基于復(fù)合電液式的大慣量回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)能量回收研究

王天義，田勇，徐鳳乾

(河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 前言

在能源短缺和節(jié)能發(fā)展的時(shí)代背景下，綠色節(jié)能技術(shù)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。液壓挖掘機(jī)作為工程機(jī)械中的領(lǐng)航機(jī)械，廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)、礦山開(kāi)采、水利電力等工程領(lǐng)域。傳統(tǒng)挖掘機(jī)的能量利用率很低，只有15%～20%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的工作時(shí)間占一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況的50%～60%，分為滿(mǎn)載正轉(zhuǎn)和空載反轉(zhuǎn)兩部分，制動(dòng)過(guò)程中大量的動(dòng)能經(jīng)過(guò)溢流閥轉(zhuǎn)換為熱能浪費(fèi)，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)平臺(tái)部分的發(fā)熱量占整車(chē)發(fā)熱量的30%～40%，因此工程機(jī)械回轉(zhuǎn)制動(dòng)能的回收利用研究對(duì)減輕系統(tǒng)發(fā)熱和節(jié)能減排具有重大意義。

目前已有很多學(xué)者針對(duì)挖掘機(jī)等工程機(jī)械的大慣量回轉(zhuǎn)部分進(jìn)行了研究，根據(jù)儲(chǔ)能方式不同，大致分為三類(lèi)，電氣式、液壓式和電液復(fù)合式。電氣式回收的主要儲(chǔ)能單元是蓄電池和超級(jí)電容，體積較小、能量密度大。劉昌盛等[1]在馬達(dá)的出口接液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)回收單元，仿真研究表明，轉(zhuǎn)臺(tái)的穩(wěn)定性得到提高，相比于傳統(tǒng)的挖掘機(jī)節(jié)能約40%。GONG等[2]利用液壓馬達(dá)-輔助泵-發(fā)電機(jī)回收單元，進(jìn)行實(shí)機(jī)測(cè)試，證明回轉(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)可以有效回收溢流損耗能量，降低了系統(tǒng)能耗。液壓式回收系統(tǒng)的主要儲(chǔ)能元件是液壓蓄能器，功率密度大，可以有效吸收制動(dòng)過(guò)程的壓力脈動(dòng)。姜繼海、HO等[3-4]研究了基于二次元件的能量回收系統(tǒng)，利用液壓泵/馬達(dá)四象特性的特點(diǎn)，將回轉(zhuǎn)制動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為液壓能儲(chǔ)存在蓄能器中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能的回收。秦濤等人[5]在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中加入蓄能器，用于回收制動(dòng)動(dòng)能，在下一次反轉(zhuǎn)時(shí)蓄能器釋放高壓油到液壓馬達(dá)入口，輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，研究表明該回收系統(tǒng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況內(nèi)可降低能耗37.26%～53.29%，電氣式回收雖然采用綠色能源，但由于傳遞鏈長(zhǎng)，而且受超級(jí)電容功率密度限制的原因，效率較低。液壓式回收能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，但受能量密度的限制，占整體空間較大。近幾年，如何合理地配置兩個(gè)回收方式成為研究熱點(diǎn)。權(quán)龍、李潔、CHEN等[6-8]針對(duì)挖掘機(jī)提出了一種電液復(fù)合式的回轉(zhuǎn)回收系統(tǒng)，在回轉(zhuǎn)馬達(dá)的出口接入液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)回收單元和蓄能器，利用蓄能器快速回收大部分制動(dòng)動(dòng)能，同時(shí)通過(guò)馬達(dá)-發(fā)電機(jī)的組合機(jī)構(gòu)可以實(shí)時(shí)補(bǔ)償蓄能器非線性充壓特性的影響。LIN、劉薇等人[9-10]為提高電驅(qū)工程機(jī)械的能量利用率，在電氣式回收系統(tǒng)中加入單個(gè)蓄能器，先由蓄能器吸收大量的液壓能，之后再驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)將液壓能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容中。這種方式避免了在一個(gè)工況中發(fā)電機(jī)的頻繁啟停，延長(zhǎng)了充電時(shí)間。

目前，現(xiàn)有的能量回收系統(tǒng)研究忽略了實(shí)際工況和儲(chǔ)能元件配合的問(wèn)題。因此，本文作者提出一個(gè)復(fù)合式電液回轉(zhuǎn)節(jié)能系統(tǒng)。在基礎(chǔ)電氣式回收模塊中加入小容積高壓蓄能器和大容積低壓蓄能器，分別用于滿(mǎn)載制動(dòng)和空載制動(dòng)2個(gè)階段，對(duì)回收單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，提出針對(duì)工況的能量回收策略并建立仿真模型，分析對(duì)比原系統(tǒng)與改進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能效果。

1 復(fù)合式電液能量回收系統(tǒng)原理

1.1 電氣式回收系統(tǒng)

如圖1所示，傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在制動(dòng)過(guò)程中，以正轉(zhuǎn)為例，馬達(dá)A口壓力減小，B口壓力增大，回轉(zhuǎn)平臺(tái)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為出口油液的液壓能，當(dāng)油液壓縮后的壓力升到溢流閥的設(shè)定值時(shí)，高壓油通過(guò)溢流閥流回油箱，溫升過(guò)大，大量動(dòng)能被浪費(fèi)，此時(shí)溢流閥起到制動(dòng)作用。電氣式回收系統(tǒng)則是在回轉(zhuǎn)馬達(dá)的A、B口接入回收馬達(dá)-發(fā)電機(jī)回收單元，高壓油可驅(qū)動(dòng)回收馬達(dá)發(fā)電。其缺點(diǎn)是馬達(dá)-發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，挖掘機(jī)制動(dòng)時(shí)間一般為2～3 s，若此時(shí)處于非標(biāo)準(zhǔn)工況，回轉(zhuǎn)平臺(tái)需要微動(dòng)作調(diào)整時(shí)，若角度太小難以實(shí)現(xiàn)回收，而且回收馬達(dá)的頻繁啟停對(duì)電機(jī)的壽命有較大影響。

圖1 電氣式回轉(zhuǎn)能量回收系統(tǒng)原理

1.2 復(fù)合電液式能量回收系統(tǒng)

充分利用蓄能器功率密度大和超級(jí)電容能量密度大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖2所示的改進(jìn)后的挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)。

圖2 復(fù)合電液式回轉(zhuǎn)能量回收系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)模塊和能量回收模塊組成，其中回收模塊又分為蓄能器回收和超級(jí)電容回收兩部分。

規(guī)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況里，正轉(zhuǎn)為滿(mǎn)載，反轉(zhuǎn)為空載。當(dāng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)滿(mǎn)載制動(dòng)時(shí)，換向閥9和16左位得電，回轉(zhuǎn)馬達(dá)14此時(shí)處于泵的狀態(tài)，B口的高壓油通過(guò)換向閥充入小容積高壓蓄能器17中，由于高壓蓄能器建立壓力的速度快，可以快速提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,減少機(jī)械制動(dòng)的參與比例。當(dāng)空載制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，由于蓄能器有效體積與容積正相關(guān)，選擇較大容積的低壓蓄能器18作為儲(chǔ)能元件，可以回收更多的制動(dòng)能量，吸收壓力沖擊，增加系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)制動(dòng)停止后，蓄能器17和18中儲(chǔ)存的高壓油可與換向閥21、23配合，以較低的速度驅(qū)動(dòng)回收馬達(dá)22發(fā)電，延長(zhǎng)充電時(shí)間，使發(fā)電機(jī)在1 500～2 000 r/min高效率區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。能量回收系統(tǒng)控制策略如圖3所示，其中pacc17、pacc18、pmin17、pmin18、pmax17、pmax18分別表示蓄能器17和18的實(shí)時(shí)壓力、最小壓力和最大壓力。

圖3 能量回收系統(tǒng)控制策略流程

2 回收單元參數(shù)匹配

以某型號(hào)23t液壓挖掘機(jī)為研究對(duì)象，其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部分參數(shù)如表1所示。

表1 回轉(zhuǎn)部分參數(shù)

2.1 蓄能器

氣體加載式蓄能器吸放油液時(shí)間較短，可看作絕熱過(guò)程，取氣體多變常數(shù)n=1.4，系統(tǒng)中蓄能器與回轉(zhuǎn)馬達(dá)連接，故最大工作壓力為轉(zhuǎn)臺(tái)最大壓力，取p2=29 MPa，最低工作壓力p1和與預(yù)充壓力p0可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)—(3)[11]計(jì)算。

p1=(0.6～0.85)p2

(1)

p2≤3p1

(2)

0.25p2

(3)

蓄能器中的油液主要來(lái)自于回轉(zhuǎn)馬達(dá)出口流量的積累，按照傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)輸出的油液來(lái)計(jì)算蓄能器的有效體積Vw：

(4)

式中：Q為回轉(zhuǎn)馬達(dá)出口的瞬時(shí)流量，L/min；t1為制動(dòng)開(kāi)始時(shí)間，min；t2為制動(dòng)結(jié)束時(shí)間，min。

將挖掘機(jī)實(shí)際參數(shù)代入仿真，測(cè)得滿(mǎn)載制動(dòng)過(guò)程中馬達(dá)出口油液體積為4.5 L，空載制動(dòng)過(guò)程中馬達(dá)出口油液體積為3.2 L，已知蓄能器有效容積占總?cè)莘e的10%～25%，則蓄能器總?cè)莘e為

(5)

計(jì)算后可得蓄能器的預(yù)充壓力為7～22 MPa，體積為10～25 L。

2.2 發(fā)電機(jī)

由于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況中回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)間很短，要求發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、發(fā)電效率高，所以系統(tǒng)中選擇永磁同步電機(jī)作為回收元件。

電機(jī)力矩平衡方程為

(6)

式中：Tm為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；Tmec為輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩，N·m；J為轉(zhuǎn)子及負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；θ為旋轉(zhuǎn)角度，(°)；RΩ為黏滯摩擦因數(shù)。

2.3 超級(jí)電容

超級(jí)電容由于能量存儲(chǔ)方式為物理過(guò)程，相比于蓄電池可容納更多的電荷量，具有能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。其等效電路如圖4所示。

圖4 超級(jí)電容等效圖

充放電電流和端電壓的關(guān)系式：

Uc=Ut+IcRs

(7)

(8)

超級(jí)電容可存儲(chǔ)能量E的表達(dá)式為

(9)

式中:C為超級(jí)電容額定容量，F(xiàn)；Uc為超級(jí)電容等效電壓，V；Ut為超級(jí)電容端電壓，V；RL為自放電耗損電阻，Ω；Rs為充放電電阻，Ω；Is為漏電電流，A;Ic為超級(jí)電容充放電電流，A。

3 挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)目前已有回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的原理圖，基于上文介紹的部分元件數(shù)學(xué)模型，利用AMESim軟件進(jìn)行回轉(zhuǎn)制動(dòng)能回收效率仿真研究。整車(chē)和部分元件參數(shù)如表2所示，搭建模型如圖5所示。

表2 回收單元基本參數(shù)

圖5 復(fù)合電液式能量回收系統(tǒng)模型

4 仿真結(jié)果分析

仿真模型設(shè)定步長(zhǎng)為0.01 s，仿真過(guò)程如表3所示。

表3 各階段仿真動(dòng)作

4.1 蓄能器參數(shù)對(duì)節(jié)能效果的影響

蓄能器的預(yù)充壓力對(duì)于整個(gè)回收系統(tǒng)至關(guān)重要，若蓄能器的預(yù)充壓力過(guò)低，則回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)的時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，影響駕駛員操作，而且制動(dòng)結(jié)束后壓力也會(huì)較低，回收馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)的角加速度較小，影響下一階段回收；若蓄能器預(yù)充壓力過(guò)高，回轉(zhuǎn)馬達(dá)出口油液無(wú)法全部?jī)?chǔ)存在蓄能器中，增加了回路溢流量。為考慮高效充電時(shí)長(zhǎng)和溢流量的問(wèn)題，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際制動(dòng)時(shí)制動(dòng)能的大小搭配對(duì)應(yīng)參數(shù)的蓄能器。令其他參數(shù)不變，根據(jù)公式(3)預(yù)選后，取蓄能器的壓力為15～18 MPa

由表4和表5可知：隨著蓄能器預(yù)充壓力變大，回收馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速隨之增加，對(duì)于電氣回收單元，如果回收馬達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，能量回收系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，直接影響電機(jī)壽命，受發(fā)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速限制，高壓蓄能器壓力不易過(guò)高；隨著壓力降低，制動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，對(duì)于低壓蓄能器，如果初始?jí)毫^(guò)大，會(huì)導(dǎo)致在向超級(jí)電容儲(chǔ)能時(shí)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。不同預(yù)充壓力下電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示，綜合考慮回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)與高效發(fā)電時(shí)長(zhǎng)，避免液壓馬達(dá)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，選擇高壓蓄能器初始?jí)毫?7 MPa，低壓蓄能器初始?jí)毫?5 MPa，高效充電時(shí)間7.08 s。

表4 滿(mǎn)載制動(dòng)階段回收系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)

表5 空載制動(dòng)階段回收系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)

圖6 不同低壓蓄能器預(yù)充壓力下電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

4.2 轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)特性分析

在一個(gè)工作周期內(nèi)，3種系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速曲線對(duì)比如圖7所示。可以看出：復(fù)合電液式回收系統(tǒng)在兩次制動(dòng)階段所需時(shí)間(2.73、2.13 s)相比于傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)所需時(shí)間(2.35、1.48 s)、電氣式回收系統(tǒng)所需時(shí)間(2.6、1.66 s)較長(zhǎng)。這是由于改進(jìn)后的系統(tǒng)在制動(dòng)階段沒(méi)有開(kāi)啟溢流閥，制動(dòng)過(guò)程中的全部油液都通過(guò)換向閥進(jìn)入了高低壓蓄能器，蓄能器壓力越大，充液速度變慢，導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)。其次，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速的峰值與原系統(tǒng)相差不大，總體來(lái)看，復(fù)合電液式回收系統(tǒng)的速度變化波動(dòng)在允許范圍內(nèi)，不影響挖掘機(jī)的正常作業(yè)。

圖7 回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線

4.3 回收過(guò)程分析

圖8所示為一個(gè)循環(huán)內(nèi)滿(mǎn)載和空載制動(dòng)時(shí)蓄能器的充放液情況。以滿(mǎn)載制動(dòng)階段為例，高壓蓄能器接入馬達(dá)B口，將制動(dòng)過(guò)程中泵出的油液全部?jī)?chǔ)存在蓄能器中，蓄能器氣體體積受壓由初始的16 L降到11.5 L，同時(shí)氣體壓力由17 MPa升到27.1 MPa，接近安全閥調(diào)定壓力，在下一階段，蓄能器內(nèi)高壓油驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)恒速發(fā)電。氣體壓力與體積均恢復(fù)到初始值，表明液壓回收單元充放平穩(wěn)，不影響下次回收，低壓蓄能器回收過(guò)程同理。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速如圖9所示?？芍弘姎馐交厥障到y(tǒng)由于制動(dòng)時(shí)間的限制，響應(yīng)慢、發(fā)電時(shí)間較短。改進(jìn)后的系統(tǒng)，電氣回收單元獨(dú)立于回轉(zhuǎn)系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行能量回收，通過(guò)換向閥與液壓回收單元相連，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能回收。超級(jí)電容SOC值變化曲線如圖10所示。可知：電氣式回收系統(tǒng)的SOC值在一次循環(huán)中增加至64.4%，復(fù)合電液式回收系統(tǒng)的SOC為70.8%，增加了10.8%。

圖8 高低壓蓄能器氣體體積與壓力變化

圖9 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線 圖10 超級(jí)電容SOC值變化曲線

4.4 節(jié)能效果分析

圖11和圖12所示分別為一個(gè)工作周期(20 s)內(nèi)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)油液和能量的損耗情況?？芍?種系統(tǒng)在正反轉(zhuǎn)階段均有溢流損失，但可以看出電氣式回收系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)的溢流量有所降低，由于電機(jī)響應(yīng)較慢，仍存在溢流損失現(xiàn)象，在制動(dòng)階段分別溢流了2.3 L(滿(mǎn)載)和1.56 L(空載)；而復(fù)合電液式回收系統(tǒng)新增的液壓回收環(huán)節(jié)功率密度大，在兩次制動(dòng)階段(5～10 s、15～20 s)均無(wú)溢流損失。

圖11 回轉(zhuǎn)過(guò)程中油液體積變化曲線

圖12 回轉(zhuǎn)過(guò)程能量變化曲線

如表6所示，原傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的流量利用率和能量利用率都較低，分別僅為58.83%和45.03%，電氣式回收系統(tǒng)有所改善，但提升幅度不大，改進(jìn)后的復(fù)合電液式回收系統(tǒng)，綜合流量利用率達(dá)75.59%，綜合能量利用率達(dá)67.43%，相比于傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)提升效果明顯。

表6 3種回轉(zhuǎn)系統(tǒng)系統(tǒng)性能參數(shù)

5 結(jié)論

結(jié)合不同儲(chǔ)能元件特性，提出一種復(fù)合電液式能量回收系統(tǒng)，在電氣式回收系統(tǒng)中加入了雙蓄能器并考慮了不同的制動(dòng)階段。經(jīng)仿真，得到如下結(jié)論：

(1)與原系統(tǒng)相比，復(fù)合電液式回收系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)位移曲線跟隨性良好、運(yùn)行平穩(wěn)、正反轉(zhuǎn)均能滿(mǎn)足工作要求；

(2)改進(jìn)后的系統(tǒng)可將制動(dòng)過(guò)程損耗的能量最大程度地轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容中，并改善了原系統(tǒng)在制動(dòng)過(guò)程中存在的較大溢流損耗現(xiàn)象；與原系統(tǒng)相比，流量利用率提高了16.76%，能量利用率提高了22.4%，節(jié)能及操控效果良好。