油液混合动力挖掘机压差补偿能量回收及动力控制研究

摘要

液压挖掘机作为国家建设发展中的重要工程机械，其节能减排具有重要的经济意义和环保意义。常规的元件技术革新，液压系统改进在挖掘机上已经趋于成熟，而混合动力技术的深入研究为挖掘机上的节能减排提供了新的突破口。目前，汽车上的油电混合动力应用研究较为广泛，并且有了较为成熟的产品;挖掘机上的油电混合动力呈现蓬勃发展的研究热潮。而油液混合动力技术的研究在挖掘机这一重要工程机械上还较为稀缺，研究院所和高校都还未有大量的研究文献出现，而在公司层面也只有几家国际大型公司对此项技术进行了研究和试制，并且多数实施保密措施。总体而言，挖掘机上油液混合动力技术还处于起步阶段，研究成果较少。本文以液压挖掘机上油液混合动力技术的应用为核心，结合液压挖掘机工作过程中特有的能量回收过程，在油液混合动力复合模式，模型建立，参数匹配，整机控制方法上进行了相应的研究，并建立相应的实验平台进行验证。以期为进一步的深入研究和产品化做出一定的贡献。
　　本文的主要研究内容具体包含以下几方面:
　　1.在普通液压挖掘机的结构、工况基础上，比较了串联式、并联式、混联式等油液混合动力方案的优劣，选取了适宜挖掘机的并联式方案作为本文的油液混合动力的研究结构。通过对该复合模式的结构设计，利用低成本的回转马达代替高成本的二次元件来实现油液混合动力的功能。
　　2.设计了完全自动化的挖掘机势能和动能能量回收系统方案，并结合油液混合动力提出了压差补偿能量回收系统的原理和控制方法，克服了以往能量回收过程中较多的限制条件，提高了能量回收的能量利用率，减少了能量回收过程中的能量损失。
　　3.提出了针对油液混合动力系统的参数匹配方法。以蓄能器为核心，克服并联式油液混合动力复合模式中能量密度较低的缺陷，满足挖掘机正常工作的动力需求。
　　4.通过分析比较油电混合动力挖掘机上现有的控制策略，选用了适合于并联式油液混合动力系统的双转速工作点控制策略。在此基础上，提出变参数PID控制、负载预测以及发动机怠速切换相结合的方法来稳定单个工作点上的转速平稳，并通过遗传算法进一步提高整机的节能效果，获得了20％左右的燃油节省。
　　5.设计和搭建了多功能的油液混合动力实验平台，对上述的控制方法进行了验证和分析，同时为今后的油液混合动力节能研究提供了评判标准。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 液压挖掘机节能控制研究

1．1．1．液压挖掘机节能研究意义

1．1．2．液压挖掘机能耗损失分析

1．1．3．液压挖掘机节能研究现状

1．2 油液混合动力技术研究进展

1．2．1 二次静液调节技术

1．2．2 车辆油液混合动力技术研究现状

1．2．3 液压挖掘机油液混合动力技术研究现状

1．3 课题的提出及研究内容

1．3．1 课题的提出

1．3．2 研究内容

2 混合动力挖掘机动力系统设计及数学模型研究

2．1 液压挖掘机结构及工况分析

2．1．1 液压挖掘机结构分析

2．1．2 液压挖掘机工况分析

2．2 混合动力复合模式研究

2．2．1 串联方案

2．2．2 并联方案

2．2．3 混联方案

2．2．4 混合动力方案对比研究

2．2．5 油液混合动力并联优化方案

2．3 混合动力挖掘机数学模型建立

2．3．1 发动机模型

2．3．2 蓄能器模型

2．3．3 辅助马达模型

2．3．4 负载模型

2．4 本章小结

3 混合动力挖掘机压差补偿能量回收系统结构设计

3．1 势能回收系统结构设计

3．1．1 势能能量损耗分析

3．1．2 势能回收系统设计

3．2 动能回收系统结构设计

3．2．1 动能能量损耗分析

3．2．2 动能回收系统设计

3．3 混合动力挖掘机压差补偿能量回收系统结构设计

3．3．1 压差补偿能量回收系统原理

3．3．2 液压缸前压差补偿能量回收系统结构

3．3．3 液压缸后压差补偿能量回收系统结构

3．4 压差补偿能量回收系统仿真实验分析

3．5 本章小结

4 并联式混合动力挖掘机系统参数匹配

4．1 并联式混合动力挖掘机参数匹配方法

4．1．1 并联式混合动力挖掘机参数匹配原则

4．1．2 并联式油液混合动力参数匹配核心

4．2 混合动力挖掘机关键元件匹配过程

4．2．1 发动机参数匹配

4．2．2 蓄能器参数匹配

4．2．3 辅助马达参数匹配

4．3 本章小结

5 并联式混合动力挖掘机整机控制策略研究

5．1 压差补偿能量回收控制策略

5．2 动力系统控制策略

5．2．1 油液混合动力控制策略现状

5．2．2 双工作点控制

5．2．3 负载扭矩预测优化

5．2．4 发动机怠速状态切换

5．3 整机综合控制策略

5．4 遗传算法优化

5．5 本章小结

6 压差补偿能量回收实验平台设计研究

6．1 压差补偿能量回收实验平台方案设计

6．2 实验数据分析

6．3 样机实验

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 论文总结

7．1．1 主要研究工作

7．1．2 主要创新性

7．2 展望

参考文献

作者简介