基于LUDV系統(tǒng)純電驅(qū)液壓挖掘機能耗特性分析

， 　， 　(太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點試驗室, 山西 太原　030024)

引言

液壓挖掘機作為重要的工程機械，廣泛應(yīng)用于建筑施工，橋梁建設(shè)，道路施工等各類施工場所。但是由于工作環(huán)境惡劣，負載波動大等因素，現(xiàn)有控制方式存在燃油消耗大、排放嚴重等問題，在嚴峻的國際能源危機背景下，其節(jié)能性越來越受關(guān)注。為此，國內(nèi)外的學(xué)者和制造企業(yè)紛紛提出多種類型的節(jié)能系統(tǒng)方案開展研究,研究工作的重點可分為兩個方面，其一是通過功率匹配降低系統(tǒng)能耗，包括發(fā)動機與液壓泵之間的功率匹配，液壓泵與負載之間的功率匹配，發(fā)動機與機器工況的功率匹配，文獻[1，2]從提高元器件效率、降低多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)能耗的電液控制技術(shù)、能量回收再利用、動力匹配和混合動力技術(shù)方面，介紹了提高工程機械能量利用率的主要技術(shù)現(xiàn)狀和新的研究成果，并分析了各自的優(yōu)缺點。文獻[3]提出了一種電液負載敏感系統(tǒng)，系統(tǒng)采用高速開關(guān)閥控制壓力電閉環(huán)比例泵，通過比例壓力閥改變壓差補償器的補償壓差，實現(xiàn)抗飽和流量的流量分配控制。文獻[4]研究了發(fā)動機-泵和泵-負載兩個環(huán)節(jié)功率匹配的原理與方法，并解決了這兩個環(huán)節(jié)之間協(xié)調(diào)匹配的問題。文獻[5]通過對發(fā)動機與液壓泵工作點的優(yōu)化及匹配，降低燃油消耗17%。另一個研究熱點是混合動力技術(shù)，文獻[6]研究了動力源混合度對整機動力性能與燃油效率的影響，提出了一種基于混合度方法的動力源最佳匹配方法。文獻[7]對傳統(tǒng)液壓挖掘機、油電混合動力和油液混合動力3種系統(tǒng)回轉(zhuǎn)機構(gòu)進行對比分析，結(jié)果表明油電混合動力和油液混合動力的回轉(zhuǎn)機構(gòu)在動態(tài)響應(yīng)方面以及節(jié)能方面均有很大提高。但是混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，能量轉(zhuǎn)化效率降低，并且只能使發(fā)動機工作在相對高效率的區(qū)域，其效率的提升幅度非常有限。

采用功率匹配與混合動力技術(shù)的液壓挖掘機，噪聲大、污染嚴重，不適合城市、醫(yī)院、學(xué)校以及一些相對封閉場所的作業(yè)。電動液壓挖掘機應(yīng)運而生，并且成為液壓挖掘機新的研究方向，在2012年法國巴黎召開的INTERMAT展會中，多生產(chǎn)制造公司展出自己的電動挖掘機，如發(fā)動機+電動機的雙動力挖掘機，采用智能功率匹配的SWEROB純電動液壓挖掘機[8]。

本研究中，新的系統(tǒng)方案是在傳統(tǒng)LUDV液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用變頻電動機取代內(nèi)燃發(fā)動機作為動力源，設(shè)計了相應(yīng)的控制方法，通過改變電機的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)液壓泵的排量，降低了整機的能耗，綠色環(huán)保。

1　電動液壓挖掘機原理與控制方法

1.1　工作原理

基于試驗室現(xiàn)有的6 t機型，提出的電動液壓挖掘機液壓系統(tǒng)控制原理如圖1所示。變頻電動機為液壓系統(tǒng)提供動力，采用電纜或蓄電池進行供電。系統(tǒng)由單個負載敏感液壓泵提供動力，并集成有壓力切斷和恒功率控制功能，為了能夠精確的實現(xiàn)復(fù)合動作，液壓閥采用抗流量飽和負載敏感控制原理，可不受負載變化影響，根據(jù)控制閥的開口面積分配提供各執(zhí)行元件的流量，并在控制流量大于液壓泵流量的情況下，按比例降低供給各執(zhí)行器的流量，即抗流量飽和功能，原理如圖2所示，多路閥的單聯(lián)工作原理可以用圖中的三位三通閥與三位六通換向閥說明，三位三通閥一方面用來獲取最高負載壓力反饋到負載敏感泵，一方面用于壓力補償，保證閥節(jié)流口兩端壓差恒定；三位六通閥用于節(jié)流與油路的換向。

圖1　電動液壓系統(tǒng)控制原理

圖2　LUDV系統(tǒng)液壓控制原理

1.2　控制方法

液壓泵輸出流量：

Qp=nq

(1)

式中，n為電動機的轉(zhuǎn)速；q為液壓泵的排量。

通常情況下，變頻電機的效率隨著轉(zhuǎn)速n的降低而降低[9]，液壓泵的效率隨著排量q的減小而降低[10]。當(dāng)液壓泵輸出流量Qp為定值時，電動機轉(zhuǎn)速n與液壓泵的排量q成反比。因此，液壓泵的效率提高/降低對應(yīng)著電動機的效率降低/提高，這構(gòu)成了一對矛盾。

為使電動機盡可能工作在高的效率區(qū)，制定電動液壓挖掘機的控制策略如圖3所示。采用變轉(zhuǎn)速與變排量復(fù)合控制來實現(xiàn)液壓泵與液壓系統(tǒng)功率的匹配，液壓系統(tǒng)最大負載壓力pLmax控制負載敏感泵的排量，使得液壓泵出口壓力比液壓系統(tǒng)最大負載壓力pLmax高一個恒定值。變頻電機的控制目標(biāo)是泵的排量，當(dāng)泵的排量小于“泵排量目標(biāo)值”時，降低轉(zhuǎn)速；當(dāng)泵的排量大于“泵排量目標(biāo)值”時，提高轉(zhuǎn)速，從而使得泵的排量盡可能趨近“泵排量目標(biāo)值”。因此，在控制過程中液壓泵的排量與電機的轉(zhuǎn)速處于不斷變化之中，其變化過程參見圖6b、圖7b中曲線。

圖3　電動液壓挖掘機的控制關(guān)系框圖

2　液壓挖掘機聯(lián)合仿真模型

為了分析電動液壓挖掘機的能耗特性，首先在SimulationX仿真軟件中建立了液壓系統(tǒng)以及機械結(jié)構(gòu)的仿真模型，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合變頻電機的模型，建立了電動液壓挖掘機的聯(lián)合仿真模型。

2.1　液壓系統(tǒng)與機械系統(tǒng)建模

1) 液壓系統(tǒng)模型

挖掘機液壓系統(tǒng)主要組成部分：負載敏感泵、LUDV多路閥以及液壓執(zhí)行元件。負載敏感泵可以實現(xiàn)液壓泵與液壓系統(tǒng)的功率匹配，根據(jù)負載敏感泵的工作原理，利用SimulationX軟件中函數(shù)模塊與雙向變量泵模塊建立出其仿真模型。LUDV多路閥實現(xiàn)流量的精確控制，用三坐標(biāo)測量儀測繪出閥芯節(jié)流槽的幾何尺寸，計算出閥芯位移與過流面積的函數(shù)，采用SimulationX軟件中函數(shù)模塊與節(jié)流邊模塊建立其仿真模型，詳細建模過程參考文獻[11]。液壓執(zhí)行元件是用于驅(qū)動工作裝置工作的液壓缸與液壓馬達，利用SimulationX軟件中液壓缸及液壓馬達模塊建立其仿真模型。在此基礎(chǔ)上，以實驗室現(xiàn)有的6 t機型為研究對象，用SimulationX軟件建立其液壓系統(tǒng)的仿真模型，并設(shè)置模型的相關(guān)參數(shù)。

2) 機械系統(tǒng)模型

測繪出液壓挖掘機的外形尺寸，用Pro/E構(gòu)建出挖掘機的三維模型，然后利用接口模塊將三維模型導(dǎo)入到SimulationX中，并用連接副將各個零件裝配起來。模型考慮了挖掘阻力以及鏟斗中土壤重力的影響。

2.2　變頻電機模型

電動機采用YVF2 225S-4型變頻電動機，額定功率為37 kW。利用SimulationX軟件中的電機模塊建立電動機的模型，并根據(jù)實際電機設(shè)置模型的相關(guān)參數(shù)；電機配備相匹配的變頻器，其采用矢量控制方式，利用軟件中的矢量控制等模塊建立其仿真模型，并設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，將變頻電機模型與液壓系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)模型連接在一起，建立電動液壓挖掘機機電液一體化的聯(lián)合仿真模型及其試驗平臺，如圖4所示。

圖4　電動液壓挖掘機聯(lián)合仿真模型及試驗平臺

3　電動液壓挖掘機能耗分析

3.1　挖掘裝載作業(yè)

挖掘機的作業(yè)具有明顯的周期性，其挖掘裝載作業(yè)為：挖掘——滿斗舉升、回轉(zhuǎn)——卸載——空斗回轉(zhuǎn)、動臂下降。試驗測試挖掘裝載作業(yè)中動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸的位移以及回轉(zhuǎn)角度曲線如圖5所示，以下所有仿真模型中執(zhí)行機構(gòu)的運行曲線與此相同，使得彼此之間具有可比性。

圖5　挖掘裝載作業(yè)

3.2　能耗特性分析

如1.2中所述，為了降低電動液壓挖掘機的能耗，需要合理的選擇液壓泵的排量，下面對液壓泵排量目標(biāo)值分別為0.9、0.7、0.5三種情況下電動液壓挖掘機的能耗進行對比分析。

電機的效率為輸出功率與輸入功率的比值。圖6為電動液壓挖掘機在三種不同“泵排量目標(biāo)值”液壓泵效率、排量仿真曲線。從圖中可以看出，泵排量設(shè)置定值由0.9減小為0.7再減小為0.5時，液壓泵的排量依次降低，其效率也隨之降低,但是降低的幅度不大。目標(biāo)值”由0.9變?yōu)?.7時，電機轉(zhuǎn)速隨之小幅度升高，電機效率的平均值提高了12.3%；當(dāng)“泵排量目標(biāo)值”由0.9減小為0.5時，電機轉(zhuǎn)速隨之大幅提高，電機效率的平均值提高了38%。

圖6　不同“泵排量目標(biāo)值”液壓泵效率、排量仿真曲線

圖7為電動液壓挖掘機在三種不同“泵排量目標(biāo)值”電機效率、轉(zhuǎn)速仿真曲線，從圖中看出，當(dāng)“泵排量

圖7　不同“泵排量目標(biāo)值”電機效率、轉(zhuǎn)速仿真曲線

對電機電功率曲線進行積分，并進一步計算可得不同“泵排量目標(biāo)值”電動機耗電量，如表1所示，與“泵排量目標(biāo)值”0.9相比，“泵排量目標(biāo)值”0.7時電機消耗電能減少13.9%，“泵排量目標(biāo)值”0.5時電機消耗電能減少23.7%。

表1　不同“泵排量目標(biāo)值”電動機耗電量

進一步的研究表明，當(dāng)“泵排量目標(biāo)值”減小為0.3時，電機耗電量不會隨著“泵排量目標(biāo)值”的減小而降低，耗電量達到最小值，即0.3為“泵排量目標(biāo)值”的最優(yōu)值。

4　結(jié)論

(1) 電動液壓挖掘機采用變轉(zhuǎn)速與變排量復(fù)合控制方式，通過改變電機的轉(zhuǎn)速，使得液壓泵的實際排量盡可能趨近“泵排量目標(biāo)值”，證明了控制方法的有效性；

(2) 在挖掘裝載作業(yè)循環(huán)中，電動液壓挖掘機隨著“泵排量目標(biāo)值”的減小，耗電量逐漸降低，但是當(dāng)“泵排量目標(biāo)值”減小到某個值時，耗電量不會隨著“泵排量目標(biāo)值”的減小而降低，耗電量達到最小值。

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