張帆

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153）

混合動(dòng)力工程機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)成理論現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

張帆

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153）

文章從力學(xué)的角度分析了曲軸兩種耦合振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，根據(jù)牛頓定律得到軸系耦合振動(dòng)相互作用的關(guān)系表達(dá)式，然后針對(duì)混合動(dòng)力工程機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特殊性，通過(guò)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)軸系的簡(jiǎn)化。對(duì)于實(shí)際的混合動(dòng)力系統(tǒng)，由于存在多動(dòng)力元件給系統(tǒng)主軸結(jié)構(gòu)帶來(lái)更多的復(fù)雜性，軸系因此而產(chǎn)生的振動(dòng)情況要復(fù)雜的多，而且針對(duì)上述建立的耦合方程的求解也十分不便。由此，建立實(shí)際軸系的幾何模型，運(yùn)用有限元技術(shù)和多體動(dòng)力學(xué)方法具體分析混合動(dòng)力軸系的振動(dòng)性。

混合動(dòng)力；工程機(jī)械；動(dòng)力系統(tǒng)；機(jī)電一體化

1 混合動(dòng)力工程機(jī)械研究進(jìn)展

伴隨著世界化石能源面臨枯竭，對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，研究節(jié)能環(huán)保的新型產(chǎn)品和創(chuàng)新性技術(shù)已經(jīng)成了全球工業(yè)化發(fā)展急需解決的問(wèn)題。在汽車方面，泥合動(dòng)力技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用并推廣，這給工程機(jī)械的開發(fā)設(shè)計(jì)和運(yùn)用新型混合動(dòng)力技術(shù)提供了很好的借鑒作用，以前已有不少工程機(jī)械生產(chǎn)廠家和科研機(jī)構(gòu)開展了對(duì)混合動(dòng)力工程機(jī)械方面的技術(shù)性研究。國(guó)內(nèi)外各工程機(jī)械行業(yè)都在進(jìn)行對(duì)于混合動(dòng)力技術(shù)的應(yīng)用研究，對(duì)于如何利用Hybrid系統(tǒng)減小燃油的消耗量、減少?gòu)U氣的排放更是作為重點(diǎn)問(wèn)題研究。大多數(shù)工程機(jī)械行業(yè)廠家都開始了將混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械方面的研究但是由于工程機(jī)械特殊的工作環(huán)境，作業(yè)的不確定性，負(fù)載可能出現(xiàn)的劇烈波動(dòng)等特點(diǎn)，混合動(dòng)力技術(shù)在工程機(jī)械方面的應(yīng)用推廣還將面臨許多重要問(wèn)題，如混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力元件參數(shù)優(yōu)化匹配研究，動(dòng)力總成控制器的開發(fā)，系統(tǒng)的能量快速回收儲(chǔ)存問(wèn)題。面對(duì)混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械的眾多問(wèn)題，項(xiàng)目中采用實(shí)際施工過(guò)程中運(yùn)用最多、工作環(huán)境最為復(fù)雜、對(duì)設(shè)備的要求最好的液壓挖掘機(jī)作為此課題的研究對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)如何配置混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力元件、工作模式識(shí)別控制、控制器設(shè)計(jì)研發(fā)和對(duì)于可回收能量的利用存儲(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行研究，旨在減小工程機(jī)械的廢氣排放污染，有效提高機(jī)械的燃油利用率，提高我國(guó)混合動(dòng)力工程機(jī)械的研發(fā)能力和增加其市場(chǎng)占有率。

2 軸系耦合振動(dòng)建模研究

軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由結(jié)構(gòu)變形引起的振動(dòng)一般是通過(guò)產(chǎn)生扭振等方式表現(xiàn)出來(lái)，軸系如果產(chǎn)生振動(dòng)將會(huì)對(duì)機(jī)械的可靠性和安全性以及使用壽命造成非常大的影響，對(duì)于如何減小軸系結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行的研究非常多，但大多數(shù)都只是注重于單一振動(dòng)形式的分析，只有極少部分人對(duì)于因?yàn)楦鞣N振動(dòng)干擾引起的耦合做了研究分析混合動(dòng)力工程機(jī)械系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)元件主要由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)組成，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)在受到氣虹壓力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生周期性高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)和軸系一起轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)元件將會(huì)產(chǎn)生附加的慣性力作用在曲軸上，運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)將產(chǎn)生各種形式的振動(dòng)，包括各自的單一振動(dòng)和相互耦合產(chǎn)生的振動(dòng)。由于內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力形式，軸系的主要振動(dòng)方式為扭振，而當(dāng)曲軸受力發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)曲拐會(huì)產(chǎn)生收縮變形，軸系會(huì)出現(xiàn)張、合運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，從而引起曲軸的彎曲振動(dòng)和縱向振動(dòng)，并激勵(lì)機(jī)體產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。此外由于混合動(dòng)力系統(tǒng)中多了電機(jī)的加入，系統(tǒng)主軸軸系的剛度、阻尼、支撐方式和振動(dòng)激勵(lì)方式都將會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)混合動(dòng)力工程機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)軸系旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸受到周期性循環(huán)的激勵(lì)作用時(shí)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，而電機(jī)轉(zhuǎn)子因?yàn)槭艿秸駝?dòng)的影響又會(huì)造成轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙發(fā)生變化，而當(dāng)氣隙不對(duì)稱時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生干擾激勵(lì)，反過(guò)來(lái)軸系受到電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡干擾力時(shí)又將產(chǎn)生振動(dòng)，系統(tǒng)中的機(jī)電耦合振動(dòng)從此而來(lái)。這些振動(dòng)將給發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)帶來(lái)非常大的危害曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，可能導(dǎo)致它的疲勞失效破壞，而發(fā)動(dòng)機(jī)的橫向振動(dòng)則會(huì)使油箱受到擠壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成郵箱底部出現(xiàn)裂紋，縱向振動(dòng)會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生搖擺，曲軸的活塞組件在氣缸中碰撞，促使與氣缸壁的加速磨損，縮短使用壽命。此外，曲軸的振動(dòng)破壞了軸系原有的平衡狀態(tài)還將引起機(jī)體額外的振動(dòng)和噪音；產(chǎn)生附加載荷，是曲軸連接件發(fā)生疲勞失效。對(duì)于電機(jī)而言，軸系的振動(dòng)也將引起電機(jī)不可估計(jì)的損失。為了更好的分析軸系的機(jī)電耦合振動(dòng)問(wèn)題，必須了解為何軸系會(huì)產(chǎn)生機(jī)電振動(dòng)耦合以及振動(dòng)的機(jī)理特性，首先選取單位曲柄作為研究對(duì)象分析了曲軸的彎扭耦合振動(dòng)，然后再對(duì)機(jī)電耦合作用做了分析。

3 軸系機(jī)電耦合振動(dòng)多體動(dòng)力學(xué)仿真分析

（1）研究進(jìn)展。關(guān)于發(fā)電機(jī)組軸系機(jī)電耦合振動(dòng)特性問(wèn)題的研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，對(duì)于如此眾多的研究，研究者大多數(shù)都僅僅從機(jī)械動(dòng)力元件對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾方面入手，而忽略了電氣控制系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)耦合振動(dòng)造成的影響。岳東鵬等人對(duì)混合動(dòng)力汽車軸系的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，他認(rèn)為電動(dòng)機(jī)工作時(shí)由于電磁轉(zhuǎn)矩的存在給軸系施加了附加的約束，電機(jī)電動(dòng)時(shí)作用在軸系上的電磁力矩具有加劇軸系振動(dòng)的趨勢(shì)，而充當(dāng)發(fā)電作用時(shí)對(duì)于動(dòng)力軸系相當(dāng)于安裝了一個(gè)扭振減振器，將有助于減小軸系的扭振。與混合動(dòng)力汽車相比，并聯(lián)式混合動(dòng)力工程機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力軸系在相關(guān)技術(shù)方面的研究還比較少見(jiàn)，現(xiàn)有關(guān)于混合動(dòng)力工程機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)的研究成果大多集中在發(fā)動(dòng)機(jī)。

與電動(dòng)機(jī)的功率匹配和協(xié)調(diào)控制策略方面，基本沒(méi)有關(guān)于混合動(dòng)力系統(tǒng)軸系機(jī)電耦合振動(dòng)機(jī)理的研究。對(duì)此，可以采用與混合動(dòng)力汽車軸系機(jī)電耦合相類似的方法進(jìn)行研究?；旌蟿?dòng)力工程機(jī)械軸系與內(nèi)燃機(jī)的曲軸系統(tǒng)相類似，唯一不同的是多了一個(gè)電機(jī)，可以按照內(nèi)燃機(jī)軸系的研究思路進(jìn)行振動(dòng)特性分析。曲軸對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言非常重要，在整個(gè)軸系中處于“中樞”地位，一般來(lái)說(shuō)要分析內(nèi)燃機(jī)主軸的振動(dòng)特性有三種方法，一種是離散系統(tǒng)法，一種是有限元法，或者是通過(guò)建立軸系在時(shí)間和空間坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)微分方程來(lái)表達(dá)。這些方法都僅僅是對(duì)曲軸進(jìn)行建模，曲軸上面的其他運(yùn)動(dòng)件通過(guò)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為激勵(lì)施加到曲軸上。多體動(dòng)力學(xué)是一門新起的研究方法，由于研究由剛性體和柔性體構(gòu)成的系統(tǒng)在空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性，根據(jù)此方法可以建立曲軸系統(tǒng)、帶輪、飛輪、電機(jī)軸和液壓栗主軸在內(nèi)的整個(gè)動(dòng)力軸系的模型，直接計(jì)算出個(gè)構(gòu)件之間的相互作用力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，仿真軸系柔性體的變形，完成軸系的振動(dòng)特性分析?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)軸系機(jī)電耦合振動(dòng)研究不僅需要從純機(jī)械角度來(lái)分析，還需要考慮電機(jī)磁場(chǎng)作用以及控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)對(duì)系統(tǒng)造成的影響。文章將主要采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，并結(jié)合FEM技術(shù)，建立了某功率型號(hào)的混合動(dòng)力挖掘機(jī)軸系運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的多柔性體系統(tǒng)模型，其中包括柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)、飛輪、帶輪、電機(jī)主軸和液壓栗主軸，在系統(tǒng)模型中還引入了各主軸軸頸上軸承約束，以及施加前文計(jì)算的激勵(lì)載荷，通過(guò)聯(lián)合仿真分析動(dòng)力軸系機(jī)電耦合振動(dòng)特性。

（2）軸系振動(dòng)多體動(dòng)力學(xué)分析方法。在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，軸系一方面受到發(fā)動(dòng)機(jī)的氣趕壓力，另一方面受到電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩作用，軸系的振動(dòng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，對(duì)于這方面的研究需要從理論方面分析和試驗(yàn)角度驗(yàn)證。此處將結(jié)合FEM技術(shù)和多體動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)于混合動(dòng)力工程機(jī)械系統(tǒng)在幾種主要工作形態(tài)下的耦合振動(dòng)進(jìn)行建模仿真研究。發(fā)動(dòng)機(jī)是整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中一個(gè)典型的多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，包括活塞組件、曲柄連桿、飛輪、帶輪等運(yùn)動(dòng)部件，而當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主軸承的反作用力、氣趕循環(huán)壓力、活塞運(yùn)動(dòng)敲擊桿體都會(huì)帶來(lái)振動(dòng)和噪聲研究發(fā)動(dòng)機(jī)主軸的振動(dòng)規(guī)律需要從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，一是主軸宏觀的剛體運(yùn)動(dòng)，一是微觀的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，單獨(dú)的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析或者有限元法想要解決此類問(wèn)題都比較困難，而將有限元法與多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)相結(jié)合在一起來(lái)解決HEV系統(tǒng)軸系的振動(dòng)特性是非常好的，這已成為發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬研究的主流方法。研究HEV工程機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力軸系的振動(dòng)問(wèn)題，可以結(jié)合CAD、FEM分析軟件、數(shù)值計(jì)算軟件MATLAB和機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件，它們之間相關(guān)的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系以及所用的軟件。

4 結(jié)語(yǔ)

混合動(dòng)力系統(tǒng)由于存在軸系的振動(dòng)，一方面主軸或主軸連接件受到扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的長(zhǎng)期影響可能產(chǎn)生疲勞，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生主軸斷裂損壞，使機(jī)體停止工作；另一方面，軸系產(chǎn)生的振動(dòng)將帶來(lái)而外的噪聲和機(jī)械傳遞效率，嚴(yán)重影響了工程機(jī)械的使用性能，增大了機(jī)體的維修成本?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)軸系的振動(dòng)性能測(cè)試，一方面可以在工程機(jī)械工作過(guò)程中及時(shí)反映軸系的工作狀態(tài)，對(duì)于軸系的異常振動(dòng)實(shí)時(shí)停機(jī)，以避免異常振動(dòng)對(duì)軸系帶來(lái)破壞；另一方面，可以在混合動(dòng)力工程機(jī)械的研發(fā)階段指導(dǎo)軸系的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，對(duì)軸系的振動(dòng)性能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，從本質(zhì)上增加軸系的強(qiáng)度，防止意外產(chǎn)生?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)由于存在發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩者之間的相互耦合作用，軸系不論是在激勵(lì)方面還是在由此引發(fā)的振動(dòng)特性都有所改變。尤其在考慮電磁因素的情況下，由于混合動(dòng)力系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，需要考慮的機(jī)電因素很多想要通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段得到與理論模擬分析的結(jié)果相同是不現(xiàn)實(shí)的，但是要是兩者達(dá)到相似的一致性還是可行的。那么，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析到底有多大的差別，而且實(shí)際情況中機(jī)電作用對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體表面的振動(dòng)又有什么影響以及電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化對(duì)于系統(tǒng)的振動(dòng)有多大的影響，這就需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)分析。將針對(duì)混合動(dòng)力工程機(jī)械系統(tǒng)在工作過(guò)程中軸系所產(chǎn)生的振動(dòng)及其影響，在混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)軸系的振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試。

［1］李志和，李正光，孫維鵬.不平衡磁拉力作用下偏心轉(zhuǎn)子的非線性振動(dòng)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2011，（3）.

［2］龔俊，龔進(jìn)，張大慶，等.基于AMEsim的混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)建模及控制策略研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2011，（1）.

［3］岳東鵬，吳玉，王韜.電磁作用對(duì)輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲的影響［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010，（5）.

Theory and Research Progress of Com position Theory of Hybrid Power M achinery

ZHANG Fan
（Wuxi Vocational and Technical College of Technology，Wuxi，Jiangsu 214153，China）

In this paper，themechanism of the coupling vibration of two crankshafts isanalyzed from the angle ofmechanics. According to Newton's law，the relationship between the coupling interaction of the shaftsystem isobtained.Then，according to the structuralspecificity of the hybrid engineeringmachinery system，the shaft is simplified.For the actualhybrid system，due tomore complexity caused by themulti-power components to the system spindle structure，the vibration situation of shaft ismuchmore complex,and the equation for the establishmentof the coupling is also very inconvenient.In this paper，the geometricalmodel of theactualshafting isestablished，and thevibration of thehybrid shaftisanalyzed by using the finiteelementmethod and themulti -body dynamicsmethod.

hybrid；engineeringmachinery；dynamic system；electromechanical integration

F426.4

A

2095-980X（2017）05-0104-02

2017-04-23

張帆，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。