)成。發(fā)動機驅(qū)動主泵1為執(zhí)行機構(gòu)提供動力油源，輸出的液壓油通過多路閥到達回轉(zhuǎn)馬達以驅(qū)動上車平臺轉(zhuǎn)動；在起動回轉(zhuǎn)平臺時，若主泵輸出的流量超出了回轉(zhuǎn)馬達所需流量，超出的那部分則流向回收馬達進行能量回收，正常轉(zhuǎn)動時，回收系統(tǒng)是關(guān)閉的；當(dāng)回轉(zhuǎn)平臺制動時，由于回轉(zhuǎn)平臺的大慣量，帶動回轉(zhuǎn)馬達反轉(zhuǎn)，使其處于泵工況而產(chǎn)生大量的液壓能，此時，打開回收系統(tǒng)，通過壓力控制閥調(diào)節(jié)壓力以保證回轉(zhuǎn)平臺能正常制動，同時將這部分能量通過回收馬達回收。這2種情況所回收的能量通過聯(lián)軸器帶動電機發(fā)電及輔助泵輸出液壓能。一部分帶動電機發(fā)電的能量，以電能的形式儲存到蓄電池中；另外一部分能量帶動輔助泵供能，將液壓能輸出到泵2的輸出端，分擔(dān)了泵2的負載壓力。蓄電池所存儲的能量不僅以電能的形式為系統(tǒng)供能，而且可以通過電機帶動輔助泵以液壓能的形式為系統(tǒng)供能。

圖1 回轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)原理圖

1.2 數(shù)學(xué)模型分析

（1）回轉(zhuǎn)馬達。馬達的力矩平衡方程［10］為：

其中，P1為回轉(zhuǎn)制動時回轉(zhuǎn)馬達的入口壓力；V1為回轉(zhuǎn)馬達的排量；J1為上車平臺等效到回轉(zhuǎn)馬達上的轉(zhuǎn)動慣量；bm1為回轉(zhuǎn)馬達回轉(zhuǎn)的黏性阻尼系數(shù)；ω1為回轉(zhuǎn)馬達的角速度；Tf1為上車平臺等效到回收馬達上的摩擦及風(fēng)阻力矩。

（2）回收馬達、輔助泵與電機模型。圖1中，液壓挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的慣性能通過回轉(zhuǎn)馬達／泵（此時處于泵工況）轉(zhuǎn)化成液壓能，再通過壓力控制閥調(diào)定的穩(wěn)定壓力，帶動液壓馬達－泵－電機聯(lián)軸運動，一部分能量將以電能的形式儲存在電機中，另一部分能量直接通過液壓泵輸出。

回收馬達的力矩平衡方程［11］為：

其中，P1為回收馬達入口壓力；V2為回收馬達排量；TN為發(fā)電機的輸入扭矩；J2為回收馬達－發(fā)電機等效到回收馬達上的轉(zhuǎn)動慣量；ω2為回收馬達的角速度；bm2為回收馬達回轉(zhuǎn)時的黏性阻尼；Tf2為回收馬達－發(fā)電機等效到回收馬達上的摩擦力矩。

電機動力學(xué)方程如下：

其中，Te為電機電磁轉(zhuǎn)矩；p為電機的極對數(shù)；λ為電機磁鏈；id、iq為電機d、q軸電流；Ld、Lq為電機d、q軸電感；ωr為電機轉(zhuǎn)子角速度；Jm為電機的轉(zhuǎn)動慣量；Fm為電機的摩擦阻尼系數(shù)；Tm為電機的機械轉(zhuǎn)矩；θm為電機轉(zhuǎn)子位置角。

（3）蓄電池。蓄電池模型的作用在于計算當(dāng)前狀況下電池的SOC（state of charge）［12］。SOC的估算公式為：

其中，SOCini為電池初始SOC；C為電池額定容量；i為電池充放電電流，充電為正，放電為負；η為充放電效率。

2 系統(tǒng)仿真

2.1 系統(tǒng)仿真建模

為了從理論上對液壓挖掘機電液能量回轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)進行仿真評價，在分析上述系統(tǒng)各元件數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，在AMESim環(huán)境下，建立了液壓挖掘機電液能量回轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。

本文中，對液壓泵、液壓馬達、電動／發(fā)電機、蓄電池的內(nèi)阻消耗特性、多路閥的壓力損失以及回轉(zhuǎn)阻力矩作了相應(yīng)的等效處理。

圖2 回轉(zhuǎn)制動能量回收系統(tǒng)

2.2 仿真工況與參數(shù)

以某型23t級挖掘機系統(tǒng)為平臺，進行仿真分析，整車回轉(zhuǎn)能量回收系統(tǒng)主要參數(shù)見表1所列。為了重點評價系統(tǒng)回轉(zhuǎn)回收能量性能，選擇90°回轉(zhuǎn)單動作工況運行仿真。

表1 整車回轉(zhuǎn)能量回收系統(tǒng)部件參數(shù)

2.3 能量流分析

挖掘機在空載單回轉(zhuǎn)作業(yè)時，其能量流示意圖如圖3所示。

圖3 挖掘機回轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)能量流

從圖3可以看出，挖掘機回轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)的能量流主要從4個部分來分析：① 在執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動過程中，發(fā)動機輸出的機械能在轉(zhuǎn)化成液壓能時存在著能量損失，這是由于液壓泵的轉(zhuǎn)換效率而產(chǎn)生了機械損失，約占損失能量的14%；② 回轉(zhuǎn)平臺在運動過程中，摩擦阻力矩以及風(fēng)阻力矩也損失了一部分能量，約占損失能量的26%；③ 在回轉(zhuǎn)能量回收過程中，存在著回收電液轉(zhuǎn)換損失，是指液壓馬達－泵－電機、蓄電池之間的相互轉(zhuǎn)化而造成的損失，約占18%；④ 由于回轉(zhuǎn)平臺的大慣量，在回轉(zhuǎn)起動初始，上車平臺回轉(zhuǎn)起動時，液壓泵提供的大流量超出了回轉(zhuǎn)馬達所需流量，盡管在回轉(zhuǎn)加速起步過程中的溢流流量能夠進行回收，但由于壓力調(diào)制閥在此的作用是將保證平臺的回轉(zhuǎn)性能作減壓處理，這樣雖然回轉(zhuǎn)馬達的多余流量得到部分回收，但同樣更多回轉(zhuǎn)起動溢流的能量仍消耗在回轉(zhuǎn)馬達的溢流閥上，這部分流量通過溢流閥直接溢流回油箱，從而損失了一部分能量，約占損失能量的42%。挖掘機回轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)各部分損失能量如圖4所示。

圖4 挖掘機回轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)各部分損失能量

3 試 驗

3.1 試驗系統(tǒng)

為了研究回收系統(tǒng)在挖掘機作業(yè)時的性能，將開發(fā)的電液能量回收系統(tǒng)搭載在某型23t級挖掘機上，并建立了如圖5所示的試驗機系統(tǒng)。試驗機在圖1的電液能量回收系統(tǒng)基礎(chǔ)上，安裝包括回轉(zhuǎn)平臺陀螺儀角速度轉(zhuǎn)感器8、工作裝置三油缸的位移傳感器9以及液壓壓力傳感器10在內(nèi)的傳感器系統(tǒng)。以專業(yè)數(shù)據(jù)采集器6作為狀態(tài)監(jiān)控下位機，負責(zé)傳感器數(shù)據(jù)與整機狀態(tài)的采集，通過CAN總線向上位機7發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)。上位機采用筆記本電腦，主要負責(zé)狀態(tài)顯示及數(shù)據(jù)文件的建立與存儲。

圖5 挖掘機電液能量回收系統(tǒng)搭載試驗示意圖

3.2 試驗方法

為充分評價回收系統(tǒng)性能，并考慮試驗可重復(fù)性，采用空載試驗，步驟如下：

（1）開始姿勢，斗桿鉸點和鏟斗鉸點處于垂直于地面的直線上，鏟斗鉸點及鏟斗斗齒處于平行于地面的直線上；提升動臂至最大位置。試驗中始終保持此姿勢。

（2）駕駛員以最大加速度向左開始回轉(zhuǎn)，在平臺旋轉(zhuǎn)到60°時停止加速，平臺由于慣性繼續(xù)驅(qū)動回轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)開始進行回轉(zhuǎn)制動回收。

（3）當(dāng)平臺回轉(zhuǎn)到90°時，駕駛員以最大加速度向右開始回轉(zhuǎn)，在平臺旋轉(zhuǎn)了60°后，再次進行回轉(zhuǎn)制動能量回收。

試驗中，挖掘機操作手柄信號如圖6所示，

圖6 節(jié)能模式回轉(zhuǎn)控制壓力

3.3 試驗結(jié)果分析

通過平臺陀螺儀角速度轉(zhuǎn)感器以及壓力傳感器，采集了上車平臺實際回轉(zhuǎn)角速度以及回轉(zhuǎn)馬達的入口壓力，如圖7所示。從圖中可以看出，回轉(zhuǎn)平臺在0～3.5s處于靜止?fàn)顟B(tài)；在3.5～6.2s時，平臺開始向左加速旋轉(zhuǎn)；在6.2～8.2s時，回轉(zhuǎn)平臺開始制動回收；在8.2～11.5s時，平臺開始向右加速旋轉(zhuǎn)；在11.5～14s時，回轉(zhuǎn)平臺制動回收。下面的功率與能量分析都基于這一操作條件產(chǎn)生。

回轉(zhuǎn)過程中主液壓泵的壓力流量曲線如圖8所示，由于前述試驗系統(tǒng)中沒有安裝流量傳感器，圖中的流量是根據(jù)液壓泵的外特性模型計算得到的。根據(jù)圖8并結(jié)合（7）式可以得到在1個回轉(zhuǎn)動作周期里液壓系統(tǒng)的輸出能量為：

其中，P1為主泵的出口壓力；Q1為主泵的出口流量。

圖7 回轉(zhuǎn)速度和回轉(zhuǎn)馬達入口壓力

圖8 主泵壓力及流量

輔助再生泵在回轉(zhuǎn)工作時輸出的壓力流量曲線如圖9所示，其中輸出流量是由電機轉(zhuǎn)速與馬達控制排量計算得出。從圖9可以看出，在回轉(zhuǎn)加速過程中（3.5～6.2s），輔助再生泵的再生壓力與流量較大，這是因為在加速前期，由于主液壓泵輸出的流量大于回轉(zhuǎn)馬達的吸收流量，有大量的溢流產(chǎn)生，而產(chǎn)生的溢流流量通過回收馬達可以回收并有一部分通過輔助泵再生進入原液壓系統(tǒng)。在回轉(zhuǎn)加速過程中，隨著回轉(zhuǎn)平臺角速度的增大，主液壓泵的輸出與回轉(zhuǎn)馬達的吸收的差值變小，從而使溢流量減少，輸助泵再生流量減少，而在制動過程中（6.2～8.2s），由于液壓系統(tǒng)功率需求較小，回收的能量不通過輔助泵再生。根據(jù)圖9并結(jié)合（8）式可以得到在1個回轉(zhuǎn)動作周期里輔助泵的再生能量為：

其中，P2為輔助泵的出口壓力；Q2為輔助泵的出口流量。

圖9 輔助泵壓力及流量

回轉(zhuǎn)過程中蓄電池的電壓電流曲線如圖10所示。

圖10 蓄電池電壓及電流

從圖10可以看出，在回轉(zhuǎn)起動（3.5～6.2s）與制動（6.2～8.2s）過程中，均有電能的回收，這是因為在起動過程中，尤其是初始階段，回轉(zhuǎn)平臺處于靜止?fàn)顟B(tài)，主液壓泵輸出的流量遠大于回轉(zhuǎn)馬達的吸收流量，造成了大量的溢流能量，而這部分能量一方面通過輔助泵得以再生（在實際挖掘作業(yè)過程中，回轉(zhuǎn)起動的同時伴隨著動臂與斗桿的復(fù)合動作，因此回收的能量有必要直接再生來驅(qū)動其他工作裝置），多余的部分通過電機發(fā)電，以電能的形式儲存在蓄電池中。另外，在制動過程中，由于所有回收能量都是通過電機回收，所以回收功率比起動過程中的回收功率大。根據(jù)圖10并結(jié)合（9）式可以得到在1個回轉(zhuǎn)動作周期里電池的回收能量為：

其中，I為蓄電池的電流；V為蓄電池的電壓。

在回轉(zhuǎn)過程，主液壓泵、輔助泵以及電池的功率輸入（回收）對比曲線如圖11所示。從圖11可以看出，在回轉(zhuǎn)回收過程中，通過制動以及起動所回收的能量，利用輔助泵回收的能量較多，經(jīng)積分計算，相比于液壓主泵輸出的總能量約占21%；利用蓄電池回收的能量約回收了13.3%，其綜合回轉(zhuǎn)能量回收率為34.3%。

圖11 馬達泵電機功率

4 結(jié) 論

（1）在分析現(xiàn)有挖掘機回轉(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)基礎(chǔ)上結(jié)合挖掘機回轉(zhuǎn)工況特點，提出了以變量泵－馬達－電機為能量回收與再生單元的電液聯(lián)合回收的挖掘機回轉(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)方案。

（2）重點分析了回收系統(tǒng)主要元件的數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)在AMESim環(huán)境下，建立了回轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)仿真模型，并從能量流與能量損失2個方面進行了仿真分析，分析結(jié)果表明，起動溢流是回轉(zhuǎn)過程中的主要損失，約占42%。

（3）搭建了挖掘電液聯(lián)合回收的試驗與測試平臺，以空載回轉(zhuǎn)為試驗條件進行試驗。試驗結(jié)果表明，在回轉(zhuǎn)起動與制動過程中，都能實現(xiàn)能量的回收，在起動過程中以輔助泵的再生為主，在制動過程中，以電能回收為主，相比于泵液壓系統(tǒng)的輸出能量，回轉(zhuǎn)過程中的綜合回收率達34.3%。具有較好的節(jié)能效果。

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