液壓挖掘機主被動復合驅動回轉系統(tǒng)特性及能效

喬佳楠， 權 龍， 葛 磊， 黃偉男， 秦 濤

(太原理工大學 新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點實驗室， 山西 太原 030024)

引言

液壓挖掘機上車回轉系統(tǒng)在工作循環(huán)中存在起動溢流損失及制動能量損失[1]。當前，對液壓挖掘機回轉系統(tǒng)節(jié)能的研究，主要集中在進出口獨立控制、 閉式泵控技術、二次調節(jié)技術等方面[2-3]。

傳統(tǒng)四邊聯(lián)動控制閥造成了進出油口同時節(jié)流、節(jié)流損失嚴重的問題[4]。汪成文等[5]提出了進出口獨立調節(jié)負載敏感系統(tǒng)，利用自抗擾控制方法較好地解決了液壓系統(tǒng)中各控制自由度的耦合問題。劉凱磊等[6]將負載敏感技術與負載口獨立控制技術相結合并應用于液壓馬達，降低了能耗。董致新等[7]針對四邊聯(lián)動閥控制液壓執(zhí)行器能耗大的問題，對挖掘機回轉液壓馬達采用進出口獨立控制，顯著降低了工作口壓差，提高了能量利用率。黃偉男等[8]采用進出口獨立回路控制液壓挖掘機回轉系統(tǒng)，并與原機系統(tǒng)試驗結果進行對比,結果表明能耗降低25.5%，經(jīng)閥口損失的壓力減小，有效抑制了上車回轉系統(tǒng)的速度波動。

閉式泵控的基本回路為變量泵拖動液壓馬達，馬達的出油口與泵的進油口連接構成泵控回路，適用于中、大功率的調速系統(tǒng)。張德等[9]基于閉式泵控馬達液壓系統(tǒng)，對負載和轉速變化時的系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析，為挖掘機回轉系統(tǒng)在非平穩(wěn)工況下的穩(wěn)定性研究提供理論依據(jù)。鄢華林等[10]分析了閉式泵控系統(tǒng)采用一般控制算法時超調量大、響應慢的問題，提出了智能積分偽微分算法，系統(tǒng)響應速度快，有效降低了速度波動，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。郝云曉等[11]提出一種基于液氣儲能的重載舉升機構閉式泵控系統(tǒng)，采用蓄能器直接回收能量，提高了系統(tǒng)的操控性能和能量回收效率，與傳統(tǒng)負載敏感系統(tǒng)相比，主泵的能耗降低了27%。

二次調節(jié)系統(tǒng)主要由恒壓源、變量馬達和蓄能器組成。衛(wèi)鵬斌等[12]在液壓挖掘機回轉系統(tǒng)中應用了二次調節(jié)技術，在回轉90°標準工況下，動能回收效率可達到62.4%，節(jié)能效率達24.7%。顏韻琪等[13]提出一種基于二次調節(jié)控制的液壓回轉系統(tǒng)來回收挖掘機回轉階段的制動動能，使用PID反饋控制變量馬達，能量回收效率為20.3%，使系統(tǒng)達到節(jié)能減排的目的。姜繼海等[14]運用二次調節(jié)原理，以此為基礎研究了混合動力液壓挖掘機，在油源部分設置高、低壓管路和卸荷管路，利用蓄能器回收能量，所提出的方案能量回收效率可達60%。

儲能系統(tǒng)中蓄能器的非線性變化對主回路影響較大[15]，朱曉基等[16]研究了蓄能器的穩(wěn)定性特點及液壓系統(tǒng)對蓄能器能量回收效率的影響，分析了馬達排量和系統(tǒng)壓力對能量回收效率的影響并設計試驗，研究結果為蓄能器回路的設計提供依據(jù)。

HUANG Weinan等[17]以開式控制回路為基礎，對挖掘機回轉驅動系統(tǒng)能量回收技術進行了深入研究，高效回收回轉動能。秦濤等[18]采用液電混合驅動方案驅動上車回轉系統(tǒng)起動，并且實現(xiàn)制動動能的回收，取得了良好的節(jié)能效果。陳正雄等[19]針對挖掘機回轉機構，使用蓄能器與超級電容同時回收儲能，能量回收率達到了66.8%，研究表明，液電混合驅動系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。

本研究提出了雙液壓馬達主被動復合驅動回路，對主驅動系統(tǒng)采用進出口獨立控制技術，制定泵閥復合控制策略，降低回轉系統(tǒng)起動過程中的溢流損失，對主動馬達和被動馬達的排量匹配問題進行了研究，使回轉系統(tǒng)連續(xù)工作時間延長，提高了系統(tǒng)工作效率。

1 系統(tǒng)工作原理

圖1為主被動復合驅動系統(tǒng)原理圖。本系統(tǒng)主要包括液壓泵、主動系統(tǒng)液壓馬達、被動系統(tǒng)液壓馬達、換向閥、液壓蓄能器等。主動馬達與被動馬達并聯(lián)在上車大齒圈處，被動馬達的進出油腔分別與蓄能器和油箱連接，構成被動系統(tǒng)。起動過程中主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)同時驅動上車回轉，制動過程采用被動系統(tǒng)進行能量回收。

以正向回轉為例，在起動加速過程中，根據(jù)控制信號，閥V1，V2處于左位，閥V3處于右位，二位二通閥V4處于關閉狀態(tài)，此時主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)同時工作，為上車回轉系統(tǒng)提供能量，其中主動系統(tǒng)由主泵供能，被動系統(tǒng)液壓蓄能器中的高壓油通過被動馬達輔助主動回轉馬達實現(xiàn)液壓挖掘機上車回轉加速。

回轉系統(tǒng)減速制動時，根據(jù)控制信號，閥V1，V2處于右位，閥V3處于左位，二位二通閥V4處于開啟狀態(tài)，使主動系統(tǒng)回轉馬達左右兩腔連通，主動系統(tǒng)處于空載狀態(tài)，不進行減速制動。由于上車回轉系統(tǒng)轉速較高、轉動慣量較大，上車回轉系統(tǒng)帶動被動馬達向液壓蓄能器充液，將轉動動能轉化為液壓能存儲在液壓蓄能器中，實現(xiàn)了減速制動及能量回收。

2 主被動復合驅動起動、制動過程控制方式

主驅動回路在起動階段，由于回轉平臺的慣性較大，轉速較低，馬達需求流量與主泵輸出流量存在較大差值，由此造成較大的溢流損失；制動階段，手柄擺回中位，導致液壓馬達回油腔壓力升高，此過程中仍存在溢流損失。為減小起動過程中的溢流損失，對主驅動回路采用泵閥復合進出口獨立控制方法，保持進、回油閥全開，使泵輸出流量與負載運行速度相匹配，圖2為起動階段系統(tǒng)控制原理圖。

圖2 起動階段系統(tǒng)控制原理

將手柄信號進行積分處理后轉變?yōu)樘菪慰刂菩盘枺o定Sai和Sbi為進油閥與回油閥的開口度輸入信號，并轉換為斜率分別為ka，kb的斜坡信號；液壓泵為電控比例軸向柱塞泵，輸入信號為壓力給定信號和流量給定信號，液壓泵實時監(jiān)測泵擺角和泵輸出壓力并進行反饋，設Δp=|ps-pp|，Δq=|qs-qp|，ps為液壓泵實際輸出壓力；pp為液壓泵給定壓力；qs為液壓泵實際輸出流量；qp為液壓泵給定流量。當Δp<Δq時，液壓泵優(yōu)先控制實際輸出壓力達到給定值；當Δp>Δq時，液壓泵優(yōu)先控制實際輸出流量達到給定值。將回轉液壓馬達的流量輸入信號轉變?yōu)樾逼滦盘枺甭蔾q由式(1)確定；將泵出口壓力給定值ps轉變?yōu)樾逼滦盘枺甭蕿閗p，以此來滿足系統(tǒng)所需加速度?？刂葡到y(tǒng)調整液壓泵與進、回油閥各控制量輸入信號的斜率并進行校正，使液壓泵與進、回油閥的動態(tài)響應速度相匹配，實現(xiàn)了泵閥協(xié)調控制。

kq=(qsm+qx)/t

(1)

式中，qsm—— 液壓馬達的最大需求流量

qx—— 液壓馬達的泄漏流量

t—— 液壓馬達運行達到流量最大所需時間

制動過程中，通過式(2)判斷回轉系統(tǒng)是否處于制動階段：當ωrel·αrel≥0時，回轉系統(tǒng)處于加速運行狀態(tài)；當ωrel·αrel<0時，回轉系統(tǒng)處于減速運行狀態(tài)。當回轉系統(tǒng)減速制動時，通過控制信號使蓄能器控制閥打開，根據(jù)系統(tǒng)工作原理，主動系統(tǒng)空載，只通過被動系統(tǒng)制動，上車回轉系統(tǒng)帶動被動馬達向液壓蓄能器充液，完全消除了主動系統(tǒng)制動過程中的溢流損失，能夠最大限度地回收能量。

(2)

式中,ωrel，αrel—— 傳感器采集的回轉系統(tǒng)實際運行角速度和角加速度

3 參數(shù)設計及聯(lián)合仿真模型的建立

本研究基于某型號38 t液壓挖掘機進行仿真分析，原機主驅動系統(tǒng)采用軸向柱塞變量泵，表1為原機回轉系統(tǒng)參數(shù)。在起動加速階段，被動系統(tǒng)輔助主動系統(tǒng)驅動上車回轉，主驅動系統(tǒng)所提供的起動扭矩小，則被動馬達排量應與原回轉系統(tǒng)馬達排量相同，為260 mL/r；主動馬達可選較小排量，根據(jù)式(3)選擇主動液壓馬達排量為155.8 mL/r。

表1 38 t液壓挖掘機上車回轉系統(tǒng)參數(shù)

(3)

式中，Mm—— 液壓馬達所承受的負載力矩

Δpm—— 液壓馬達進油口與出油口的壓差

ηm—— 馬達機械效率

p1=(0.6～0.85)p2

(4)

0.25p2≤p0≤0.9p1

(5)

(6)

式中，Ez—— 1個工作循環(huán)可回收的制動動能

p0，p1，p2—— 蓄能器的預充壓力、最低工作壓力及最高工作壓力

pacc，Vacc—— 蓄能器任意工作狀態(tài)下的壓力和容積

C—— 常數(shù)

為保證系統(tǒng)工作要求，采用活塞式液壓蓄能器，設定蓄能器的最高工作壓力35 MPa；公稱容積為1～50 L，本研究選擇蓄能器容積為40 L，預充壓力p0為26 MPa。

將液壓挖掘機動臂、斗桿、鏟斗、主架結構及底盤的三維模型導入到SimulationX聯(lián)合仿真軟件，完成液壓挖掘機機械模型的搭建；建立主被動復合驅動液壓系統(tǒng)，添加前述控制系統(tǒng)。設定仿真系統(tǒng)的運行工況為：滿載正轉運行90°后卸載，空載反向運行回到起始位置。圖3為搭建的主被動復合驅動回轉系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型。

圖3 主被動復合驅動挖掘機回轉系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

在實際運行過程中，蓄能器的能量回收/釋放計算如下：

(7)

挖掘機上部回轉機構在起動/制動時，其獲得/損失的能量計算公式為：

(8)

式中，J—— 上車回轉系統(tǒng)的轉動慣量

ω1—— 開始起動/制動時系統(tǒng)的角速度

ω2—— 起動/制動完成后系統(tǒng)的角速度

能量回收率η1和能量再利用率η2為：

(9)

(10)

式中，Eh1，Es1—— 被動液壓系統(tǒng)蓄能器回收、釋放的能量

Eh2，Es2—— 上車回轉系統(tǒng)獲得、損失的能量

4 運行特性及能耗分析

4.1 運行特性分析

圖4為滿載-空載回轉運行90°工況下，上車回轉系統(tǒng)轉速nr、角位移θ曲線。主被動復合驅動回轉系統(tǒng)中，在手柄信號作用下，2.4～5.3 s，挖掘機上車回轉系統(tǒng)起動并加速，最大回轉速度為5.8 r/min；5.3～7.6 s，由被動系統(tǒng)進行減速制動及能量回收；14.3～19.0 s，掘機空載運行完成起動、制動及能量回收過程，最大回轉速度為6.3 r/min；第9.7秒時系統(tǒng)完成1個工作循環(huán)，運行結束后上車回轉系統(tǒng)運行到起始位置。對于傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)而言，在1個工作循環(huán)完成后，挖掘機上車回轉系統(tǒng)的最終停止位置與初始位置相比產(chǎn)生了17°的偏差；而主被動復合驅動回轉系統(tǒng)在1個工作循環(huán)完成后，在被動系統(tǒng)的制動作用下，回轉角度的偏差為1.2°，因此主被動復合驅動回轉系統(tǒng)的定位精度更高。在挖掘機的實際工作過程中，提高回轉系統(tǒng)的定位精度有利于提高工作效率，節(jié)省裝卸時間。

圖4 上車回轉系統(tǒng)轉速及位移

為滿足系統(tǒng)起動的扭矩要求，根據(jù)挖掘機上車回轉系統(tǒng)的力矩平衡方程式(11) 計算可得，38 t級液壓挖掘機上車回轉系統(tǒng)起動需求扭矩約為1 kN·m。

(11)

式中，pa，pb—— 液壓馬達進油口、出油口壓力

θ0—— 運行過程中液壓馬達轉角

Bm—— 黏性阻尼系數(shù)

Dm—— 液壓馬達排量

TZ—— 回轉系統(tǒng)運行阻力矩

d(t) —— 儲能系統(tǒng)干擾項

圖5為滿載-空載回轉90°工況主被動復合驅動系統(tǒng)扭矩分配及蓄能器壓力變化仿真曲線。在起動初期被動馬達輸出扭矩較大，為0.7～0.9 kN·m，主動馬達輸出扭矩較小，為0.1～0.4 kN·m，主動馬達和被動馬達提供的總力矩為0.8～1.2 kN·m，滿足上車回轉系統(tǒng)起動需求扭矩；5.3～7.6 s，被動馬達軸上扭矩為1.1 kN·m，帶動馬達向蓄能器充液；起動過程中蓄能器壓力由26 MPa下降為22 MPa，制動過程中通過被動系統(tǒng)向蓄能器充液，蓄能器壓力達到25.7 MPa。

圖5 馬達扭矩及蓄能器壓力

圖6為滿載-空載回轉90°工況原機回轉系統(tǒng)馬達A，B腔壓力變化曲線。起動過程中2.3～2.6 s馬達A腔壓力達到系統(tǒng)調定壓力30 MPa，產(chǎn)生較大的壓力沖擊。6.7～7.3 s制動結束，馬達A腔產(chǎn)生7～13 MPa 的壓力波動，馬達B腔產(chǎn)生3～7 MPa的壓力波動；下一循環(huán)起動過程中9.8～10 s馬達B腔壓力達到系統(tǒng)調定壓力30 MPa，同樣產(chǎn)生較大的壓力沖擊。14～16 s制動結束，馬達B腔產(chǎn)生5～14 MPa 的壓力波動，馬達A腔產(chǎn)生4～7.5 MPa的壓力波動。

圖6 原機回轉系統(tǒng)馬達各腔壓力

圖7為滿載-空載回轉90°工況主被動復合驅動系統(tǒng)主動馬達與被動馬達A，B腔壓力仿真曲線。滿載運行階段，2.3～4.5 s，主動馬達A腔壓力為14 MPa，B腔產(chǎn)生1.1 MPa的背壓，被動馬達A腔壓力為21～25 MPa，輔助主動馬達驅動上車起動，B腔背壓為2.8 MPa。起動完成后主動馬達A腔壓力為30 MPa，被動馬達A腔壓力為0.5 MPa。5.3～10 s為制動過程，主動馬達A，B腔均保持較低壓力，被動馬達A腔壓力為1.8 MPa，B腔壓力為26 MPa，以完成蓄能器的充液過程?？蛰d運行階段的壓力變化與滿載運行階段壓力變化相似。

圖7 馬達各腔壓力

通過對比圖6、圖7可以得出，采用主被動復合驅動系統(tǒng)，回轉馬達兩腔的壓力沖擊得以降低，減小了液壓系統(tǒng)的沖擊，提高了系統(tǒng)的運行平穩(wěn)性。

4.2 能效特性分析

在滿載-空載運行90°工況下，圖8為主被動復合驅動系統(tǒng)主動馬達與被動馬達的功率消耗仿真曲線。

圖8 馬達消耗功率曲線

滿載起動初期主動馬達消耗的功率較小，被動馬達輔助起動的時間為2～4.3 s，這一過程中主動馬達消耗的功率為19 kW；起動完成后主動馬達消耗功率為48 kW，被動馬達輔助起動消耗的功率為41 kW；在空載起動階段，主動馬達消耗的功率為50 kW，被動馬達輔助起動消耗功率為45 kW，在制動階段，回轉系統(tǒng)被動馬達消耗較大功率，主動馬達消耗功率較小。

圖9為滿載-空載回轉90°工況下主被動復合驅動系統(tǒng)蓄能器壓力pacc、能量Ea變化及回轉動能Eb變化曲線。2.4～5.3 s，蓄能器輔助主動系統(tǒng)驅動上車回轉，回轉動能逐漸增加，峰值為103 kJ；5.3～7.6 s處于制動狀態(tài)，蓄能器存儲制動能量，壓力逐漸升高。在整個起動和制動過程中，蓄能器回收能量為72 kJ，能量回收率為69.9%。14.2～18.4 s，上車回轉系統(tǒng)空載加速起動并制動，這一過程中動能峰值為102 kJ，蓄能器回收能量為71 kJ，能量回收率為69.6%。

圖9 蓄能器壓力及回轉能量變化曲線

5 雙馬達復合驅動系統(tǒng)優(yōu)化

主被動復合驅動系統(tǒng)能量回收效果顯著，但存在如下缺點。如圖10所示，空載制動后蓄能器壓力下降，在下1個工作循環(huán)中起動能力不足，使回轉系統(tǒng)起動速度降低，難以到達預定工作位置。這一缺陷使得挖掘機實際作業(yè)過程中，需適時對蓄能器進行補油，降低了工作效率。為此提出改變被動馬達排量的優(yōu)化方案。將馬達排量設置為170， 200， 230， 260， 300 mL/r，設定工作狀態(tài)為空載制動、半載起動，進行仿真分析。

圖10 蓄能器壓力及上車回轉系統(tǒng)轉速、轉角

1個工作循環(huán)中，被動回轉馬達取不同排量值時蓄能器壓力pacc、主泵輸出能量Ec如圖11、圖12所示。當被動馬達排量為170 mL/r時，蓄能器壓力釋放時未達到最低工作壓力，1個工作循環(huán)后蓄能器壓力高于預充壓力，蓄能器未起到輔助起動作用，且主泵輸出能量較大，增加了主動系統(tǒng)的能耗；當被動馬達排量為200 mL/r時，蓄能器壓力釋放充分，經(jīng)過1個工作循環(huán)后蓄能器壓力為25.8 MPa，蓄能器的壓力變化0.2 MPa；當被動馬達排量為230， 260， 300 mL/r時，經(jīng)過1個工作循環(huán)后蓄能器壓力下降，不滿足下1工作循環(huán)起動要求，而主泵輸出能量值相近。

圖11 不同馬達排量時的蓄能器壓力

圖12 不同馬達排量時的主泵輸出能量

降低了液壓馬達排量會導致系統(tǒng)能耗增加；采用大排量馬達會導致蓄能器壓力損耗增加，造成了不必要的浪費，回轉系統(tǒng)連續(xù)工作循環(huán)次數(shù)減少，故馬達排量不可過大。選擇合適的液壓馬達排量可以有效減少補油頻次，延長連續(xù)工作的時間，在不影響挖掘機回轉起/制動性能的前提下，選擇A6VM200軸向柱塞馬達，排量為200 mL/r，額定壓力為40 MPa。

圖13為優(yōu)化后系統(tǒng)經(jīng)過2個標準工作循環(huán)后蓄能器的壓力pacc、回轉系統(tǒng)轉速nr、轉角θ變化曲線。由仿真曲線可知，2個工作循環(huán)中蓄能器壓力變化較為穩(wěn)定，壓力波動??；在16.6～24.2 s蓄能器完成由空載制動到滿載起動的運行過程，速度變化平穩(wěn)，無明顯速度波動；在相同的手柄信號控制作用下，滿足回轉運行90°位置要求，整個工作循環(huán)中能量回收率提高到90%。

圖13 優(yōu)化后的蓄能器壓力及上車回轉系統(tǒng)轉速、轉角

圖14為滿載和空載工況下，挖掘機分別回轉90°和180°時原機回轉系統(tǒng)與主被動復合驅動回轉系統(tǒng)能耗Es2對比。

圖14 不同工況下系統(tǒng)能耗對比

滿載90°工況時，原機回轉系統(tǒng)消耗能量600.7 kJ，主被動回轉系統(tǒng)消耗能量281.5 kJ，能耗降低53.1%；空載90°工況時，原機回轉系統(tǒng)消耗能量418.9 kJ，主被動回轉系統(tǒng)消耗能量267.8 kJ，能耗降低35.9%；滿載180°工況時，原機回轉系統(tǒng)消耗能量816.6 kJ，主被動回轉系統(tǒng)消耗能量436.1 kJ，能耗降低46.6%；空載180°工況時，原機回轉系統(tǒng)消耗能量513.9 kJ，主被動回轉系統(tǒng)消耗能量319.4 kJ，能耗降低37.8%。結果表明，主被動復合驅動系統(tǒng)與原機回轉系統(tǒng)相比能耗降低，在滿載工況下節(jié)能效果更為顯著。

6 結論

(1) 提出液壓挖掘機雙馬達主被動復合驅動上車回轉系統(tǒng)，能夠高效回收上車回轉制動能量，降低了主驅動回路的驅動功率，可降低能耗達35.9%～53.1%；

(2) 對主驅動回路采用進出口獨立控制，通過主泵與進出口兩閥的動作協(xié)調匹配，有效減小了起動過程中的溢流損失，降低了能耗，提高了回轉定位精度；

(3) 對主被動液壓馬達進行排量值匹配，有效減少補油頻次，延長連續(xù)工作的時間，提高工作效率。