混合动力挖掘机势能回收系统的研究

论文摘要

随着社会的发展,挖掘机的数量大幅增长,其所消耗的资源、排放的污染物以及在施工中产生的噪声、粉尘对能源和环境产生了难以估计的负荷。因此,国内外各挖掘机生产厂家和研究机构在挖掘机的节能方面进行了不同程度的研究。节能的研究主要有两个方面:提高能量利用率和能量回收。前者可以通过电液比例控制智能化、柴油机电喷控制、负荷传感控制、泵的多功能组合和提升泵与发动机的智能化匹配程度等技术来实现,而这些技术中的许多已经相当的成熟,要想进一步提升会有不小的难度;后者在混合动力技术的大力发展及能量回收系统成功应用于汽车上,并较大幅度提高了其能量二次利用率的背景下,已经引起了世界上很多大的工程机械公司和研究机构的兴趣,其在挖掘机上的应用必将对节能幅度的提升产生不小的影响。本文以5吨级液压挖掘机为对象,针对目前挖掘机上存在的动臂、斗杆和铲斗下降后因势能无法回收而造成的能量损失以及由此而引起的液压元器件发热、失效加速磨损等问题,基于混合动力提出了一种由液压缸、节流阀、变量马达和发电机组成的挖掘机势能回收系统,并利用MATLAB软件中的Simulink建立了该系统的仿真模型,分析了各定量、变量参数和系统响应频率之间的关系,重点研究了各变量参数对系统的能量回收效率、能量回收速度、以及挖掘机工作效率的影响,并根据仿真结果及实际情况提出了对各个变量参数的一套控制方案,使该系统的回收效率尽可能地达到最大。论文主要分为以下几个部分:1、分析了液压挖掘机节能的重要意义,介绍了挖掘机上工作元件、液压系统和发动机—泵功率匹配等节能控制技术的发展情况,以及国内外各公司混合动力发展与应用和现有能量回收系统的原理与应用,同时提出了本文课题,说明了设计适合混合动力挖掘机的能量回收系统的必要性和可行性,并概述了本课题的研究内容和论文所进行的研究工作。2、利用D-H方法给混合动力挖掘机工作装置的动臂、斗杆和铲斗分别建立了各自的坐标系,并以此和他们之间的换算关系建立了该机构的运动学模型,最后利用拉格朗日方法推导出了其动力学理论模型。3、根据混合动力挖掘机自身的特点,设计出了完整的势能回收系统,并对该系统中液压部分的各个元件进行建模,以及这些模型之间的整合,推导出系统的传递函数,和系统的液压固有频率,根据分析出的变量及定量参数对该频率的影响,针对性地提出了几条提高系统响应速度的方法。4、根据第二章建立的动力学模型,仿真出各个液压缸所受的负载,并定性地判断出在工作装置下降后,每个液压缸所能获得的液压能的大小,略去较小部分,对大的进行回收。同时分析了各个参数对系统总能量回收效率的影响,并通过对仿真中回收情况的观察提出对参数的控制方法,使系统的回收效率尽可能地达到最大。5、概括了论文的主要研究工作和成果,并展望了今后的研究工作和方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1、引言
• 1.2、国内外挖掘机节能控制发展趋势
• 1.3、本文课题的提出
• 1.4、混合动力液压挖掘机节能研究现状
• 1.4.1 混合动力系统简介
• 1.4.2 混合动力系统在汽车和工程机械领域的应用概况
• 1.5、能量回收系统研究和应用概况
• 1.6、本文研究的主要内容
• 1.7 本章小结
• 第二章 工作装置负载模型研究
• 2.1 结构运动参数的设定和计算
• 2.1.1 结构运动参数的设定
• 2.1.2 不同坐标系间的坐标转换
• 2.1.3 液压缸长度与关节角之间的转换方程
• 2.2 动力学理论模型
• 2.2.1、计算各关节重心的速度
• 2.2.2、计算动能和势能
• 2.2.3、推导动力学方程
• 2.2.4、驱动力和力矩方程
• 2.3 本章小结
• 第三章 能量回收系统的设计及液压部分建模
• 3.1 能量回收系统方案设计
• 3.1.1 能量回收分析
• 3.1.2 能量回收系统设计
• 3.2 能量回收系统中液压部分模型的建立和分析
• 3.2.1 能量回收系统中液压部分模型的建立
• 3.2.2 系统液压固有频率分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 能量回收系统的控制、仿真及分析
• 4.1 动臂、斗杆、铲斗液压缸上的负载分析
• 4.2 能量回收控制方法
• 4.3 能量回收系统的仿真研究及分析
• 4.3.1 比例电磁节流阀b开口对回收系统的影响的仿真
• m对回收系统的影响的仿真'>4.3.2 变量马达排量D_m对回收系统的影响的仿真
• 4.3.3 比例电磁节流阀a开口对回收系统的影响的仿真
• 4.4 可变参数的控制
• 4.4.1 马达排量的控制
• 4.4.2 比例电磁节流阀a的控制
• 4.4.3 比例电磁节流阀b的控制
• 4.5 能量损失分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 研究工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作
• 致谢