李 潔， 程 珩， 權(quán) 龍， 郝云曉， 關(guān) 澈

(1.太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

引言

傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的能量利用率較低，從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量?jī)H有20%左右被負(fù)載利用[1]，且發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)排放出的污染性氣體與固體顆粒對(duì)施工地區(qū)的空氣質(zhì)量以及附近居民的生活質(zhì)量造成影響。近年來(lái)，電驅(qū)液壓挖掘機(jī)因其無(wú)污染、噪聲小、能量利用率高、可靠性高等優(yōu)勢(shì)[2-3]，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

在液壓挖掘機(jī)的工作過(guò)程中， 動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)動(dòng)作耗能較高， 可回收能量較多[4]， 但目前市場(chǎng)上的純電驅(qū)挖掘機(jī)大多缺少能量回收環(huán)節(jié)或只實(shí)現(xiàn)了動(dòng)臂或回轉(zhuǎn)單動(dòng)作的回收，沒(méi)有考慮復(fù)合動(dòng)作情況下的能量回收，導(dǎo)致其使用過(guò)程中能量利用率較低。

目前，根據(jù)回收方式可將挖掘機(jī)的能量回收系統(tǒng)分為電氣式和液壓式。液壓式能量回收系統(tǒng)的主要儲(chǔ)能元件是蓄能器，其具有功率密度大，裝機(jī)成本低的特點(diǎn)[5]，能夠在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能的儲(chǔ)存和釋放。付春雨等[6]提出一種以蓄能器作為儲(chǔ)能元件的新型動(dòng)臂勢(shì)能回收液壓系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:動(dòng)臂勢(shì)能回收率為22.6%；林添良等[7-8]提出了一種基于液壓蓄能器的兩級(jí)空轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)，降低了空轉(zhuǎn)速度控制關(guān)閉時(shí)的能耗，進(jìn)一步提高了制動(dòng)器的控制性能。電氣式能量回收系統(tǒng)的主要儲(chǔ)能元件是超級(jí)電容和蓄電池，超級(jí)電容具有安裝空間小、儲(chǔ)能密度高的特點(diǎn)，并提出一種使用超級(jí)電容的電驅(qū)動(dòng)液壓挖掘機(jī)的節(jié)能型轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；HYEON-SEOP Y等[9]研究了使用超級(jí)電容器的環(huán)保型電動(dòng)挖掘機(jī)的能源管理問(wèn)題，結(jié)果表明，采用超級(jí)電容的挖掘機(jī)電池效率得到了提高。電氣式回收的缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，傳遞鏈長(zhǎng)，效率低；而液壓式回收能量轉(zhuǎn)換路徑短，油液壓力低，再利用困難，如何實(shí)現(xiàn)兩種方式的有效結(jié)合將成為今后研究的重點(diǎn)；BO LONG等[10]提出了一種改進(jìn)的電動(dòng)汽車(chē)多功能能量回收系統(tǒng)，改進(jìn)了傳統(tǒng)蓄能器蓄電池組測(cè)試系統(tǒng)存在的能量損耗和諧波問(wèn)題；陳正雄[11]提出了一種大慣量回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)能量電液回收利用系統(tǒng)，使用液壓蓄能器與超級(jí)電容儲(chǔ)能，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)扭矩匹配蓄能器的壓力，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)能量回收效率最大化的同時(shí)，保證回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)平穩(wěn)。

本研究針對(duì)純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)的工作特點(diǎn)，將采用液壓馬達(dá)-電機(jī)作為回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和動(dòng)臂的回收單元，DC/DC與超級(jí)電容和蓄能器作為儲(chǔ)能單元進(jìn)行挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作情況下的能量回收的方法研究。

1 挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作過(guò)程分析

挖掘機(jī)的工作過(guò)程具有周期性[12]，在標(biāo)準(zhǔn)工況下挖掘機(jī)的典型工作循環(huán)如圖1所示。

一個(gè)工作循環(huán)中轉(zhuǎn)臺(tái)分別正反轉(zhuǎn)各一次，動(dòng)臂提升和下降各一次，每個(gè)工作周期約為20 s[13]。在挖掘機(jī)的工作過(guò)程中，動(dòng)臂的下降過(guò)程和轉(zhuǎn)臺(tái)的整個(gè)工作過(guò)程均可實(shí)現(xiàn)能量回收。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)工況下挖掘機(jī)的典型工作循環(huán)

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

2.1 能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂與轉(zhuǎn)臺(tái)復(fù)合動(dòng)作能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

2.2 能量回收系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)采用蓄能器和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)共同作為儲(chǔ)能元件進(jìn)行能量回收。下面分別對(duì)回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行說(shuō)明。

1) 回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能能量回收再利用系統(tǒng)工作原理

以馬達(dá)正轉(zhuǎn)為例，當(dāng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)開(kāi)始加速時(shí)閥7工作于左位，主液壓泵輸出高壓油至回轉(zhuǎn)馬達(dá)A口驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)。在回轉(zhuǎn)加速與勻速階段，閥12下位接通，通過(guò)調(diào)節(jié)恒壓馬達(dá)14的壓力回收回轉(zhuǎn)馬達(dá)回油口B的背壓，在此階段閥18左位接通，恒壓泵/馬達(dá)出口接油箱，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，超級(jí)電容回收能量。考慮到蓄能器17壓力較大，若其壓力大于一定值，閥13上位接通，蓄能器內(nèi)高壓油釋放至回轉(zhuǎn)馬達(dá)A口，輔助液壓泵驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。回轉(zhuǎn)減速制動(dòng)階段，主泵排量為0，回轉(zhuǎn)馬達(dá)B口流量最大，為使上車(chē)平穩(wěn)制動(dòng)，閥12下位接通。當(dāng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)出口壓力大于蓄能器壓力時(shí)閥18右位接通，恒壓馬達(dá)與蓄能器17連接，在此過(guò)程中蓄能器回收大部分制動(dòng)能量，電機(jī)15補(bǔ)償蓄能器的非線性特性，從而降低電氣回收單元的裝機(jī)能量，降低成本。

2) 動(dòng)臂勢(shì)能回收再利用系統(tǒng)工作原理

動(dòng)臂上升時(shí)，閥20處于左位，閥19處于右位，超級(jí)電容放電，蓄能器釋能，由電機(jī)23和泵22提供高壓油驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂上升。在此過(guò)程中閥21處于左位，主泵向動(dòng)臂無(wú)桿腔補(bǔ)充因泄漏損失的液壓油。

動(dòng)臂下降時(shí)，閥19處于左位，閥20處于右位，液壓缸無(wú)桿腔的高壓油驅(qū)動(dòng)回收泵/馬達(dá)22和電機(jī)23發(fā)電，超級(jí)電容充電，同時(shí)出口處的高壓油充入蓄能器轉(zhuǎn)換成勢(shì)能存儲(chǔ)，主泵4為有桿腔補(bǔ)油防止吸空。通過(guò)控制電機(jī)23的轉(zhuǎn)速控制動(dòng)臂的下降速度。

1.整流器 2、16.逆變器 3.主電機(jī) 4.主泵 5.油箱 6.溢流閥 7、8、12、13、18、19.三位三通電磁換向閥 9、10.單向閥 11.回轉(zhuǎn)馬達(dá)14.回收馬達(dá) 15、23.電機(jī) 17、25.蓄能器 20、21、26.二位二通電磁換向閥 22.回收泵/馬達(dá) 24.整流/逆變器圖2 純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作能量回收利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3 系統(tǒng)元件參數(shù)匹配

本研究以某型號(hào)6 t純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)作為研究對(duì)象進(jìn)行分析，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 6 t電驅(qū)挖掘機(jī)基本參數(shù)

3.1 能量回收系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于能量回收系統(tǒng)中的馬達(dá)、電機(jī)、蓄能器等元件的型號(hào)參數(shù)可按照原挖掘機(jī)系統(tǒng)的各部分可回收能量進(jìn)行估算。永磁同步伺服電機(jī)具有效率高、功率因數(shù)高、溫升低等優(yōu)點(diǎn)[14]，本研究以其作為回收電機(jī)對(duì)能量進(jìn)行回收。表2為初步選定能量回收系統(tǒng)的參數(shù)。

表2 能量回收系統(tǒng)參數(shù)

3.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)由超級(jí)電容器和DC/DC變換器組成。挖掘機(jī)回收能量的過(guò)程具有變化劇烈且快速的特點(diǎn)，超級(jí)電容器具有功率密度高、充放電效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)[15]，使用超級(jí)電容進(jìn)行儲(chǔ)能可以滿(mǎn)足挖掘機(jī)的能量回收需求。DC/DC變換器可以實(shí)現(xiàn)精確的電流與電壓控制，能夠滿(mǎn)足電機(jī)系統(tǒng)較小的電壓工作范圍的要求。通過(guò)對(duì)可回收能量的預(yù)估，超級(jí)電容最高充電電壓定為350 V，最低放電電壓為250 V，容量為5 F。超級(jí)電容的SOC 值較高時(shí)充電，易造成充電過(guò)量而影響使用壽命，而SOC 值低于下限時(shí)，內(nèi)阻會(huì)增大許多，此時(shí)不宜進(jìn)行充電。因此本研究選取超級(jí)電容SOC值的下限為0.64，上限為0.8[16]。

DC/DC變流器為非隔離半橋型雙向DC/DC變流器，其結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D3所示。其控制環(huán)節(jié)采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方法。通過(guò)對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率的預(yù)估，DC/DC變流器功率定為10 kW。

圖3 非隔離半橋型雙向DC/DC 變流器

4 泄漏及效率分析

由于動(dòng)臂上升時(shí)回收泵/馬達(dá)提供了主要油液，而其在工作過(guò)程中存在一定程度的泄漏，這部分泄漏的油液將由主泵補(bǔ)充。為了研究動(dòng)臂一個(gè)工作循環(huán)中回收泵/馬達(dá)泄漏的油液量，本研究建立了斜軸泵/馬達(dá)流量的數(shù)學(xué)模型和損耗模型，通過(guò)計(jì)算獲得動(dòng)臂回收泵/馬達(dá)泄漏的油液體積。

4.1 斜軸泵/馬達(dá)流量分析

柱塞泵/馬達(dá)旋轉(zhuǎn)1周，柱塞底部的密閉容積在缸體的擺動(dòng)作用下進(jìn)行吸油和排油。泵/馬達(dá)的輸出流量壓力與柱塞的瞬時(shí)流量有關(guān)，柱塞的瞬時(shí)流量為：

(1)

式中，d—— 柱塞直徑

vi—— 柱塞i的軸向速度

ω—— 缸體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度

R—— 柱塞軸線在缸體中的分布圓半徑

α—— 斜盤(pán)平面相對(duì)于缸體橫截面的夾角

φi—— 柱塞i的轉(zhuǎn)角

泵/馬達(dá)的瞬時(shí)理論流量為排油腔的柱塞的瞬時(shí)理論流量之和：

(2)

式中，m為處于排油腔的柱塞數(shù)。

一般柱塞數(shù)為奇數(shù)，泵/馬達(dá)輸出流量脈動(dòng)較小，所以假設(shè)柱塞泵為奇數(shù)，對(duì)式(2)整理后可以得出柱塞泵/馬達(dá)的理論流量Qsh和實(shí)際流量Q分別為：

(3)

(4)

4.2 回收泵/馬達(dá)損耗分析

由以上分析可知，回收泵/馬達(dá)的實(shí)際流量Q受馬達(dá)的效率影響。定量泵/馬達(dá)的效率主要與系統(tǒng)壓力和轉(zhuǎn)速有關(guān)，其效率的計(jì)算公式為：

容積效率：

(5)

機(jī)械效率:

(6)

總效率：

(7)

式中， ΔpM—— 泵/馬達(dá)系統(tǒng)壓力

ηM—— 泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)速

CS—— 層流泄漏系數(shù)

CV—— 層流阻力系數(shù)

Cf—— 機(jī)械阻力系數(shù)

μ—— 液壓油動(dòng)力黏度

本研究中液壓系統(tǒng)液壓油型號(hào)為HLP46。挖掘機(jī)的液壓油溫一般為60～80 ℃，液壓油的運(yùn)動(dòng)黏度ν取13 mm2/s，密度ρ為0.876 kg/m3。計(jì)算可得動(dòng)力黏度μ=ν·ρ=11.388×10-6kg/m·s。

由式(4)和式(5)計(jì)算可得動(dòng)臂上升和下降所形成的一個(gè)工作循環(huán)中，動(dòng)臂工作系統(tǒng)中的油液剩余量為循環(huán)開(kāi)始時(shí)的85%，為了保證挖掘機(jī)工作的連續(xù)性，主泵將在動(dòng)臂上升階段提供所需油液的15%。

5 仿真分析

根據(jù)圖2的原理以及以上參數(shù)設(shè)計(jì)、泄漏分析和效率分析，在仿真軟件SimulationX中對(duì)6 t純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)的液壓、機(jī)械及控制部分進(jìn)行建模和聯(lián)合仿真，模型按照?qǐng)D1所示的動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)復(fù)合動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行控制，單個(gè)工作周期設(shè)為20 s，對(duì)單個(gè)工作周期進(jìn)行仿真。圖4所示為周期內(nèi)各模塊的給定動(dòng)作信號(hào)。

圖4 復(fù)合動(dòng)作給定信號(hào)

5.1 動(dòng)臂運(yùn)行特性分析

在一個(gè)完整的工作周期內(nèi)，本系統(tǒng)動(dòng)臂液壓缸的速度-位移與給定信號(hào)的速度-位移對(duì)比曲線如圖5所示。從圖5中可以看出動(dòng)臂勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓缸的速度波動(dòng)為3.7%；位移與給定信號(hào)產(chǎn)生了1.4%的誤差?？傮w來(lái)看，本系統(tǒng)能夠根據(jù)指定信號(hào)完成相應(yīng)的提升和下降的動(dòng)作，使動(dòng)臂正常作業(yè)。

圖5 動(dòng)臂液壓缸速度-位移曲線

圖6所示為動(dòng)臂運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)各元件的功率曲線。在動(dòng)臂上升階段，回收電機(jī)驅(qū)動(dòng)恒壓泵/馬達(dá)向液壓缸無(wú)桿腔提供能量。在動(dòng)臂加速階段，電機(jī)存在峰值功率約為3.5 kW；隨著蓄能器壓力的降低，發(fā)電機(jī)功率逐漸增加，最大功率為4.2 kW。在此過(guò)程中，蓄能器釋放高壓油，蓄能器供能功率約為3 kW，隨著運(yùn)行距離的增加，蓄能器功率逐漸降低。蓄能器油液壓力由4.5 MPa降低為4.18 MPa，油液體積由8.4 L減少為6.4 L。

圖6 動(dòng)臂回收單元特性曲線

在動(dòng)臂下降階段，蓄能器和超級(jí)電容共同回收動(dòng)臂重力勢(shì)能。工作裝置的重力勢(shì)能主要由蓄能器回收，發(fā)電機(jī)功率約為1.8 kW，蓄能器充液功率約為3.5 kW，明顯大于發(fā)電機(jī)功率。蓄能器油液壓力由4.16 MPa升高為4.5 MPa，油液體積由6.4 L升高為8.6 L。由圖可知在一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束時(shí)，蓄能器基本可以返回初始狀態(tài)。

5.2 轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行特性分析

圖7所示為一個(gè)工作周期內(nèi)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°的運(yùn)行曲線。正轉(zhuǎn)加速階段，回轉(zhuǎn)馬達(dá)A口和液壓泵出口壓力逐漸增加?；剞D(zhuǎn)加速初始階段，回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速滯后回轉(zhuǎn)指令較大；回轉(zhuǎn)勻速階段，由于旋轉(zhuǎn)角度較小，勻速時(shí)間短，回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大超調(diào)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)速為1.1 r/min；回轉(zhuǎn)制動(dòng)階段，上車(chē)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了小于0.5%的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖7 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)角速度-角位移曲線

圖8所示為回轉(zhuǎn)系統(tǒng)回收單元特性曲線。加速階段時(shí)，蓄能器釋放高壓油，由于蓄能器與回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)油口壓力存在壓差，因此蓄能器功率存在一瞬間的峰值約為15 kW。隨著回轉(zhuǎn)角度的增加蓄能器壓力逐漸降低，直至油液壓力下降到18 MPa時(shí)蓄能器停止供能?；剞D(zhuǎn)加速時(shí)回收電機(jī)功率隨回轉(zhuǎn)速度的增加而增加，最大功率約為3.1 kW。回轉(zhuǎn)制動(dòng)過(guò)程中，高壓油經(jīng)過(guò)回收馬達(dá)沖入蓄能器，蓄能器油液壓力逐漸上升至19 MPa，峰值功率約為10 kW。

圖8 回轉(zhuǎn)回收單元特性曲線

5.3 運(yùn)行能耗對(duì)比

當(dāng)一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)能量的回收與再利用達(dá)到平衡，則循環(huán)結(jié)束時(shí)兩個(gè)蓄能器的油液體積和壓力以及超級(jí)電容SOC值與開(kāi)始時(shí)相同。對(duì)該系統(tǒng)在動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)工作的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況下的能耗特性進(jìn)行仿真研究，并與沒(méi)有能量回收單元和儲(chǔ)能系統(tǒng)的原純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行比較。圖9為仿真得出的兩個(gè)系統(tǒng)的能耗對(duì)比圖?？梢钥闯鲆粋€(gè)循環(huán)周期原系統(tǒng)耗能約48 kJ，電液回收與再利用系統(tǒng)耗能約33.7 kJ，節(jié)能約29%。

圖9 能耗對(duì)比

表3為能量回收系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。由表3可以看出，純電驅(qū)挖掘機(jī)采用電液能量回收再利用系統(tǒng)后，一個(gè)周期內(nèi)，挖掘機(jī)動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)部分總可回收能量為24.36 kJ，能量回收系統(tǒng)共回收能量18.3 kJ，能量回收效率約為75.1%，再利用效率約為78.1%。

6 結(jié)論

本研究提出一種基于超級(jí)電容和蓄能器的6 t純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂的復(fù)合能量回收與再利用系統(tǒng)，有效解決了挖掘機(jī)工作過(guò)程中大量能量浪費(fèi)的問(wèn)題。對(duì)挖掘機(jī)回收系統(tǒng)的主要元件進(jìn)行參數(shù)匹配，并對(duì)回收泵/馬達(dá)進(jìn)行了泄漏分析，使蓄能器的充放液在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)達(dá)到平衡。基于SimulationX平臺(tái)建立系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)臂與回轉(zhuǎn)復(fù)合工況下的仿真分析。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠根據(jù)給定信號(hào)完成相應(yīng)的動(dòng)作，儲(chǔ)能元件能夠平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)能量的回收與釋放。所提方案較原純電驅(qū)液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)29%的節(jié)能，能量回收率和再利用率分別可達(dá)75.1%和78.1%，具有較好的節(jié)能效果。