電驅動小型液壓挖掘機功率匹配及能效特性研究.pdf

1、液壓挖掘機是一種重要的工程機械設備，集機械、液壓、電氣于一體，作業(yè)工況復雜。傳統(tǒng)液壓挖掘機由發(fā)動機驅動，發(fā)動機受負載波動影響較大，工作點常處于低效率區(qū)，且在能量傳遞過程中損耗較大。雖然在液壓挖掘機發(fā)動機與液壓泵的功率匹配、混合動力及能量回收、閥控系統(tǒng)的節(jié)能等方面進行了卓有成效的研究，但發(fā)動機固有的能量轉化率低、噪聲大、震動大、污染排放等問題依然限制著液壓挖掘機總體效率的提升。隨著社會的發(fā)展，對于在礦井巷道中、部分大型建筑的室內等空間有限

2、的場地進行靈活的裝載、挖掘工作提出了零排放，低噪聲的新要求，傳統(tǒng)挖掘機已不能適應這些場合。將節(jié)能、高效、噪聲低、抗震性好的變轉速電動機技術與高能量密度的液壓系統(tǒng)相結合應用于挖掘機液壓控制系統(tǒng)是一個重要的研究方向。本文在國家自然基金“分腔容積直驅電液控制系統(tǒng)能量高效轉換利用的理論與方法”（51575374）和國家自然科學基金重點項目“露天煤礦大型挖掘裝備高能效運行基礎研究”（U1510206）資助下，對變轉速-變排量液壓動力源在液壓挖掘機

3、中的應用做了系統(tǒng)地研究，對電驅動的液壓挖掘機整機系統(tǒng)的運動特性和能效特性的提高做了有益地探索。在研究過程中，主要完成了以下內容:
　　首先綜述了電鏟和液壓挖掘機動力源系統(tǒng)的演進過程，液壓挖掘機動力源系統(tǒng)的功率匹配和混合動力節(jié)能技術的國內外研究現(xiàn)狀。結合當前社會對挖掘機零污染、低噪聲的要求，提出將抗震性好，性價比高的電驅動變轉速電動機替代原有的發(fā)動機，得到高效、節(jié)能的新型液壓挖掘機動力源系統(tǒng)的思路。同時闡述了進出口獨立控制技術研究現(xiàn)

4、狀，提出將泵閥復合流量匹配控制策略應用于電驅動液壓挖掘機液壓缸驅動大慣量負載過程中以提高運行穩(wěn)定性，同時進一步降低系統(tǒng)能耗。
　　其次建立了電動機兩相旋轉坐標系和矢量控制算法數(shù)學模型，在數(shù)學模型分析的基礎上建立了simulationX仿真模型，通過仿真和試驗研究了三相異步電動機的轉速，轉矩等靜態(tài)特性以及啟動和負載擾動等動態(tài)特性。針對三相異步電動機啟動速度慢的問題，應用變轉速——變排量結構優(yōu)化動力源動態(tài)響應，提出動態(tài)使用電液比例柱塞

5、變量泵擺角控制的高響應速度進行液壓源控制，穩(wěn)態(tài)使用變轉速控制進行能耗匹配的策略，提高了液壓源整體的動態(tài)響應和能效特性。
　　再次論文針對三相異步電動機、液壓泵的能耗進行了理論分析、仿真和試驗研究。確定了電動機和液壓泵的高能效工作點，設計了變轉速-變排量功率匹配方案。結合低空轉能耗液壓動力源的專利，設計了變轉速電動機自動怠速控制策略。相比于工頻轉速空載狀態(tài)，自動怠速策略可使總輸入功率從4.141kW減少至0.727kW，節(jié)能率達82

6、.4％。
　　進一步論文中應用泵閥復合流量匹配進出口獨立控制專利技術，抑制液壓缸驅動大慣性負載起動時的壓力波動。如動臂驅動大慣性負載過程中，阻抗伸出時，采用流量匹配基礎上疊加壓力控制的控制策略；超越回縮時，采用回油調速和流量再生的方法進行控制。基于多體動力學仿真軟件simulationX建立了應用進出口獨立控制回路的電驅動液壓挖掘機機電液聯(lián)合仿真模型，仿真研究了電驅動液壓挖掘機的運動特性和節(jié)能特性。建立了以dSPACE為核心的挖掘