王帆，黃偉男，權(quán)龍，郝云曉，劉燦杰

(1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024；2.江蘇匯智高端工程機(jī)械創(chuàng)新中心有限公司，江蘇徐州 221004)

0 前言

液壓挖掘機(jī)由于上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、工作中高頻次起制動(dòng)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作過程中能量浪費(fèi)嚴(yán)重[1-3]。傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)多采用四邊聯(lián)動(dòng)閥控馬達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行控制，工作時(shí)控制閥進(jìn)油節(jié)流邊和出油節(jié)流邊聯(lián)動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)節(jié)流和溢流損失嚴(yán)重[4]；制動(dòng)過程中，大量的制動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為控制閥閥口熱能浪費(fèi)掉。針對(duì)起動(dòng)過程回轉(zhuǎn)系統(tǒng)溢流損失嚴(yán)重這一問題，很多學(xué)者對(duì)閥口獨(dú)立技術(shù)進(jìn)行了研究。CHOI等[5]采用4個(gè)比例閥分別控制液壓缸兩腔壓力，結(jié)果表明動(dòng)臂動(dòng)作過程可節(jié)能21%～44%。劉凱磊等[6]提出了一種基于機(jī)液壓差補(bǔ)償?shù)呢?fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的閥口節(jié)流損失特性進(jìn)行分析。徐兵等人[7]提出了一種雙自由度控制器，分工況聯(lián)合控制進(jìn)出口閥的開度和變量泵的排量。王強(qiáng)、楊敬[8]將進(jìn)出口獨(dú)立控制策略應(yīng)用于裝載機(jī)搖臂液壓回路，提高了系統(tǒng)能量利用率。管成等人[9]設(shè)計(jì)了基于馬達(dá)壓差識(shí)別回轉(zhuǎn)過程所處階段的方法，保證回轉(zhuǎn)系統(tǒng)高效運(yùn)行。權(quán)龍、廉自生[10-11]應(yīng)用雙調(diào)速液壓泵，按照進(jìn)出口獨(dú)立系統(tǒng)方式控制非對(duì)稱液壓缸，使每臺(tái)泵的能耗和發(fā)熱降低，并提出可用于多執(zhí)行器的泵閥復(fù)合壓力流量匹配系統(tǒng)方案。

上述研究改善了挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的能量特性和運(yùn)行特性，但并未對(duì)耗散掉的制動(dòng)能量回收再利用[12]。林添良、劉強(qiáng)[13]設(shè)計(jì)了一種結(jié)合混合動(dòng)力和能量回收技術(shù)的新型挖掘機(jī)節(jié)能系統(tǒng)，并進(jìn)行了原理分析和參數(shù)匹配，系統(tǒng)控制性能和節(jié)能效果好。馬海英等[14]提出用高低壓蓄能器回收泵控液壓系統(tǒng)能量，降低了系統(tǒng)能耗且縮短轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)時(shí)長(zhǎng)。姚明星等[15]為了提高液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)動(dòng)能回收效率，研究了蓄能器預(yù)充壓力和容積對(duì)能效的影響。吳文海等[16]提出了一種具有防反轉(zhuǎn)功能的蓄能器回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，并驗(yàn)證防反轉(zhuǎn)功能及節(jié)能效果。

上述研究表明：相較傳統(tǒng)四邊節(jié)流閥控回路，閥口獨(dú)立控制系統(tǒng)降低了大慣量回轉(zhuǎn)系統(tǒng)起動(dòng)階段溢流損失；利用蓄能器回收再利用制動(dòng)動(dòng)能可降低系統(tǒng)能耗。然而傳統(tǒng)采用蓄能器回收再利用回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)動(dòng)能的方案，蓄能器高壓油與主泵高壓油為液壓耦合方式，會(huì)影響原系統(tǒng)運(yùn)行特性，不能充分利用蓄能器存儲(chǔ)的能量。

因此，本文作者提出一種雙馬達(dá)主被動(dòng)復(fù)合驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，在原有主驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)上增設(shè)被動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，被動(dòng)系統(tǒng)與主動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)械耦合方式，共同驅(qū)動(dòng)上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)。其中，主動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用閥口獨(dú)立回路，減小系統(tǒng)節(jié)流和溢流損失，并解決上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)的速度波動(dòng)及反擺問題；被動(dòng)系統(tǒng)采用液壓馬達(dá)-蓄能器組合，回收利用回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)動(dòng)能，且在空載制動(dòng)過程，利用增壓缸向蓄能器補(bǔ)充油液，使蓄能器在下一個(gè)滿載起動(dòng)過程提供足夠的能量。

1 雙馬達(dá)主被動(dòng)復(fù)合驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成和工作原理

此研究所提出的雙馬達(dá)主被動(dòng)復(fù)合驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理如圖1所示，在原有主驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)上增設(shè)被動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)；主動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用四自由度閥口獨(dú)立控制，通過定轉(zhuǎn)速變量泵動(dòng)力源3驅(qū)動(dòng)主動(dòng)液壓馬達(dá)10；被動(dòng)系統(tǒng)通過被動(dòng)液壓馬達(dá)11和蓄能器8實(shí)現(xiàn)能量回收并輔助上車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)起動(dòng)。圖1中電磁比例閥6.2—6.5構(gòu)成閥口獨(dú)立閥組。手柄1提供系統(tǒng)動(dòng)作信號(hào)，壓力傳感器4、流量傳感器5和陀螺儀12可將檢測(cè)的壓力、流量、回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速等系統(tǒng)參數(shù)反饋至控制器，DSPACE控制器2管控系統(tǒng)運(yùn)行過程。

圖1 雙馬達(dá)主被動(dòng)復(fù)合驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)回路原理

當(dāng)液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)滿載正轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)，主動(dòng)系統(tǒng)定轉(zhuǎn)速變量泵動(dòng)力源3提供主動(dòng)馬達(dá)10需求油液，經(jīng)進(jìn)口電磁比例閥6.2進(jìn)入主動(dòng)液壓馬達(dá)10左腔，主動(dòng)馬達(dá)10右腔油液經(jīng)電磁比例閥6.5連通油箱；此時(shí)，被動(dòng)系統(tǒng)比例換向閥9工作在左位，蓄能器8驅(qū)動(dòng)被動(dòng)液壓馬達(dá)11輔助回轉(zhuǎn)平臺(tái)起動(dòng)。當(dāng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)滿載制動(dòng)時(shí)，主動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)出口電磁比例閥均不得電，電磁比例閥6.6打開，使主動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)相當(dāng)于空載；被動(dòng)系統(tǒng)比例換向閥9工作在右位，被動(dòng)液壓馬達(dá)11的制動(dòng)油液存儲(chǔ)在蓄能器8中，實(shí)現(xiàn)能量回收。

當(dāng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)反轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)，主動(dòng)系統(tǒng)定轉(zhuǎn)速變量泵動(dòng)力源3提供主動(dòng)馬達(dá)10需求油液，經(jīng)進(jìn)口電磁比例閥6.3進(jìn)入主動(dòng)液壓馬達(dá)10右腔，主動(dòng)馬達(dá)10左腔油液經(jīng)電磁比例閥6.4連通油箱；此時(shí)，被動(dòng)系統(tǒng)比例換向閥9工作在右位，蓄能器8中的油液與被動(dòng)液壓馬達(dá)11的右腔連通，當(dāng)蓄能器8油液釋放至設(shè)定壓力時(shí)，比例換向閥9回到中位，被動(dòng)系統(tǒng)輔助起動(dòng)結(jié)束?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)反轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，主動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作與滿載制動(dòng)時(shí)相同，此時(shí)，被動(dòng)液壓馬達(dá)11的制動(dòng)油液經(jīng)處于左位的比例換向閥9存儲(chǔ)于蓄能器8中，回收制動(dòng)能量。

由于挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化大，空載制動(dòng)過程蓄能器回收的油液壓力和體積不足，導(dǎo)致滿載起動(dòng)時(shí)，蓄能器不能提供足夠的能量。因此，此研究在空載制動(dòng)結(jié)束后，電磁比例閥6.1通電，利用增壓缸7將變量泵提供的低壓油增壓后補(bǔ)充至蓄能器8，使空載制動(dòng)到滿載起動(dòng)階段蓄能器能夠提供足夠的能量。

1.2 參數(shù)計(jì)算

以某型38 t挖掘機(jī)為研究對(duì)象，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 38 t挖掘機(jī)參數(shù)

此研究利用皮囊式蓄能器回收上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)能量。

蓄能器內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)計(jì)算遵循氣體狀態(tài)方程：

(1)

式中：p0、p1分別為蓄能器的預(yù)充壓力、最低工作壓力；V0、V1分別為蓄能器的預(yù)充氣體體積、最低工作壓力對(duì)應(yīng)的氣體體積；n為氣體多變指數(shù)。

p1=(0.6～0.85)p0

(2)

p2=(1.1～1.5)p0

(3)

蓄能器容積可由式(4)計(jì)算：

(4)

式中：ΔV為蓄能器有效容積；p2為蓄能器最高工作壓力。

通過計(jì)算，蓄能器在滿載制動(dòng)時(shí)回收的油液體積約為2.8 L，蓄能器的預(yù)充壓力為20 MPa，容積為30 L。

1.3 控制策略

雙馬達(dá)主被動(dòng)復(fù)合驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制策略如圖2所示。當(dāng)駕駛員擺動(dòng)手柄給出控制信號(hào)后，根據(jù)手柄擺角和方向，DSPACE控制器可判斷挖掘機(jī)工況，并根據(jù)液壓馬達(dá)動(dòng)作所需的流量，控制器計(jì)算輸出變量泵、蓄能器、閥口獨(dú)立閥組等元件的控制信號(hào)。雙馬達(dá)主被動(dòng)系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)，使挖掘機(jī)按照駕駛員給定信號(hào)動(dòng)作，同時(shí)控制器根據(jù)傳感器測(cè)得的流量、壓力、上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速等反饋數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制器輸出信號(hào)，提高控制精度。

圖2 雙馬達(dá)主被動(dòng)復(fù)合驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制策略

蓄能器能量管理策略如圖3所示，控制器根據(jù)主動(dòng)液壓馬達(dá)排量Vm、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n、減速比i和上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)期望轉(zhuǎn)速ω等參數(shù)，控制變量泵排量Vp，使上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)按給定信號(hào)動(dòng)作。根據(jù)陀螺儀所測(cè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)角速度ωr和角加速度αr乘積判斷回轉(zhuǎn)平臺(tái)動(dòng)作階段，若ωr·αr>0，上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)為起動(dòng)加速階段，否則為勻速或制動(dòng)階段。

若回轉(zhuǎn)平臺(tái)ωr·αr>0，則馬達(dá)處于起動(dòng)加速階段，且當(dāng)蓄能器油液壓力p大于最低壓力p1時(shí)，蓄能器放液驅(qū)動(dòng)被動(dòng)馬達(dá)，液壓馬達(dá)輔助起動(dòng)，當(dāng)蓄能器油液壓力降低至p1時(shí)停止放液。若回轉(zhuǎn)平臺(tái)ωr·αr<0，則馬達(dá)處于減速制動(dòng)階段，蓄能器回收被動(dòng)液壓馬達(dá)制動(dòng)能量，當(dāng)蓄能器油液壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)停止回收；在空載制動(dòng)階段，蓄能器回收制動(dòng)能量后，其壓力仍小于p2，此時(shí)利用增壓缸將變量泵提供的低壓油補(bǔ)充至蓄能器，使蓄能器油液壓力達(dá)到設(shè)定壓力。

2 仿真模型的建立

為驗(yàn)證此研究所提系統(tǒng)及其控制策略的可行性，在多學(xué)科仿真軟件 Simulation X中完成某型38 t液壓挖掘機(jī)多體動(dòng)力學(xué)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型的搭建，模型包括機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，如圖4所示。對(duì)所提出的雙馬達(dá)主被動(dòng)復(fù)合驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)四邊節(jié)流閥控回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并對(duì)比其運(yùn)行特性和能量特性。

3 主被動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行特性研究

對(duì)雙馬達(dá)主被動(dòng)復(fù)合驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)四邊節(jié)流閥控回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行滿載-空載-滿載90°工況仿真分析。圖5所示為兩系統(tǒng)運(yùn)行特性對(duì)比曲線，1.4～4.4 s回轉(zhuǎn)平臺(tái)滿載正轉(zhuǎn)起動(dòng)，主被動(dòng)系統(tǒng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)速達(dá)到4.95 r/min，4.4～7.5 s兩系統(tǒng)滿載制動(dòng)且制動(dòng)結(jié)束時(shí)上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)均達(dá)到期望轉(zhuǎn)角90°。制動(dòng)階段，傳統(tǒng)系統(tǒng)利用溢流閥建立背壓使液壓馬達(dá)制動(dòng)，制動(dòng)結(jié)束時(shí)回轉(zhuǎn)平臺(tái)存在速度波動(dòng)和反轉(zhuǎn)擺動(dòng)問題，液壓馬達(dá)兩腔壓力波動(dòng)大。主被動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，由被動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速制動(dòng)并通過液壓蓄能器回收制動(dòng)能量；主動(dòng)系統(tǒng)采用4個(gè)電磁比例閥構(gòu)成閥口獨(dú)立回路，利用其多自由度的優(yōu)點(diǎn)，在回轉(zhuǎn)平臺(tái)達(dá)到90°時(shí)，出口電磁比例閥打開，解決了回轉(zhuǎn)平臺(tái)速度波動(dòng)和反轉(zhuǎn)擺動(dòng)問題。7.5～9.5 s主被動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)不工作，9.5～12.1 s主被動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)空載反轉(zhuǎn)起動(dòng)，12.1～14.8 s主被動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)空載反轉(zhuǎn)制動(dòng)回到初始工作位置0°，14.8～17.5 s主被動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)不工作，17.5～23.6 s主被動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行滿載正轉(zhuǎn)起動(dòng)制動(dòng)過程。

圖5 主被動(dòng)與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行特性對(duì)比

3.1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)起動(dòng)能力驗(yàn)證

圖6所示為滿載-空載-滿載90°工況傳統(tǒng)系統(tǒng)與主被動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)馬達(dá)輸出扭矩對(duì)比曲線。傳統(tǒng)系統(tǒng)液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運(yùn)行的過程中，馬達(dá)輸出的最大扭矩為1.1～1.2 kN·m，并通過上車回轉(zhuǎn)支承將扭矩放大，提供足夠的扭矩驅(qū)動(dòng)上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)。但是，在起動(dòng)和制動(dòng)結(jié)束時(shí)，因回轉(zhuǎn)平臺(tái)運(yùn)行不平穩(wěn)會(huì)產(chǎn)生扭矩波動(dòng)。主被動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在1.4～4.4 s滿載起動(dòng)階段，起動(dòng)初期被動(dòng)液壓馬達(dá)輸出扭矩為0.6～0.75 kN·m，主動(dòng)馬達(dá)輸出扭矩為0.2～0.4 kN·m，主被動(dòng)系統(tǒng)共同提供38 t液壓挖掘機(jī)上車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)需求扭矩，且扭矩波動(dòng)小。4.4～7.5 s滿載制動(dòng)階段，被動(dòng)液壓馬達(dá)主軸上的扭矩為0.75 kN·m，帶動(dòng)被動(dòng)液壓馬達(dá)向蓄能器充液，實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)動(dòng)能的回收再利用。

圖6 液壓馬達(dá)扭矩特性曲線

3.2 增壓缸補(bǔ)油能量回收特性分析

挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)，滿載和空載工況上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化大，因此回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)階段蓄能器回收的油液體積不同，下一次起動(dòng)階段蓄能器可提供的能量也不同。圖7所示為有無(wú)增壓缸補(bǔ)油蓄能器體積和壓力變化曲線，4.4～7.5 s回轉(zhuǎn)平臺(tái)滿載正轉(zhuǎn)制動(dòng)過程，蓄能器回收油液2.87 L，且蓄能器油液壓力由22 MPa升至29 MPa。9.5～12.1 s回轉(zhuǎn)平臺(tái)空載反轉(zhuǎn)起動(dòng)，蓄能器放液驅(qū)動(dòng)被動(dòng)液壓馬達(dá)輔助回轉(zhuǎn)平臺(tái)起動(dòng)，且在蓄能器油液壓力為22 MPa時(shí)輔助起動(dòng)結(jié)束。12.1～14.8 s回轉(zhuǎn)平臺(tái)空載反轉(zhuǎn)制動(dòng)，由于空載階段回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，蓄能器回收油液僅為2.1 L，油液壓力升至26.9 MPa。為使蓄能器在下一滿載起動(dòng)階段能提供足夠能量，利用增壓缸將變量泵提供的低壓油補(bǔ)充至蓄能器，使蓄能器存儲(chǔ)的油液體積為7.6 L、壓力為29 MPa，空載制動(dòng)階段蓄能器補(bǔ)油體積為回收油液體積的36%，17.5～23.6 s回轉(zhuǎn)平臺(tái)在被動(dòng)系統(tǒng)輔助下重復(fù)滿載起動(dòng)制動(dòng)過程。

圖7 有無(wú)補(bǔ)油蓄能器油液體積(a)和壓力(b)變化

4 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能效特性研究

傳統(tǒng)四邊節(jié)流閥控馬達(dá)系統(tǒng)進(jìn)出油口同時(shí)節(jié)流，在回轉(zhuǎn)平臺(tái)起動(dòng)階段輸出功率和能量較大，制動(dòng)階段變量泵停止供油，通過溢流閥建立背壓使回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)，導(dǎo)致大量動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能浪費(fèi)掉。主被動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中主動(dòng)系統(tǒng)采用閥口獨(dú)立控制，通過泵閥復(fù)合壓力流量匹配控制策略消除挖掘機(jī)起動(dòng)階段溢流和節(jié)流損失；被動(dòng)系統(tǒng)采用蓄能器回收被動(dòng)液壓馬達(dá)制動(dòng)階段能量，且輔助下一次挖掘機(jī)起動(dòng)，使主泵輸出功率和能耗大幅降低。兩系統(tǒng)能耗對(duì)比曲線如圖8所示，在完成相同工況作業(yè)時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)變量泵輸出功率峰值為108 kW，能耗為385.5 kJ；主被動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)變量泵輸出功率峰值為81 kW，能耗為175.9 kJ，能耗降低54.3%，節(jié)能效果顯著。

圖8 傳統(tǒng)系統(tǒng)與主被動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能耗對(duì)比

蓄能器的能量回收率η1、再利用率η2、總回收率η3計(jì)算公式如式(5)—(7)所示：

η1=E1/E2×100%

(5)

η2=E3/E1×100%

(6)

η3=η1×η2×100%

(7)

式中：E1、E2、E3分別為回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)過程蓄能器回收的能量、回轉(zhuǎn)平臺(tái)動(dòng)能的損失量、蓄能器使上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)動(dòng)能的增加量。此研究在計(jì)算蓄能器能量回收效果時(shí)未考慮蓄能器、減速器的元件效率。

圖9所示為滿載-空載-滿載90°工況雙馬達(dá)主被動(dòng)復(fù)合驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)平臺(tái)動(dòng)能和蓄能器能量變化曲線。在不考慮蓄能器、減速器、液壓馬達(dá)的效率情況下，1.4～4.4 s回轉(zhuǎn)平臺(tái)滿載起動(dòng)且動(dòng)能峰值為79.5 kJ，4.4～7.5 s回轉(zhuǎn)平臺(tái)滿載制動(dòng)，蓄能器回收能量為63.4 kJ，能量回收率為79%。9.5～12.1 s蓄能器驅(qū)動(dòng)被動(dòng)液壓馬達(dá)輔助回轉(zhuǎn)平臺(tái)空載反轉(zhuǎn)起動(dòng)，空載回轉(zhuǎn)動(dòng)能峰值為68.1 kJ，12.1～14.8 s回轉(zhuǎn)平臺(tái)空載制動(dòng)，蓄能器回收能量且能量峰值為49 kJ，能量回收率為72%。

圖9 蓄能器能量與回轉(zhuǎn)平臺(tái)動(dòng)能變化

5 結(jié)論

(1)此研究提出的雙馬達(dá)主被動(dòng)復(fù)合驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，在原有主驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)上增設(shè)被動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，被動(dòng)系統(tǒng)與主動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)械耦合方式。其中，主動(dòng)系統(tǒng)采用閥口獨(dú)立回路，通過泵閥復(fù)合壓力流量匹配控制策略降低了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)起動(dòng)階段溢流和節(jié)流損失，且利用閥口獨(dú)立回路多自由度控制的優(yōu)點(diǎn)，解決了回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)階段速度波動(dòng)和反擺問題。被動(dòng)系統(tǒng)采用液壓馬達(dá)-蓄能器組合方式，回收再利用上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)動(dòng)能，降低了主泵輸出功率和能耗。

(2)在滿載-空載-滿載90°回轉(zhuǎn)工況中，被動(dòng)系統(tǒng)利用蓄能器回收上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)動(dòng)能，并通過增壓缸在空載制動(dòng)結(jié)束后向蓄能器補(bǔ)充油液，解決上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)滿載加速起動(dòng)時(shí)，蓄能器供能不足的問題。滿載和空載制動(dòng)階段，蓄能器回收油液體積分別為2.87 L和2.1 L，空載制動(dòng)階段蓄能器補(bǔ)油體積為回收油液體積的36%。

(3)滿載和空載制動(dòng)階段，上車回轉(zhuǎn)平臺(tái)制動(dòng)動(dòng)能回收率分別為79%和72%；完成相同作業(yè)，傳統(tǒng)系統(tǒng)能耗為385.5 kJ，雙馬達(dá)主被動(dòng)復(fù)合驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能耗為175.9 kJ，能耗降低了54.3%。若按液壓挖掘機(jī)每天工作8 h，全年工作2 000 h，雙馬達(dá)主被動(dòng)復(fù)合驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)全年可節(jié)能6.28×107kJ。