油液混合动力挖掘机流量耦合式及扭矩耦合式动力系统研究

摘要

混合动力技术是实现挖掘机节能减排的有效途径，也是当前挖掘机节能研究的热点方向。其中油液混合动力因为其高功率密度、低成本等优势也开始受到国内外主机厂及研究机构的注意，但至今只有个别国外公司推出油液混合动力挖掘机，国内相关研究尚处于起步阶段。本文围绕油液混合动力挖掘机动力系统开展了结构设计、参数优化、控制策略、能量管理等方面的的研究，主要取得以下方面的进展:
　　1、设计了一种基于流量耦合结构的挖掘机多工作装置能量回收系统，实现了动臂下降与回转运行状态的自动判断，及动臂势能与回转制动动能的自动回收;实现了回收油液与主泵流量的耦合输出。
　　2、针对流量耦合式油液混合动力结构，提出一种以输出过程中能量损失最小及输出流量波动最小为控制目标的流量分配控制策略，实现了系统总输出流量与负载需求的匹配，辅助动力源与主动力源流量输出的自动分配，以及流量平稳输出。仿真与试验结果表明，采用该方法能解决系统总输出流量大幅振荡的问题，并提升节能效果约10％。
　　3、以集成了扭矩耦合式发动机效率优化与工作装置能量回收的复合式油液混合动力挖掘机系统为研究对象，基于最优控制动态规划法，提出扭矩耦合式油液混合动力挖掘机系统的动力参数优化设计方法。以油耗最小为控制目标进行了动力系统参数优化设计，进而进行了发动机效率优化与工作装置能量回收的节能性研究。
　　4、基于拉格朗日乘数法，提出了一种扭矩耦合式油液混合动力挖掘机系统的离线能量管理策略优化方法，进而提出了实时在线的能量优化管理策略，实现了对负载工况及蓄能器SOC的自适应控制。动态仿真结果验证了该方法能实时在线应用，同时能使复合式油液混合动力系统取得约20％的节能效果提升。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1 挖掘机节能研究背景与现状

1．1．1 挖掘机节能研究背景

1．1．2 挖掘机传统节能技术研究现状

1．2 混合动力挖掘机研究现状

1．2．1 油电混合动力挖掘机研究现状

1．2．2 油液混合动力技术简介

1．2．3 油液混合动力在汽车领域研究现状

1．2．4 油液混合动力在挖掘机领域研究现状

1．3 工作装置能量回收研究现状

1．3．1 动臂能量回收

1．3．2 回转能量回收

1．4 课题的提出及研究内容

1．4．1 现有研究的不足与课题的提出

1．4．2 研究内容

2．流量耦合式多工作装置能量回收系统设计研究

2．1 传统液压挖掘机系统与工况分析

2．1．1 传统液压挖掘机系统

2．1．2 液压系统工况分析

2．1．3 能量回收系统设计目标

2．2 多工作装置能量回收系统结构

2．2．1 动臂能量回收系统

2．2．2 回转能量回收系统

2．2．3 能量存储系统

2．2．4 流量耦合系统

2．3 系统建模

2．3．1 液压泵

2．3．2 动臂油缸

2．3．3 回转马达

2．3．4 蓄能器

2．4 参数匹配

2．4．1 蓄能器容积

2．4．2 蓄能器工作压力

2．5 小结

3．流量耦合式多工作装置能量回收系统控制策略研究

3．1 流量分配控制策略

3．1．1 控制系统结构建立

3．1．2 控制策略提出

3．2 控制策略分析与优化

3．2．1 元件动态性能分析

3．2．2 控制效果分析

3．2．3 优化规则提出

3．3 控制策略试验研究

3．3．1 试验平台介绍

3．3．2 试验结果分析

3．4 小结

4．扭矩耦合式油液混合动力系统优化设计研究

4．1 系统设计

4．1．1 发动机工况

4．1．2 复合式油液混合动力系统

4．1．3 系统建模

4．2 系统参数优化

4．2．1 最优控制问题定义

4．2．2 动态规划法

4．2．3 系统参数优化设计

4．3 系统节能性分析

4．4 小结

5．基于拉格朗日乘数法的扭矩耦合式油液混合动力系统能量管理策略研究

5．1 能量管理策略离线优化

5．1．1 分层式控制系统结构

5．1．2 拉格朗日乘数法应用

5．1．3 优化结果分析

5．2 在线能量优化管理策略

5．2．1 基于移动窗口法的修正

5．2．2 基于蓄能器SOC的自适应修正

5．3 能量管理策略节能对比分析

5．4 小结

6．总结与展望

6．1 主要研究成果

6．2 工作展望

参考文献

作者简介