电驱动挖掘机流量匹配系统动臂特性研究

以6 t液压挖掘机动臂为研究对象,提出伺服电机驱动定量泵的流量匹配控制系统。在SimulationX中搭建伺服电机仿真模型,通过与伺服电机响应特性试验结果对比,验证伺服电机模型的准确性;建立液压挖掘机动臂机械结构多体动力学与电液系统的联合仿真模型,仿真分析了不同控制方式下,动臂的运行特性和能耗特性。结果表明,与负载独立流量分配(LUDV)系统相比,采用伺服电机驱动定量泵流量匹配控制的动臂能耗降低约13.6%。     

转速排量复合控制电驱液压挖掘机能耗特性研究

为克服内燃机驱动液压挖掘机动力源能效低、排放差、噪声大的问题,提出一种纯电驱负载敏感系统,采用变频异步电机作为动力源,为克服电动机高速轻载、液压泵小排量工况效率低的不足,设计了基于"排量预值"的转速-排量复合控制方案,尽可能使液压泵处于大排量状态,在流量高动态变化时,采用变排量控制,克服电动机动态响应的不足。构建了3种驱动方案下液压挖掘机机电液联合仿真模型,以动臂单动作及工作装置复合动作进行研究,对比分析不同驱动方案下液压挖掘机能耗特性,并分析"排量预值"对设计方案能效的影响。相比柴油机驱动和定速电机驱动,转速排量复合控制方法可以分别节约成本约63%和38%,随着"排量预值"的增大,纯电驱液压挖掘机的运行成本逐渐降低。     

伺服电机双泵驱动动臂能耗特性实验研究

传统的伺服电机驱动单变排量泵系统的稳定性较差，同时因其节流损失大，会引起系统的能耗过高，针对这些问题，对37 t液压挖掘机动臂差动缸系统的动臂能耗特性进行了研究。首先，根据双泵驱动动臂控制的工作原理，给出了“伺服电机和双定排量液压泵相结合，共同驱动动臂差动缸系统”的方案，推导出了差动缸的数学模型，利用UG软件建立了液压挖掘机的三维机械模型；然后，进一步在仿真软件SimulationX中，建立了37 t液压挖掘机动臂系统的仿真模型；最后，对变转速伺服定量泵直控差动缸系统的位置、速度控制特性以及能耗特性进行了仿真研究；为了验证上述仿真模型的有效性，搭建试验样机进行了实验，并将所得的实验结果与模型仿真结果进行对比分析。实验结果表明：在空载工况和带载工况下，动臂差动缸输出能耗分别降低了约40%和44%;与空载工况相比较而言，带载工况下的提升阶段，动臂运行时间缩短了1 s,下放阶段延长了0.5 s,整个工作周期时间减少了0.5 s。研究结果表明：系统的能耗与运行特性符合预期结果。     

闭式泵控液气储能重载举升机构特性研究

采用变转速泵控缸闭式系统的重载举升机构,在超越负载工况下,若不采用制动电阻或能量回收装置,系统将由于电机不能支撑反向负载而失控。但制动电阻消耗电机的发电能量,降低系统能效,增加系统散热负担。针对上述问题,提出一种基于液气储能的重载举升机构闭式泵控三腔液压缸系统,并将其应用于液压挖掘机动臂。液压泵与三腔液压缸的无杆腔和有杆腔连接,控制动臂运行;配重腔与蓄能器连接平衡挖掘机执行机构的重量,直接回收利用执行机构的势能。研究中,首先确定三腔液压缸和蓄能器的参数,然后设计系统的控制策略,最后构建闭式泵控三腔液压缸的挖掘机动臂试验系统,验证系统的可行性。试验结果表明,合理设置蓄能器的压力,不仅可以实现动臂势能的直接回收利用,而且可以使电机始终处于电动状态,提高系统的可控性和能量效率,与负载敏感控制的三腔液压缸系统相比,液压泵输出能量降低27.2%。     

液气储能双缸驱动大型液压挖掘机动臂节能特性研究

液压挖掘机工作过程中存在大量的重力势能浪费,严重影响整机能效并造成大的排放污染。针对双液压缸驱动动臂的大型液压挖掘机,提出采用双液气储能液压缸驱动液压挖掘机动臂、集成驱动与势能回收一体化原理,降低机器作业能耗和排放。将原双腔液压缸改为集成有储能腔的三腔液压缸,储能腔与液压蓄能器直接连通,通过液压蓄能器初始充液压力平衡工作装置自重,直接回收利用工作装置重力势能。根据36 t大型液压挖掘机作业特点和重力势能变化情况,设计出液压缸和液压蓄能器的参数。进一步建立数字化样机,通过对液气储能驱动系统进行仿真研究,对液压泵输出流量和控制阀的阀口参数重新匹配,修改了与回转复合动作的合流控制策略,并初步验证了液气储能驱动系统的节能效果。在此基础上构建了试验样机,90°标准装车作业循环测试表明,与同型号液压挖掘机相比,在满足同样挖掘力的情况下,整机工作效率提升20.7%,燃油消耗降低17.1%,如按每天作业8 h计算,单台车每天可节约燃油达47 L,减少二氧化碳排放123.6 kg。     

直驱泵控三腔液压缸挖掘机动臂节能研究

针对液压挖掘机动臂系统举升时峰值功率大、下降时重力势能转换为热能浪费等情况，提出直驱泵控三腔液压缸动臂节能系统。该系统采用柱塞缸与活塞缸结合形成的三腔液压缸，通过伺服电机驱动定量泵控制A,B腔，C腔与蓄能器相接进行存储释放势能，并对蓄能器不同初始压力下对系统能耗进行分析。同时增设逆变器、电容等对马达工况回馈的能量进行电气式能量回收。MATLAB/Simulink建立直驱泵控三腔液压缸节能系统模型。在仅动臂升降工况下进行仿真，结果表明，相比直驱泵控差动缸，提出的节能系统可降低峰值功率36.64%和节能40.24%,实现高效的势能回收，取得良好的节能效果，同时系统运行速度最大误差减小了23%,进一步提高了系统运行平稳性。     

液气复合驱动液压挖掘机动臂运行特性及能效

液压挖掘机作业中,大质量动臂举升储存的势能经液压阀口节流转化为热能耗散,不仅浪费能源,还使液压油温度升高,需附加冷却系统降温,增加了机器的成本和复杂性。为解决上述问题,在原有负载敏感驱动回路的基础上,提出基于三腔液压缸的工作装置自重液气平衡势能回收利用方法,三腔液压缸中一个油腔与液压蓄能器直接连通,存储利用工作装置的势能。研究中,首先根据前期的仿真结果,建立了基于三腔液压缸的液压挖掘机测试样机,通过试验,分析对比了分别采用两腔液压缸和三腔液压缸驱动动臂的运行特性与能效特性,测试结果表明,增加液气储能容腔后,提高了系统运行的平稳性,动臂运行过程中的能耗降低48.5%,峰值功率降低64.7%,节能效果显著。新的方法也同样适用于各类液压缸驱动的重载举升装置。     

挖掘机动臂的储能系统的平衡特性分析

通过对挖掘机动臂工作特性的分析,提出了一种新的三腔液压缸的动臂储能平衡系统,并对其工作原理和结构进行了论证及仿真分析,同时为了验证该控制系统工作的实际效果,搭建了挖掘机动臂储能系统试验验证平台,结果表明:采用新的动臂储能平衡系统后,液压挖掘机的动臂在下降时的势能的回收利用率达到了约71%,节能效果可达49.2%,极大地提升了挖掘机的工作时节能效果。     

注塑机电液控制系统能量效率对比研究

在同一注塑机上,对采用异步电动机驱动定量泵、变转速异步电动机驱动定量泵、异步电动机驱动变量泵、变转速异步电动机驱动变量泵、交流伺服电动机驱动定量泵,5种电液控制方案加工同一制品的能量效率进行理论分析和试验对比。建立不同控制回路电动机和液压泵功率传输数学模型,绘制出能量特性曲线,分析对比注塑机工作在保压和冷却工况下,液压系统和电动机驱动系统功率消耗。研究结果证实,在部分负载和空载工况,异步电动机驱动定量泵系统存在大的溢流、节流损失,效率低;在此基础上引入变转速控制,包络系统所需的流量,可减少电动机功率消耗,提高系统效率,能量效率与异步电动机驱动变量泵相当;异步电动机驱动变量泵系统,可完全消除液压系统的溢流损耗,但电动机仍存在较大的空转损耗,在此基础上引入变转速控制,使电动机输出功率与液压负载相匹配,可进一步提高能量利用率26.5%;研究也表明,采用交流伺服电动机驱动的定量泵系统能量效率最高,较异步电动机驱动的定量泵系统节能88%,并且结构简单、动态性能好。     

基于转矩控制的变转速定量泵压力控制方法

变转速电液泵可以大幅提升液压动力源能效,但采用变转速电机驱动定量泵作为动力源时,通过控制转速实现压力控制,难以适应流量快速大范围变化的工况。为解决这一问题,采用电机转矩控制液压泵输出压力,实现动力源与流量无关的压力控制。与变转速控制相比,电机转矩属于控制内环,响应速度快;由于泵输出压力与其排量的乘积基本等于电机的输出转矩,控制更为直接。考虑到泵输出压力与电机输出转矩的非线性关系,在前馈控制的基础上,引入压力偏差反馈,实现压力的高精度控制。建立电机转矩控制模型及液压系统模型,对提出的控制方法进行验证。结果表明:采用电机的转矩控制压力,压力响应时间降低到40 ms,静态特性曲线回程误差小于2%。     

基于电动机和蓄能器的挖掘机动臂节能驱动系统研究

鉴于混合动力系统或电动驱动系统中具有电量储存单元的特点,提出了一种基于电动机-闭式泵-液压蓄能器的液压挖掘机动臂节能驱动系统,通过液压蓄能器和高压侧相连,提高了液压蓄能器的工作压力范围和驱动系统的效率,分析了节能驱动系统的结构原理及工作特点。以减小蓄能器安装体积、保证动臂非对称油缸的流量匹配和延长蓄能器使用寿命为约束条件,以某20 t液压挖掘机的测试数据对节能驱动系统中液压蓄能器、大排量闭式泵、电动/发电机、小排量闭式泵等主要元件进行了参数匹配。针对所匹配参数建立节能驱动系统的AMESim数学模型进行分析,结果表明,该系统不仅实现了无阀控制和负负载的能量回收,同时蓄能器额定体积降低了50%,仍然可满足动臂非对称油缸两腔的流量差,且蓄能器压力波动满足工况的要求,相对传统动臂节流驱动系统,新型闭式节能驱动系统的节能效果达到了50%左右。     

液压挖掘机动臂自重液-气储能平衡方法研究

液压挖掘机在作业中,动臂将高频次大范围举升和下降,现有挖掘机无能量回收装置,大量势能将在动臂下降时通过控制阀的节流作用浪费掉。为回收利用这部分浪费掉的能量,对动臂自重液-气储能平衡方法进行研究,在此基础上,提出采用三腔液压缸直接转换利用挖掘机重力势能的系统原理。三腔液压缸是在原两腔液压缸基础上,将双腔液压缸无杆腔分为两个容腔而构成,其中一个容腔与蓄能器连接,称为配重腔,设置蓄能器压力与动臂自重基本平衡。研究中,首先建立动臂驱动系统的能耗数学模型,分析系统的能量特性;然后以20 t挖掘机为例,建立整机的机电液联合仿真模型,分析对比分别采用双腔液压缸系统和三腔液压缸系统,动臂的运行特性和能耗特性;进一步构建试验测试平台,验证所提系统的可行性和节能效果。结果表明,新系统较双腔液压缸驱动系统,重力势能回收利用率达68%,节能效果显著,该方法也完全适用于各种类型的液压举升机构。     

变速异步电动机比例恒压泵电液动力源特性研究

电液动力源是为液压系统提供动力的单元,其能量效率决定整个系统的能效。针对现有变排量电液比例压力流量复合控制动力源,非工作周期电动机仍以额定转速运转,产生较大能耗;变转速异步电动机驱动定量泵动力源,难以直接控制压力的问题,提出采用变转速交流异步电动机驱动比例恒压泵构造新的电液压力流量复合控制动力源,通过改变斜盘摆角实现无节流损失压力连续控制,改变泵转速实现泵输出流量连续控制。进一步针对异步电动机变转速驱动动态响应慢的问题,提出在主回路增设液压蓄能器,并将其高压油液分别引入液压泵吸油口和出油口,辅助驱动液压泵加速起动和制动的解决方案。研究中,构建了基于上述原理的电液动力源试验测试系统,对其压力控制特性、流量控制特性、压力流量复合控制特性及功率控制特性进行研究,结果表明,随负载压力变化流量控制精度误差不超0.5%,采用蓄能器辅助驱动、辅助制动可使变频电动机起、停时间分别由1 s和1.2 s减小到0.2 s和0.5 s;在保压工况、非工作周期压力卸荷工况、恒压工况,通过降低电动机转速,较恒定电动机转速驱动,降低能耗20%以上。     

基于伺服电机驱动泵控缸技术的挖掘机性能研究

为了降低工程机械动力系统的能耗、噪声和废油处理对环境的影响，以某型号液压挖掘机为研究对象，采用无节流损失的伺服电机驱动定量泵的直驱液压技术替代传统的发动机-变量泵-多路阀-执行元件的阀控技术；建立工作装置动力学、泵控缸液压系统、伺服电机、控制系统多学科领域的系统模型，通过典型挖掘循环下的仿真分析研究其系统跟踪性能、能耗和系统效率。研究成果对工程机械的新能源化(纯电驱动或混合动力化)具有理论和实际意义。     

正流量挖掘机动臂液压系统仿真与实验研究

 正流量液压挖掘机主泵提供的流量与给定的控制信号成正比例关系,可以实现流量的按需供给,操控性好,传动效率高,在中型挖掘机中得到广泛的应用。液压挖掘机的动臂动作频繁,能量消耗大,对动臂动作的研究具有重要的意义。以正流量挖掘机动臂液压系统为研究对象,建立了动臂液压系统的仿真模型,并在样机上进行了实验测试。结果表明正流量挖掘机起臂时主泵的压力裕度为1.5 MPa,落臂时主泵的压力裕度为0.5 MPa,正流量控制挖掘机的动臂缸控制特性很好的体现了驾驶意图,操控性好,传动效率较高。     

储能液压缸协同驱动重型机械臂系统研究与优化

针对采用储能液压缸协同驱动重型机械臂升降来实现重力势能回收和利用的方法,研究了不同储能缸与驱动缸无杆腔面积比对系统节能效果的影响。分析了储能缸协同驱动回路控制动臂升降的工作原理,建立了系统的数学模型;以76 t液压挖掘机为例,在Simulation X中构建了整机的多学科联合仿真模型,并通过试验验证了模型的准确性。依据此模型对液压挖掘机空载和带载工况下,储能缸与驱动缸无杆腔面积比对系统能耗特性的影响进行优化仿真研究。仿真结果表明：在相同的工作周期,优化后储能缸协同驱动系统的液压泵输出能量约为732.0 kJ,较改进前节省能量约253.8 kJ,节能率由27.2%提高至46%,实现了节能效果的提高。     

液电混合驱动液压挖掘机动臂特性及能效研究

液压挖掘机作业时,动臂频繁升降,举升过程中工作装置集聚的大容量重力势能,在下降时经控制阀转换为热能耗散掉,不仅造成非常大的能量损失,也使油液温度快速升高,需附加额外的冷却装置进行散热,油温的升高也常常引发液压系统故障。为此,提出电动缸为主、液压缸-蓄能器组合为辅的液电混合动臂驱动解决方案。动臂下降时,工作装置的重力势能转化为液压能存储在蓄能器中;动臂举升时,存储在蓄能器的液压能驱动液压缸辅助电动缸驱动动臂,电动缸仅需驱动惯性载荷和物料重力。在研究中,建立了液电混合驱动动臂的试验样机,对其运行特性和能效特性进行了试验测试。结果表明,较无重力势能回收的进出口独立控制系统,相同工况下,液电混合驱动方式降低能耗达72.7%,显著提升了挖掘机动臂举升系统的能量效率。     

基于模糊神经网络的液压挖掘机节能控制

为了节省液压挖掘机工作过程中的能耗,提出了基于模糊神经网络的稳速节能控制方法。分析了液压挖掘机的油耗损失,给出了节能控制系统,使用变量泵替换定量泵并对挖掘机负载进行预测,根据负载压力需求调节变量的流量,减小了发动机、液压泵和负载功率不匹配造成的能量损失,从而将节能目标转换为发动机转速稳定;建立了挖掘机的动力系统模型,用于对挖掘机控制和仿真分析;提出了模糊神经网络算法,将模糊控制与神经网络的优势融合,经仿真验证和实车试验可以看出,模糊神经网络算法可以将转速稳定在设定转速误差范围内,达到了稳速节能的目标。     

基于平衡油缸的势能回收系统参数匹配与试验

在液压挖掘机动臂下降时,大量的重力势能经液压阀口节流转化成热能而耗散,不仅浪费了能源,还对系统产生温升,造成冷却系统额外损耗。为解决上述问题,提出一种基于平衡油缸的势能回收系统,采用平衡油缸与驱动油缸交互驱动的结构,使蓄能器中液压油得到循环冷却。以动臂动作可控性、蓄能器能量密度及使用寿命为约束条件,对系统中动臂油缸、蓄能器等元件工作参数进行匹配;利用AMESim软件建立系统仿真模型,对蓄能器工作压力、容积等参数进行优化,并据此搭建基于平衡油缸势能回收系统的某30 t级液压挖掘机样机,实验结果表明:在动臂上升时,势能回收系统驱动油缸无杆腔压力相比于传统双动臂油缸驱动系统可降低3 MPa以上,并可减少液压泵50%的流量输出;在动臂上升和下降整个过程中,可节能约25%。     

基于转矩控制的定排量恒压电液动力源运行特性

通过协调电液动力源转速和排量可以提升其能效,也是目前电液动力源的研究热点,随着变频和伺服技术的发展,变转速电液动力源也越来越多地应用在工业生产和航空航天装备中。目前,电液动力源实现流量控制可以采用变排量控制,也可以采用变转速控制,这两种控制方式已非常成熟,应用也较多。但在压力控制中,还往往只能依赖液压泵变排量控制结合压力反馈实现压力控制机能,采用变转速控制压力时,难以适应负载流量随机快速变化工况。为此,提出采用高效率的伺服电动机直接驱动定量泵,进一步提出基于转矩控制和转速补偿的压力控制方案,在负载压力变化时,无需控制电动机转速,具有动态响应快、系统结构简单的优点。通过理论分析和试验研究,结果表明,采用设计的方案可以很好地实现压力控制,在相同条件下,与常规恒压变量泵相比,压力响应时间从160 ms降低到50 ms,响应速度远超国际同类恒压控制泵。