混聯式混合動力挖掘機液壓系統的分析建模與參數匹配

摘要：混合動力液壓系統是以某型液壓挖掘機原動力-液壓系統為基礎，設計了一套液壓-油-電三混合動力的多系統相結合的方案。該混聯式混合動力方案的設計需適應挖掘機負載變化劇烈及啟停頻繁的工況，即在挖掘機的動臂上升、動臂下降、回轉啟動、回轉制動以及復合動作等工況下，選擇不同的能量傳遞和能量回收或能量釋放的能量流路線，使液壓系統與動力系統進行更好的匹配，既能達到節能減排提高燃油效率的目的，又不影響挖掘機的操作性和安全性要求。

關鍵詞：混合動力;混聯;數學建模

一、混合動力系統關鍵技術

由于工程機械的作業工況負載沖擊大而且具有強突變的特點，同時車輛的工作模式、集成控制系統軟件與能量回收模式等方面存在較大的差異，所以在工程機械領域運用混合動力系統有三個關鍵的技術：混合動力模式的選取及動力參數優化匹配、控制策略、能量回收系統及存儲設備[1]。

工程機械的液壓傳動通過使用液壓馬達和液壓油缸對回收油量進行能量回收，最后存儲到儲能元件中去。在選取儲能元件時要根據機器自身機構、工作特點和它的動態性能，使其滿足系統功率與能量的分配需要。儲能元件一方面儲存能量，另一方面向電動機提供能量。常用的儲能元件的能量回收方法按照儲存能量的形式可以分成機械式、液壓式、電氣式三大類，其對比情況詳見表2-1

二、混聯式混合動力挖掘機液壓系統設計

結合液壓挖掘機的動力結構以及執行結構的特點，設計如圖1所示的動力傳動流程圖，從圖中可以看出“發動機=第一電動機=變量泵”構成并聯系統，“發動機==第一電動機==變量泵+第二電動機==泵/馬達”構成串聯動力系統。結合某型的動臂-回轉復合回路，根據此動力流程的設計目標，進行基于液壓泵/馬達的混聯式液壓挖掘機液壓系統的設計。

圖1動臂-回轉復合回路混合動力流程圖

如圖2所示是本文設計的液壓挖掘機混聯式能量回收系統原理圖，包括：動臂油缸和回轉機構，發電機、電動機、變量泵、蓄電池系統、電磁換向閥、液控單向閥、液控換向閥、減速器、離合器、液壓泵/馬達、各種電磁感應元件等。其中，電池/電量儲存單元和變頻器的使用，保證電能的回收存儲和釋放利用?；炻撌交旌蟿恿ο到y，優化了動力系統的資源配置，利用變量泵和液壓泵/馬達的綜合作用，對動臂動作的勢能進行回收和分配，增加了系統工作的可靠性和工作效率，發動機轉速能保持在其燃油經濟最佳工況，與此同時動臂和回轉兩執行機構的復合動作的運動協調性也得到了改善，實現了能量的靈活利用。

圖2混聯式混合動力系統結構

所設計的液壓挖掘機混聯式混合動力系統有如下特點：

1.采用混聯式工作回路

發動機和電動機分別與變量泵系統（原型挖掘機的雙泵系統）同軸連接，變量泵系統和電動機不僅作為挖掘機動作的主動力元件和電力元件，還作為在回收能量過程中發電環節的動力來源，屬于并聯工作;第二電動機直接為變量泵系統提供動力，完成回收能量釋放的環節，屬于串聯工作;在系統工作過程中，并聯和串聯回路共同完成液壓系統能量回收和能量釋放以及復合動作的要求，該混聯式系統使能量利用效率得到了提高，達到了節能的目的。

2.能量回收階段

采用泵/馬達對動臂的勢能回收[2]，以及對回轉機構的制動能回收，利用變量泵系統完成對兩個執行機構的能量釋放，動臂執行機構和回轉執行機構的能量回收采用了同一個能量存儲方式，即共用同一個能量回收和釋放的系統回路，這樣可以減少流量和能量的在更多元件的常規消耗損失，使回收能量的利用率得到了提高?；剞D制動的能量和動臂下降的勢能經過同一液壓回路進行能量的轉換和流動，減少了液壓元件數量，節約了系統成本，避免了系統體積過于龐大;電池系統不僅吸收執行機構的能量，也吸收在變量泵系統工作時因功率匹配不完全等因素多出的能量。

3.能量釋放階段

通過電動機和變量泵系統完成能量釋放，采用蓄電池系統作為能量釋放源，可以為挖掘機工作提供大而平穩的驅動電流，滿足了挖掘機各個工況的功能要求和穩定的工作要求，并且通過實時監測電動機的轉速和變量泵的出口壓力，判斷能量釋放是否結束，即蓄電池系統是否繼續放電。

4.流量再生階段

回轉制動的流量可以經過液壓回路的泵/馬達元件的變壓后直接提供動臂機構的上升工況;反之動臂下降的勢能也可以為回轉動作直接提供能量，多余的能量積蓄存儲在電池系統中，這種液壓流量的再生循環利用，即一次回收和二次回收，避免了油箱供油的升壓能量浪費，實現了液壓回路的流量的靈活性和多樣性流動，達到節能減排的目的。

5.復合動作

動臂機構和回轉機構可以單獨工作，也可以同時動作，兩大執行機構均可以進行能量的回收和能量的釋放;當復合動作時其中一個執行機構處于能量可以回收利用的狀態時，可以達成流量和能量的互相利用，多余的能量存入回收系統的電池系統中，復合動作的回路節省了能量從回收到轉換釋放的的操作流程，對能量進行了充分的利用。

三、系統工況分析及數學建模

1.動臂上升過程

主電動機帶動變量泵系統工作，油箱提供流量，動臂主換向閥右位工作，變量泵系統的流量經主換向閥至變量泵，高壓油液最終進入動臂油缸的無桿腔，在壓差作用下帶動動臂上升;動臂油缸的有桿腔體積縮小，流出有桿腔的油液通過節流閥到達主換向閥的第三油口，最終流量通過主換向閥的第一油口回入油箱;當油液壓力過大時，溢流閥被打開，多余壓力油液經溢流閥卸至油箱以起到保護回路的作用。

當動臂上升時，動臂控制閥聯工作在右位，動臂控制閥聯亦工作在右位;回轉優先閥的工作位置則取決于回轉機構是否工作：若無回轉操作，則其節流口不起作用。兩個液壓泵合流后共同給動臂缸的活塞腔供油，此時動臂缸活塞運動方程為：

（1-1）

式中式中p2，p1分別為動臂缸活塞腔和有桿腔的壓力;A1，A2為動臂活塞有桿腔和無桿腔的有效作用面積;m為動臂和負載的總質量;G’為動臂和負載的等效重量;ps為液壓泵的輸出壓力;Cq1，Cq2為動臂主控閥1，2的閥口工藝參數;A1（x），A2（x）為主控閥的節流閥口面積d2x/dt2，dx/dt為動臂活塞的加速度和速度。

2.動臂下降過程

主電動機帶動變量泵系統工作，動臂機構的主換向閥在先導信號下換左位工作，通過變量泵系統的流量經主換向閥的第二油口流向第三油口，動臂油缸的有桿腔得到流量下降，當下降速度數據不穩定時，節流閥在控制信號控制下調節開合度，使節流閥輸出流量的速度趨于定值，從而調節動臂下降速度的平穩性，使液壓系統流量傳動保持穩定;動臂油缸無桿腔里的壓力流量經其主換向閥經液壓泵/馬達，將勢能經處于發電模式的第二電動機，存儲在電池系統中，完成勢能的能量回收。

當需要動臂下降的時候：由于動臂下降所承受的負載相對是較小的，所以只需要一個液壓泵供應流量即可。當動臂下降時動臂主控閥工作在左位，該油路切斷;動臂主控閥換向，動臂缸有桿腔由液壓前泵單獨供應流量。且主控閥的左位回油油路帶有節流小孔，可產生回油背壓以防止動臂下降過快。動臂下降過程中的運動方程可由式（1-2）表示。

（1-2）

式中A為動臂主控閥1中節流小孔的節流面積，Cq為其流量系數。

3.回轉動作過程：

液壓回轉系統工作時其系統液壓能將主要由后泵提供，且回轉方向由回轉主控閥的左位和右位確定。挖掘機回轉動作的穩定閥組通過各自的工作特性以求使回轉過程盡可能的平穩。制動閥的工作狀態由操作人員控制，常態下制動閥由于其自身的彈簧力作用使其處于下位，即在不需要挖掘機回轉時制動器始終處于制動狀態，只有當回轉時才會在先導壓力作用下克服彈簧力使其閥芯上移到上位，制動器被屏蔽，不起制動作用。此時泵/馬達的物理特征方程可表述為式（1-3）：

（1-3）

式中QL為回轉主控閥7流量;θm是液壓馬達轉角;Dm為液壓馬達排量;C為液壓馬達的綜合泄漏系數，其可表述為Ci+0.5Ce（Ci為內泄漏系數，Ce為外泄漏系數）;Vt是液壓馬達容積腔與連接管道總的容積;Jt是液壓馬達總慣性矩;液壓馬達阻尼系數Bm表示的是總黏性的阻尼;G為負載等效扭轉彈簧剛度;TL為液壓馬達軸的外部力矩;xv是回轉主控閥芯位移;PL為液壓馬達內部容積腔壓差;kq為回轉主控閥芯流量增益;kc為回轉主控閥芯小孔節流系數;βe為液壓馬達有效容積彈性模量。

4.動臂-回轉復合動作過程：

本文設計的混聯式液壓系統在能量回收中有一次回收，也有二次回收。一次回收是動臂與回轉復合動作時流量的互相利用，二次回收是復合動作時多余的流量轉化為電能的過程，其中二次回收不僅有動臂勢能的轉化，也包括回轉制動動能的轉化。對于設計的系統回路，具體過程是：當動臂下降時，動臂下降的速度由液壓泵/馬達的排量控制，即根據第二電動機E/M的轉速和油缸的目標速度來決定排量?；剞D速度也由第二電動機E/M調節，當回轉加速時，動臂下降的勢能可以通過液壓泵/馬達傳遞給回轉機構，如有多余的勢能未直接利用，即動臂下降的功率大于回轉加速動作所需的功率的工況，則通過處于發電模式的電動機將機械能轉化為電能儲存在電池系統中;當回轉制動動作時，制動動能和動臂下降的勢能均經電動機存儲在電池系統中。

對于動臂下降和回轉的復合動作，根據動力流程圖1，利用工作的點線性化，由于泵的壓力傳遞函數和輸出流量[3]為：

（1-4）

式（4-4）中，為泵的斜盤傾角，N表示元件功率。

其工作狀態的數學描述可以為式（1-5）：

（1-5）

當挖掘動作完成，動臂承載上升時，回轉優先閥將發揮作用，使液壓泵/馬達優先得到流量供應，保證回轉的連續。由于回轉優先閥使動臂活塞缸活塞腔油路上產生一定的節流壓差，從而使進入動臂缸的流量減少而供應液壓泵/馬達的流量增加。式（1-6）為動臂上升和挖掘機回轉復合動作時的液壓回路動態方程。

（1-6）

式中Cq3為回轉優先閥3節流閥口流量系數，A為其節流截面通流面積;Δp為回轉優先閥的節流壓差[4]。其他的物理參數在前面的分析中已說明。

所設計系統的數學動力學方程以及仿真所需相關參數的計算，不僅可以更加了解挖掘機的整體性能，通過建立的數學模型也為系統主要部件的選型及設計提供了參數基礎，由于所設計系統以某型液壓挖掘機為基礎，在此發動機及電動機的參數已確定，所要重新選型的是混聯式系統中代替回轉馬達的液壓泵/馬達以及電池系統中的蓄電池。

四、液壓泵/馬達的傳動比設計

由于系統的工作轉速和液壓泵/馬達的轉速不是統一的，故需要設計減速比以匹配工作轉速和泵/馬達的轉速，保證泵/馬達的工作效率和系統工作的性能。泵/馬達的工作效率及其排量和功率與傳動比之間有一定的數學關系，其定性曲線如圖3所示，從圖中也可以看出泵/馬達的工作效率與其排量和功率之間均成同增同減的趨勢[5]。

圖3泵/馬達的工作性能與傳動比的關系曲線

傳動比由主減速器的減速比io和泵馬達的轉速np/m（r/min）以及回轉的半徑r（m）和速度v決定，根據傳動比的約束條件，即在工作常規速度下能保證回收能量的良好進行，使二次元件的轉速小于等于改元件的許用最高轉速，如表達式（1-7）所示：

（1-7）

將相關數據代入得本文設計系統的傳動比為：

ip/m=0.377×（0.587×1200）/（15×7）=2.5（1-8）

五、結論

根據混合動力系統的結構特性，針對動臂回轉聯合動作，提出適合原型號的混聯式混合動力液壓系統方案，說明混合動力系統方案的結構組成和工作模式，對單動作回路和聯合動作回路的能量回收和能量釋放的工作過程進行說明;分別對各主要回路進行數學建模，建立系統建模的理論基礎。

混聯式混合動力挖掘機液壓系統的設計不僅具有原有的主要元件選型（如發動機，電動機，變量泵等）和控制系統，還需有混聯式液壓混合動力系統中添加或替換的的新的元件選型，建立挖掘機的模型，可以為動臂及回轉等工況的進行更好的優化匹配，為后續試驗的實施提供理論依據，使所設計的混合動力液壓挖掘機在更大程度上發揮節能優勢和可操作性提升[6]。

參考文獻：

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[5]張靜.液壓挖掘機混合動力系統參數匹配與控制策略研究[D].長春：吉林大學，2013.

[6]董宏林等.液壓變壓器與液壓蓄能器串聯使用的優化條件及能量回收研究[J].中國機械工程，2003，14（03）：192～195。