混合动力叉车门架动力学性能与势能回收关系研究

摘要

能源危机日益严峻，人们对工程机械节约能源的要求也日益提高。势能回收和利用被认为是解决工程机械节能问题的重要方案之一。如何提高势能回收的效率成为工程机械势能回收系统研究的关键问题。
　　本文以国家重点新产品计划项目为背景，在全面分析混合动力工程机械的研究现状、势能回收系统研究和应用概况的基础上，以混合动力叉车为对象，对叉车门架下降势能回收技术进行研究，分析了混合动力叉车门架动力学性能与势能回收效率之间的关系，提出了门架下降势能回收系统方案及控制策略，给出了叉车门架动态优化设计的基本原则。完成的主要研究工作和成果总结如下:
　　1)分析了传统电动叉车工作装置系统的组成及工作原理，指出了传统电动叉车工作装置系统存在的问题，基于电动叉车工作中的实测数据，研究了电动叉车工作装置系统势能回收的可行性及各执行机构可回收能量所占比例。
　　2)建立了混合动力叉车势能回收系统数学模型。利用建立的数学模型导出了混合动力叉车势能回收效率与叉车门架动力学性能参数及势能回收系统零部件参数之间的关系式。建立了基于AMESim和Virtual.lab Motion的混合动力叉车势能回收系统模型，对混合动力叉车势能回收系统进行仿真分析，验证了理论研究的正确性。
　　3)针对传统电动叉车工作装置系统存在的问题，提出基于双能量源、变转速容积调速的混合动力叉车势能回收系统方案，建立了基于双能量源、变转速容积调速势能回收系统的数学模型并完成了控制性能分析。设计了电机转速模糊PI控制系统及模糊控制器，提出了基于模糊理论的混合动力叉车势能回收系统控制策略。
　　4)提出了基于节流辅助调速和变转速容积调速复合控制的势能回收方案，分析了该方案的工作原理。建立了基于复合调速势能回收系统的数学模型，分析了其控制特性。对混合动力叉车势能回收系统的主要零部件进行了参数匹配设计，为样机的制造打下基础。分析了货叉工作模式的决策方式，提出了发电机转速动态修正控制规则，给出了一种基于节流调速和变转速容积调速复合调速的控制策略。
　　5)基于决定叉车门架动态性能的基本因素，针对叉车门架的结构特点，提出叉车门架动态优化设计的八条基本原则，对指导叉车门架结构设计具有实用价值。
　　6)利用研究成果制造样机，对样机进行试验研究。试验结论与仿真分析结果一致，验证了仿真模型的合理性及仿真结果的正确性。两种电动叉车（传统电动叉车及混合动力叉车）对比试验结果表明:混合动力叉车可延长工作时间11.6％，势能回收效果明显;混合动力叉车可以避免铅酸蓄电池组大电流放电，有效延长铅酸蓄电池组的使用寿命，降低电动叉车的使用成本。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 混合动力工程机械的研究现状

1．1．1 国外混合动力工程机械研究现状

1．1．2 国内混合动力工程机械研究现状

1．2 势能回收系统研究和应用概况

1．2．1 液压电梯势能回收系统研究概况

1．2．2 液压挖掘机势能回收系统研究概况

1．2．3 叉车势能回收系统研究概况

1．3 机械结构动态优化设计概述

1．3．1 优化设计

1．3．2 机械系统的动态性能

1．3．3 动态优化设计

1．4 课题研究的目的和意义

1．5 课题项目来源

1．6 本文的主要内容

2 电动叉车工作装置系统可回收能量分析

2．1 电动叉车工作装置系统

2．1．1 工作装置系统组成

2．1．2 工作装置系统工作原理

2．1．3 工作装置系统控制流程

2．2 电动叉车工作装置系统存在的问题

2．3 各执行机构的可回收能量分析

2．3．1 可回收能量的计算

2．3．2 各执行机构回收能量的意义

2．4 本章小结

3 混合动力叉车门架动力学性能与势能回收关系研究

3．1 引言

3．2 混合动力叉车势能回收系统数学模型

3．2．1 基本势能回收系统

3．2．2 叉车门架动力学模型

3．2．3 升降油缸力平衡方程

3．2．4 液压马达的力矩平衡方程

3．2．5 电机模型

3．2．6 势能回收效率数学模型

3．3 门架动力学性能与势能回收关系研究

3．4 仿真分析

3．4．1 概述

3．4．2 仿真模型建立

3．4．3 系统仿真分析

3．5 本章小结

4 基于变转速容积调速的势能回收系统研究

4．1 引言

4．2 基于变转速容积调速的势能回收系统

4．2．1 变转速容积调速势能回收系统方案

4．2．2 变转速容积调速势能回收系统工作原理

4．3 系统建模及控制特性分析

4．3．1 变转速容积调速势能回收系统数学模型

4．3．2 传统叉车货叉速度控制系统数学模型

4．3．3 控制特性分析

4．4 基于变转速容积调速的势能回收系统控制策略

4．4．1 电机转速模糊PI控制系统设计

4．4．2 模糊控制器设计

4．4．3 势能回收系统控制策略

4．5 控制性能仿真分析

4．5．1 仿真模型建立

4．5．2 控制性能仿真

4．6 本章小结

5 基于复合调速的势能回收系统研究

5．1 引言

5．2 基于复合调速的势能回收系统

5．2．1 复合调速的势能回收系统方案

5．2．2 复合调速势能回收系统工作原理

5．3 系统建模及控制特性分析

5．4 参数匹配设计

5．4．1 升降油缸参数

5．4．2 液压油泵／液压马达参数

5．4．3 电动机／发电机参数

5．4．4 超级电容器组参数

5．4．5 铅酸蓄电池组参数

5．5 控制策略

5．5．1 货叉工作模式

5．5．2 发电机和液压马达控制规则

5．5．3 比例节流阀控制规则

5．5．4 系统的控制流程

5．6 本章小结

6 叉车门架结构动态优化基本原则研究

6．1 引言

6．2 动态优化设计

6．2．1 结构优化设计的概念

6．2．2 动态优化设计常用建模方法

6．2．3 动态优化设计的数学模型

6．2．4 结构动力学分析的有限元方法

6．2．5 灵敏度分析

6．3 决定叉车门架动态性能的基本因素

6．3．1 模态柔度

6．3．2 能量分布

6．3．3 阻尼分配

6．4 叉车门架结构动态优化设计的基本原则

6．4．1 叉车门架各阶模态频率最高原则

6．4．2 叉车门架结构重心最低原则

6．4．3 叉车门架各阶频率均匀分布原则

6．4．4 叉车门架等刚度原则

6．4．5 叉车门架结构固有频率下低、上高原则

6．4．6 叉车门架固有频率避免与激励频率重合原则

6．4．7 叉车门架的主要受力方向与主刚度重合原则

6．4．8 叉车门架结构质心靠近约束原则

6．5 叉车门架动态优化设计

6．6 本章小结

7 混合动力叉车门势能回收系统试验研究

7．1 引言

7．2 试验对象及设备

7．3 势能回收效率的影响因素试验

7．3．1 试验方案

7．3．2 试验结果分析

7．4 混合动力叉车能量消耗试验

7．4．1 试验方案

7．4．2 试验结果分析

7．5 控制特性主观评价

7．5．1 主观评价方法

7．5．2 主观评价结果分析

7．6 本章小结

8 全文总结与展望

8．1 全文总结

8．2 本文创新点

8．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况