崔金元 權(quán) 龍 劉志奇 葛 磊 黃偉男

(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, 太原 030024;2.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 太原 030024)

0 引言

隨著化石能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益突出,保有量大且能耗高的工程機(jī)械節(jié)能減排技術(shù)的研究已刻不容緩[1-2]。在常見(jiàn)的工程機(jī)械中,如挖掘機(jī)、起重機(jī)和卷?yè)P(yáng)機(jī)等,均存在頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)作業(yè)的大慣量液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。在大慣量液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí),制動(dòng)動(dòng)能經(jīng)過(guò)閥口節(jié)流作用轉(zhuǎn)換為熱能而散失,造成大量的能量損失[3-4]。如果能夠?qū)剞D(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)動(dòng)能回收再利用,不僅可降低系統(tǒng)能耗和工程機(jī)械使用成本,還可以節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境[5]。

近年來(lái),針對(duì)大慣量回轉(zhuǎn)系統(tǒng)節(jié)能研究已成為工程機(jī)械節(jié)能技術(shù)的研究熱點(diǎn),典型的節(jié)能系統(tǒng)有:液壓節(jié)能系統(tǒng)、純電動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)等。液壓節(jié)能系統(tǒng)包括:開(kāi)式和閉式液壓節(jié)能系統(tǒng)。針對(duì)開(kāi)式液壓節(jié)能系統(tǒng),文獻(xiàn)[6-8]提出泵閥復(fù)合進(jìn)出口獨(dú)立控制和主驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)增加被動(dòng)回路的方法,分別對(duì)加速和制動(dòng)工況制定相應(yīng)策略,使系統(tǒng)平均功率降低25.5%。文獻(xiàn)[9-10]運(yùn)用二次調(diào)節(jié)靜液壓技術(shù),將泵/馬達(dá)作為回轉(zhuǎn)執(zhí)行元件,蓄能器回收制動(dòng)動(dòng)能再利用,油耗降低21%。LEE等[11]通過(guò)在原有回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中,增加能量再生閥和蓄能器,實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能回收再利用,系統(tǒng)能耗減小18.5%。為進(jìn)一步消除液壓系統(tǒng)中的節(jié)流損失并將制動(dòng)動(dòng)能直接再利用,專家學(xué)者提出了閉式液壓節(jié)能系統(tǒng)。文獻(xiàn)[12-13]分別設(shè)計(jì)了多蓄能器閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和雙閉式回路并聯(lián)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng),采用泵/馬達(dá)和液壓泵構(gòu)建閉式液壓回路,消除了節(jié)流損失,系統(tǒng)能量回收效率為22%。純電動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中,采用電機(jī)代替液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)體,并將制動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能,存儲(chǔ)于電儲(chǔ)能元件再利用[14]。文 獻(xiàn)[15-16] 制定了轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合控制策略,采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)能量的回收再利用。YOON等[17]在純電動(dòng)回轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上,構(gòu)建了電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng),制定變量輸入/輸出的控制策略,實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量回收再利用?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)中,通過(guò)電氣與液壓系統(tǒng)結(jié)合,形成混合動(dòng)力源供給系統(tǒng),具有較好的節(jié)能效果[18-19]。FRESIA等[20]設(shè)計(jì)了內(nèi)燃機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)和液壓泵,電機(jī)代替回轉(zhuǎn)馬達(dá),發(fā)電機(jī)為回轉(zhuǎn)電機(jī)供電,且超級(jí)電容回收能量再利用,系統(tǒng)能耗降低28%。GONG等[21]提出對(duì)挖掘機(jī)整機(jī)可回收能量的集中回收再利用,設(shè)計(jì)了基于參數(shù)規(guī)則策略的實(shí)時(shí)控制,運(yùn)用超級(jí)電容對(duì)能量存儲(chǔ)再利用,系統(tǒng)減少能耗約17.6%。

現(xiàn)有液壓節(jié)能系統(tǒng)中,開(kāi)式液壓系統(tǒng)節(jié)流損失大,而閉式液壓系統(tǒng)控制特性和響應(yīng)特性較差[22-24]。純電動(dòng)和混合動(dòng)力回轉(zhuǎn)系統(tǒng),采用超級(jí)電容或蓄電池作為儲(chǔ)能元件,功率密度較低,制約了電氣儲(chǔ)能方式對(duì)制動(dòng)能量的回收再利用[25]。本文結(jié)合電機(jī)控制精度高和液壓系統(tǒng)功率密度高的優(yōu)點(diǎn)[26-28],采用液壓蓄能器作為儲(chǔ)能元件,提出電機(jī)和液壓馬達(dá)并聯(lián)混合驅(qū)動(dòng)大慣量回轉(zhuǎn)系統(tǒng),以期實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)制動(dòng)動(dòng)能回收再利用。建立多學(xué)科聯(lián)合仿真模型,基于全周期工況識(shí)別速度控制策略,搭建電液混合驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和能耗進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)原理

所提出的電液混合驅(qū)動(dòng)大慣量回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理如圖1所示。系統(tǒng)由電氣單元、液壓驅(qū)動(dòng)單元、蓄能單元、液壓補(bǔ)油單元和大慣量回轉(zhuǎn)體組成。

圖1 電液混合驅(qū)動(dòng)大慣量回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Electro-hydraulic hybrid drive large inertia swing system schematic1.補(bǔ)油動(dòng)力源 2.低壓蓄能器 3.大慣量回轉(zhuǎn)體 4.永磁同步電機(jī) 5.驅(qū)動(dòng)器 6.PLC 7.高壓蓄能器 8.開(kāi)關(guān)閥1 9.開(kāi)關(guān)閥2 10.換向閥 11.溢流閥 12.開(kāi)關(guān)閥3 13.液壓馬達(dá)

系統(tǒng)采用永磁同步電機(jī)和液壓馬達(dá)并聯(lián)混合驅(qū)動(dòng)大慣量回轉(zhuǎn)體。永磁同步電機(jī)作為主動(dòng)力源,控制回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng);由蓄能器提供動(dòng)力的液壓馬達(dá)作為輔助動(dòng)力源,為電機(jī)啟動(dòng)加速提供扭矩補(bǔ)償,蓄能器高效回收制動(dòng)動(dòng)能再利用。系統(tǒng)采用PLC控制,大慣量回轉(zhuǎn)體安裝有扭矩和速度傳感器,液壓回路安裝有壓力傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

在工作過(guò)程中,回轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要包括正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)2種工況,每種工況包括:啟動(dòng)加速、勻速運(yùn)行和減速制動(dòng)3個(gè)階段。當(dāng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)加速時(shí),電機(jī)啟動(dòng)輸出扭矩,換向閥至右位、開(kāi)關(guān)閥1開(kāi)通,高壓蓄能器釋放能量為馬達(dá)提供動(dòng)力,給電機(jī)提供扭矩補(bǔ)償;當(dāng)回轉(zhuǎn)體達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)速且保持正轉(zhuǎn)勻速運(yùn)行時(shí),換向閥至中位、開(kāi)關(guān)閥3開(kāi)通,馬達(dá)處于隨動(dòng)狀態(tài),電機(jī)輸出扭矩減小,回轉(zhuǎn)體保持勻速運(yùn)動(dòng);當(dāng)回轉(zhuǎn)體正轉(zhuǎn)減速制動(dòng)時(shí),換向閥至左位、開(kāi)關(guān)閥2開(kāi)通,回轉(zhuǎn)體慣性帶動(dòng)馬達(dá)將高壓油液儲(chǔ)存于高壓蓄能器,在制動(dòng)結(jié)束或蓄能器壓力達(dá)到限定壓力后,換向閥至中位,開(kāi)關(guān)閥2關(guān)閉?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)反轉(zhuǎn)工況與正轉(zhuǎn)工作原理基本相同。

2 控制策略

為了保證系統(tǒng)減速制動(dòng)動(dòng)能的順利回收再利用,且合理調(diào)節(jié)主輔動(dòng)力源的供給,并保證系統(tǒng)按照預(yù)期轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運(yùn)行,以控制信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速、蓄能器壓力為輸入信號(hào),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,提出了全周期工況識(shí)別速度控制策略。通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、液壓系統(tǒng)中換向閥和開(kāi)關(guān)閥的通斷,對(duì)主輔動(dòng)力源的能量供給進(jìn)行調(diào)控,滿足系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的需求,充分發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),具體控制策略如圖2所示。

圖2 全周期工況識(shí)別速度控制策略Fig.2 Full cycle condition identification speed control strategy diagram

系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)包括:工況識(shí)別控制、電氣控制和液壓控制。其中,工況識(shí)別控制是根據(jù)輸入控制信號(hào)、傳感器采集信息和外部狀態(tài)信息的反饋,確定系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行工況和目標(biāo)運(yùn)行工況,從而進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)行控制;電氣控制是電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行速度和調(diào)節(jié)自身電磁扭矩的輸出;液壓控制是液壓系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)能量的回收/釋放和回路補(bǔ)油的控制。

電氣和液壓混合驅(qū)動(dòng)本質(zhì)是電機(jī)和馬達(dá)輸出扭矩共同作用于回轉(zhuǎn)體。在回轉(zhuǎn)體啟動(dòng)加速時(shí),馬達(dá)最大限度地提供輔助扭矩補(bǔ)償,電機(jī)調(diào)節(jié)自身電磁扭矩的輸出,保證回轉(zhuǎn)體保持預(yù)期的加速度。在回轉(zhuǎn)體勻速運(yùn)行時(shí),馬達(dá)處于隨動(dòng)狀態(tài),電機(jī)控制運(yùn)行速度,使回轉(zhuǎn)體按照設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

判斷回轉(zhuǎn)平臺(tái)反饋數(shù)據(jù),回轉(zhuǎn)體角速度ωh和角加速度αh的相互關(guān)系為

(1)

當(dāng)ωhαh<0時(shí),回轉(zhuǎn)體處于減速制動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)閥和換向閥的通斷,高壓蓄能器回收馬達(dá)制動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為液壓能的高壓油液,運(yùn)用于下一階段系統(tǒng)的啟動(dòng)加速。在蓄能器壓力達(dá)到最高工作壓力或制動(dòng)結(jié)束后,停止制動(dòng)能量回收。若高壓蓄能器釋放能量后,壓力低于最低工作壓力,補(bǔ)油單元對(duì)蓄能器進(jìn)行補(bǔ)油。圖3為系統(tǒng)能量回收和釋放控制策略。

圖3 系統(tǒng)能量回收和釋放控制策略Fig.3 Energy recovery system and release control strategy

由于系統(tǒng)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)工況能量流基本相同,以正轉(zhuǎn)為例分析系統(tǒng)能量流,圖4為回轉(zhuǎn)系統(tǒng)正轉(zhuǎn)工作能量流示意圖。在啟動(dòng)加速階段,高壓蓄能器釋放高壓油液,供給馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)體,經(jīng)換向閥回到低壓蓄能器,同時(shí)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)體。在勻速運(yùn)行階段,驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)體,而馬達(dá)處于隨動(dòng)狀態(tài),液壓回路形成低壓閉式回路。在減速制動(dòng)階段,高壓蓄能器回收制動(dòng)形成的高壓油液,低壓蓄能器向液壓回路供油,電機(jī)處于隨動(dòng)狀態(tài)。

圖4 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)正轉(zhuǎn)工作能量流Fig.4 Forward working energy flow of large inertia swing system

3 系統(tǒng)建模與仿真分析

根據(jù)電液混合驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理和實(shí)際運(yùn)行工況,建立電液混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型,進(jìn)行仿真分析,為進(jìn)一步試驗(yàn)提供理論依據(jù)。

3.1 數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)作為系統(tǒng)主要?jiǎng)恿υ?輸出功率與扭矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系式為

(2)

式中Pe——電機(jī)輸出功率,kW

Te——電機(jī)輸出扭矩,N·m

ne——電機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min

ηe——電機(jī)機(jī)械效率,%

液壓馬達(dá)作為系統(tǒng)輔助動(dòng)力源,由回轉(zhuǎn)減速制動(dòng)儲(chǔ)存于蓄能器中的能量提供動(dòng)力。液壓馬達(dá)輸出扭矩模式為

(3)

式中Tm——馬達(dá)輸出扭矩,N·m

Δp——馬達(dá)進(jìn)出油口壓差,MPa

Vm——馬達(dá)排量,mL/r

ηm——馬達(dá)機(jī)械效率,%

系統(tǒng)中蓄能器采用氣囊式液壓蓄能器,預(yù)充壓力、最低壓力、最高壓力和回收/釋放能量方程為

(4)

式中p1——蓄能器最低工作壓力,MPa

p2——蓄能器最高工作壓力,MPa

V0——蓄能器容積,L

Eace——回收制動(dòng)能量,kJ

n0——?dú)怏w多變過(guò)程指數(shù),取1.4

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)是由電機(jī)和液壓馬達(dá)共同驅(qū)動(dòng),且受外界摩擦阻力矩影響,則系統(tǒng)力矩平衡方程為

(5)

式中ie——電機(jī)減速器減速比

im——液壓馬達(dá)減速器減速比

ic——回轉(zhuǎn)體減速比

Bh——回轉(zhuǎn)體摩擦因數(shù)

n——回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速,r/min

J——回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2

3.2 仿真分析

通過(guò)多學(xué)科聯(lián)合仿真軟件Simulation X,建立電液混合驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真模型,參數(shù)如表1所示。圖5為電液混合驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真模型,主要包括電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和大慣量回轉(zhuǎn)體。該模型模擬回轉(zhuǎn)系統(tǒng)特性,實(shí)現(xiàn)電機(jī)和液壓馬達(dá)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)體。

表1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真模型參數(shù)Tab.1 Swing system simulation model parameters

圖5 電液混合驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of electro-hydraulic hybrid drive swing system

圖6為回轉(zhuǎn)體動(dòng)態(tài)特性曲線。在輸入控制信號(hào)作用下,從初始啟動(dòng)加速到減速制動(dòng)停止,最大轉(zhuǎn)速為1 399 r/min,平均轉(zhuǎn)速約為1 348 r/min,最大位移轉(zhuǎn)角為623.1 rad,最大加速度為98 rad/s2。在1.9～3.5 s和10～11.5 s時(shí),回轉(zhuǎn)體正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)啟動(dòng)加速,在3.5～6 s和11.5～14 s時(shí),回轉(zhuǎn)體正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)勻速運(yùn)行,在6～8 s和14～16 s時(shí),回轉(zhuǎn)體正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)減速制動(dòng)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程,電液混驅(qū)回轉(zhuǎn)體運(yùn)行平穩(wěn),僅在啟動(dòng)加速臨近結(jié)束和勻速運(yùn)行初期有一定的振蕩。

圖6 回轉(zhuǎn)體動(dòng)態(tài)特性曲線Fig.6 Motion characteristic curve of swing body

圖7為馬達(dá)輸出扭矩和蓄能器壓力曲線。在啟動(dòng)加速階段,馬達(dá)最大輸出扭矩為284.9 N·m,蓄能器壓力由24.6 MPa降至22.3 MPa;在勻速運(yùn)動(dòng)階段,馬達(dá)處于隨動(dòng)狀態(tài),不輸出扭矩;在減速制動(dòng)階段,馬達(dá)回收制動(dòng)能量,形成較大反向扭矩,最大扭矩為293.1 N·m,蓄能器壓力升至24.5 MPa。

圖7 馬達(dá)輸出扭矩和蓄能器壓力曲線Fig.7 Motor output torque and accumulator pressure curve

由于電液混合驅(qū)動(dòng)大慣量回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的情況下,蓄能器回收/釋放能量占回轉(zhuǎn)體制動(dòng)動(dòng)能的比例(能量回收效率)不同,因此,運(yùn)用待定系數(shù)法對(duì)系統(tǒng)能量回收效率比較分析。

3.2.1不同轉(zhuǎn)速的回轉(zhuǎn)特性分析

當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為4.7 kg·m2,回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速分別為600、800、1 000、1 200、1 400 r/min,對(duì)馬達(dá)輸出扭矩、蓄能器壓力和輸出功率進(jìn)行分析。

如圖8所示,隨著回轉(zhuǎn)體設(shè)定轉(zhuǎn)速的不斷增大,馬達(dá)輸出扭矩不斷增大,不同速度對(duì)應(yīng)馬達(dá)輸出峰值扭矩分別為128.8、165.9、206.5、243.8、284.9 N·m。 同時(shí),隨著設(shè)定轉(zhuǎn)速的不斷變大,蓄能器工作壓差平均增大0.42 MPa,則蓄能器輸出功率增大,回收/釋放能量不斷增大。

圖8 不同轉(zhuǎn)速馬達(dá)輸出扭矩、蓄能器壓力和輸出功率曲線Fig.8 Motor output torque, accumulator pressure and output power curves with different speeds

對(duì)不同轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)動(dòng)能回收效率進(jìn)行比較分析,如表2所示,回收效率分別為40.5%、46.0%、52.6%、58.5%和65.9%。

表2 不同轉(zhuǎn)速的制動(dòng)動(dòng)能回收效率Tab.2 Braking energy recovery efficiency with different speeds

3.2.2不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的回轉(zhuǎn)特性分析

當(dāng)回轉(zhuǎn)體速度為1 400 r/min,回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為2.7、3.2、3.7、4.2、4.7 kg·m2,對(duì)馬達(dá)輸出扭矩、蓄能器壓力和輸出功率進(jìn)行分析。

如圖9所示,隨著設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的不斷增大,馬達(dá)輸出扭矩不斷增大,輸出峰值扭矩分別為:140.1、170.9、198.3、229.1、284.9 N·m。同時(shí),隨著設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大,蓄能器工作壓差平均增大0.22 MPa,則蓄能器輸出功率增大,回收/釋放能量不斷增大。

圖9 不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩、蓄能器壓力和輸出功率曲線Fig.9 Motor output torque, accumulator pressure and output power curves with different moment of inertia

對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的制動(dòng)動(dòng)能回收效率比較分析,如表3所示,回收效率分別為53.6%、55.9%、57.9%、60.5%和65.9%。

表3 不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的制動(dòng)動(dòng)能回收效率Tab.3 Braking energy recovery efficiency with different moment of inertia

由表2、3可知,隨著轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化,回轉(zhuǎn)制動(dòng)動(dòng)能回收效率為40.5%～65.9%。

4 試驗(yàn)系統(tǒng)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提系統(tǒng)的特性和能效,搭建電液混合驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。圖10為電液混合驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)原理圖,采用匯川ISMG1-30D15CD型永磁同步電機(jī),結(jié)合A6V80EP22FP2型回轉(zhuǎn)馬達(dá),以飛輪代替回轉(zhuǎn)體,電機(jī)和馬達(dá)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)體?；剞D(zhuǎn)體運(yùn)行轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 400 r/min,回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為4.7 kg·m2,高/低壓蓄能器容量分別為40 L。圖11為電液混合驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。

圖10 電液混合驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)原理圖Fig.10 Schematic of electro-hydraulic hybrid drive swing system test bench

圖11 電液混合驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)Fig.11 Electro-hydraulic hybrid drive swing system test bench

4.2 動(dòng)態(tài)特性

圖12為電液混合驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速、馬達(dá)輸出扭矩和蓄能器壓力曲線。由圖12a可知,在1.8～3.5 s正向啟動(dòng)加速和9.8～11.4 s反向啟動(dòng)加速階段,回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速試驗(yàn)比仿真快0.4 s;在3.5～6 s正向勻速和11.4～13.9 s反向勻速運(yùn)行階段,回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速試驗(yàn)較仿真有明顯的波動(dòng);在6～7.9 s正向減速制動(dòng)和13.9～16 s反向減速制動(dòng)階段,試驗(yàn)與仿真情況基本相同,僅在正向制動(dòng)臨近結(jié)束,轉(zhuǎn)速有一定程度的振蕩。

圖12 回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速、馬達(dá)輸出扭矩和蓄能器壓力曲線Fig.12 Speed of swing body, motor output torque and accumulator pressure curves

由圖12b、12c可知,在1.8～3.5 s正向啟動(dòng)加速和9.8～11.4 s反向啟動(dòng)加速階段,馬達(dá)輸出最大扭矩約為302.0 N·m,蓄能器釋放能量,蓄能器壓力逐漸減小;在3.5～6 s正向勻速和11.4～14 s反向勻速運(yùn)行階段,蓄能器停止放能,馬達(dá)不輸出扭矩;在6～8 s正向減速制動(dòng)和14～16 s反向減速制動(dòng)階段,蓄能器回收制動(dòng)動(dòng)能,馬達(dá)產(chǎn)生反向扭矩,最大扭矩為290.3 N·m,蓄能器工作壓力為22.1～24.6 MPa。從圖12可以看出,電液混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)曲線基本一致,證明所建立模型的準(zhǔn)確性。

上述工作過(guò)程中,蓄能器回收/釋放能量為63.4 kJ,回轉(zhuǎn)系統(tǒng)減速制動(dòng)動(dòng)能為99.8 kJ,系統(tǒng)制動(dòng)動(dòng)能回收效率為63.5%。

4.3 對(duì)比分析

為了進(jìn)一步分析系統(tǒng)特性,對(duì)所提出的電液混合驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與純電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)比較分析。圖13為純電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的原理圖和試驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)斷開(kāi)上述電液混合驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)中液壓馬達(dá)與回轉(zhuǎn)體的離合器,形成純電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。

圖13 純電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖和試驗(yàn)臺(tái)Fig.13 Principle of pure motor drive swing system and test bench

由于正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)工況基本相同,以正轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和功率進(jìn)行對(duì)比分析。圖14為電液混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與純電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)功率曲線。由圖14a 可知,在啟動(dòng)加速階段,電液混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)在馬達(dá)扭矩補(bǔ)償作用下,比純電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速提前1.2 s;勻速運(yùn)行狀況基本相同;在減速制動(dòng)階段,電液混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由馬達(dá)制動(dòng),并回收制動(dòng)能量,而純電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由制動(dòng)電阻進(jìn)行制動(dòng),響應(yīng)較快,導(dǎo)致電液混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比純電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)減速慢0.6 s。

圖14 電液混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與純電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)功率曲線Fig.14 Speed and motor power curves of electro-hydraulic hybrid drive system and pure motor drive system

由圖14b可知,對(duì)于電液混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),在啟動(dòng)加速階段,電機(jī)在馬達(dá)補(bǔ)償作用下,初期功率增長(zhǎng)緩慢,隨后快速增長(zhǎng),峰值功率達(dá)15.8 kW;在勻速運(yùn)行階段,電機(jī)輸出功率逐漸減小;在減速制動(dòng)過(guò)程中,電機(jī)不輸出功率,馬達(dá)回收制動(dòng)能量;對(duì)于純電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),在啟動(dòng)加速階段,電機(jī)的輸出功率隨著速度的增大而快速增大,最大輸出功率達(dá) 27.8 kW;在勻速運(yùn)行階段,電機(jī)輸出功率有適當(dāng)?shù)牟▌?dòng)并逐漸減小;在減速制動(dòng)階段,制動(dòng)電阻進(jìn)行制動(dòng)。

上述工作過(guò)程中,電液混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)平均輸出功率為6.8 kW,而純電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平均輸出功率為11.4 kW,顯著降低系統(tǒng)能耗40.8%。

5 結(jié)論

(1)電液混合驅(qū)動(dòng)大慣量回轉(zhuǎn)系統(tǒng),解決了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)節(jié)流損失大和制動(dòng)動(dòng)能浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題?；谥鬏o動(dòng)力源合理供給原則,設(shè)計(jì)全周期工況識(shí)別速度控制策略,對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性和制動(dòng)動(dòng)能回收效率進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明,隨著回轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化,制動(dòng)動(dòng)能回收效率為40.5%～65.9%。

(2)通過(guò)建立回轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺(tái),將電液混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與純電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比。結(jié)果表明,電液混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)加速時(shí)間減少1.2 s,制動(dòng)動(dòng)能高效回收效率為63.5%,顯著降低系統(tǒng)能耗40.8%,使回轉(zhuǎn)系統(tǒng)更加平穩(wěn)地運(yùn)行。