基于CPR的混合動力挖掘機(jī)液壓節(jié)能系統(tǒng)及其控制研究.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境污染現(xiàn)象的持續(xù)加重，已經(jīng)逐漸成為制約人類社會健康發(fā)展的關(guān)鍵問題。尤其對于具有用量大、效率低、排放差特點(diǎn)的挖掘機(jī)，對其進(jìn)行節(jié)能研究不但有利于緩解能源壓力、保護(hù)環(huán)境而且對其他類型的工程機(jī)械具備指導(dǎo)意義。由于液壓混合動力技術(shù)具備功率密度大、全充和全放能力強(qiáng)和可以回收能量的優(yōu)點(diǎn)，所以是最具產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景的先進(jìn)技術(shù)之一。但迄今為止，對于液壓混合動力挖掘機(jī)的研究還大多局限于某個子回路，尤其缺少從宏觀上對于整機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計以及所衍生出的能

2、量控制策略、執(zhí)行元件控制性能等問題的研究，導(dǎo)致這種技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用受到很大限制。本文以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“節(jié)能型靜液傳動混合動力系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)及相關(guān)技術(shù)研究”等為依托，以基于CPR的混合動力挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)為研究對象，從整機(jī)液壓系統(tǒng)的分析設(shè)計到實(shí)際實(shí)施過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面深入的研究。
　　結(jié)合著國內(nèi)外混合動力挖掘機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，分別橫向比較了液壓混合動力和電動混合動力的特點(diǎn)以及縱向比較了采用各自技術(shù)的具體機(jī)型。選定基于CPR的液

3、壓混合動力技術(shù)作為深入研究對象，并綜述了該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。提出切換控制的基于CPR的混合動力挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并闡述了工作原理。采用結(jié)合理論分析和關(guān)鍵元件單獨(dú)測試的方法建立了整機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并對新系統(tǒng)中新增的元件提出了選型方法。通過動力學(xué)分析的方法對例如液壓缸摩擦系數(shù)以及機(jī)械臂轉(zhuǎn)動慣量等無法直接獲得但又對仿真分析具備較大影響的參數(shù)進(jìn)行了機(jī)械臂單獨(dú)運(yùn)動情況下的辨識分析，并利用機(jī)械臂復(fù)合工況試驗(yàn)結(jié)果對其進(jìn)行了驗(yàn)證。然后，利用獲得的整機(jī)

4、參數(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)工況下發(fā)動機(jī)油耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，利用離散動態(tài)規(guī)劃算法對挖掘機(jī)的關(guān)鍵元件參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化匹配分析，從而降低了整機(jī)油耗。
　　通過對比量化分析了基于LUDV原理的原挖掘機(jī)和本文提出的新型液混挖掘機(jī)在相同工況下的能耗情況，結(jié)果表明新系統(tǒng)可節(jié)能37％，而且結(jié)合著新型液混挖掘機(jī)的能耗分布情況，提出了通過降低控制油路溢流壓力來進(jìn)一步節(jié)能的方法。設(shè)計了適用于新型液混挖掘機(jī)的分層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，明確了每層的任務(wù)并以中間層即控制策略設(shè)計為主

5、要研究內(nèi)容，研制了三種具備工程實(shí)踐價值的基于規(guī)則的控制策略，其中可調(diào)單點(diǎn)準(zhǔn)恒壓控制策略綜合效果最好。
　　針對提出的可降低油耗的控制策略可能降低執(zhí)行元件控制性能的問題，對控制油路的先導(dǎo)機(jī)構(gòu)設(shè)計了增加積分項(xiàng)的前向補(bǔ)償?shù)幕？刂破?，能夠在降低控制油路壓力的前提下?shí)現(xiàn)不損失控制性能的目的。對于新增的傳感器容易受到干擾的問題，尤其是首次引入的陀螺儀的抗干擾能力較差，開發(fā)了基于新型觀測器的速度控制系統(tǒng)，保證在傳感器非正常工作條件下仍能獲得較

6、好的控制性能。最后，針對液壓變壓器控制液壓缸系統(tǒng)具有耦合和強(qiáng)非線性問題，設(shè)計了結(jié)合動壓反饋和模糊控制的控制器，從而不需要關(guān)注系統(tǒng)模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了液壓缸速度控制的魯棒性。
　　本文最后進(jìn)行了實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)和臺架模擬實(shí)驗(yàn)。首先，對一臺基于LUDV原理的5t級挖掘機(jī)增加了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)工況的測試，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了能耗分析，驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性。然后，采用發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)且以溢流閥模擬負(fù)載的方式對提出的增加積分項(xiàng)的