油液混合动力挖掘机建模与参数匹配仿真研究
谭贤文1, 胡波1, 方锦辉1, 王振兴2, 董永平2
1. 浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
2. 徐州徐工挖掘机械有限公司, 江苏 徐州 221004

作者简介:谭贤文(1992—),男,湖南邵阳人,硕士,主要从事工程机械节能控制技术研究。

摘要

为提高油液混合动力系统挖掘机的节油效果及操控性能,对某21 t油液混合动力挖掘机进行了参数匹配仿真研究。基于元件样本曲线及试验测试曲线,建立混合动力挖掘机数学模型和整机AMESim/Simulink联合仿真模型。根据动力源驱动结构、工作原理及负载特性,确定了释放策略。利用AMESim/Simulink联合仿真,分析不同辅助马达与蓄能器参数对燃油消耗量的影响,并依此确定系统匹配参数。仿真对比分析了参数匹配后的混合动力系统与原系统动臂油缸下降速度、发动机输出扭矩、燃油消耗量、燃油消耗率。结果表明,相对于原系统,节油率为12.5%,节油效果显著。

关键词: 油液混合动力; 挖掘机; 参数匹配; 蓄能器; 辅助马达
中图分类号:TH137 文献标志码:B 文章编号:1000-4858(2016)12-0046-08 doi: 10.11832/j.issn.1000-4858.2016.12.007
Modeling and Parameters Matching of Hydraulic Hybrid Excavator
TAN Xian-wen1, HU Bo1, FANG Jin-hui1, WANG Zhen-xing2, DONG Yong-ping2
1. State Key Laboratory of Fliud Power & Mechatronic Systems, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310027;
2. XCMG Excavator Machinery Co., Ltd., Xuzhou, Jiangsu 221004
Abstract

In order to improve the energy saving effect and manipulation performance of the hydraulic hybrid excavator, the simulation model of a 21 ton oil hydraulic hybrid excavators is built to do research on parameters matching. Based on the component sample curve and test curve, mathematical model and the AMESim/Simulink co-simulation model of the hydraulic hybrid excavator are established. According to the driving structure, working principle and load characteristic, the release strategy is determined. The influence of different auxiliary motors and accumulator parameters on the fuel consumption is analyzed and the parameters of the system are determined through AMESim/Simulink co-simulation model. After comparing and analyzing the differences of hybrid power system with matching parameter and original system, including arm cylinder decreased speed, engine output torque, fuel consumption, fuel consumption rate, the simulation results have shown that, compared with the original system, the hybrid system's fuel saving rate is 12.5%.

Key words: hydraulic hybrid; excavator; parameter matching; accumulator; auxiliary motor
引言

液压挖掘机作为使用最广泛的一类工程机械, 能耗高、排放量大, 其发动机输出能量利用率仅约为20%[1], 其余大部分以溢流或节流形式损失掉。借鉴混合动力技术在汽车行业上取得的优异表现, 回收这部分能量, 形成一个辅助动力源, 并与发动机共同驱动液压挖掘机工作, 形成一种混合动力技术, 为液压挖掘机的节能提供了一种新的方向[2, 3, 4, 5, 6]

混合动力根据辅助动力源的不同, 可分为油电混合(燃油+蓄电池混合)和油液混合(燃油+液压混合)[7]。油电混合采用超级电容或蓄电池作为储能器, 发电机/电动机作为能量转化器, 能量密度高, 在中小型客车上应用广泛; 但由于功率密度小, 能量转换环节多, 价格昂贵, 维修困难, 在挖掘机械、装载机械、起重机械等功率大, 启停频繁的工程机械上尚未大规模推广使用[8, 9]。油液混合采用液压蓄能器作为储能元件, 功率密度高, 液压泵/马达作为能量转化器, 具有能量转换环节少、维修简单、环境污染小、适应性好和价格低廉等优势, 已成为目前工程机械上普遍采用的混合动力技术[10]

本研究基于一种以蓄能器作为能量储存器, 回收动臂下降的重力势能, 以辅助马达作为能量转化器进行能量释放的21 t油液混合动力挖掘机, 根据混合动力系统的驱动结构、工作原理及负载特性, 对蓄能器及辅助马达等相关参数进行参数匹配仿真研究。

1 油液混合动力系统设计
1.1 原系统工作原理

液压挖掘机原系统动臂回路原理图如图1, 操作手柄为多路阀提供液控换向力, 从而实现动臂油缸的上升与下降, 多路阀的开口控制动臂下降速度。动臂下降过程中的重力势能除少部分转化为动臂运动势能外, 大部分能量经多路阀的节流作用以热能的形式损失掉[11]

图1 原系统动臂油缸回路原理图

1.2 原系统工况

图2是实测挖掘机原系统动臂下降单动作时动臂位移及各点压力曲线。

图2 挖掘机原系统测试曲线

从图2可以看出:动臂稳定下降时, 动臂油缸大腔的压力为14 MPa, 动臂油缸小腔的压力在6 MPa, 主泵2的压力在13 MPa, 动臂下降时间为3 s, 动臂油缸下降高度约为730 mm。

图3是实测挖掘机原系统连续挖掘时扭矩曲线, 从中可以看出:单个周期内发动机的扭矩呈现出初始阶段主泵处于恒功率状态时, 发动机的扭矩维持在500 N· m左右不变, 而后面约3 s的时间, 动臂空载下降, 扭矩小, 当发动机转速不变时, 主泵功率小。

图3 实测挖掘机原系统扭矩曲线

1.3 油液混合动力系统

油液混合动力系统工作原理如图4所示。

图4 混合动力系统示意图

当动臂下降时, 系统工作在能量回收状态, 此时电磁换向阀8和17通电, 左位工作, 动臂锁紧先导阀的控制腔经电磁换向阀17回油箱, 动臂锁紧先导阀工作在左位, 动臂锁紧主阀关闭, 动臂大腔的油不能从多路阀回油箱; 而由于电磁换向阀8开启, 能量回收阀的弹簧腔接油箱, 动臂大腔油液经单向阀15, 能量回收阀到蓄能器, 完成能量回收。当动臂上升时, 此时电磁换向阀8和17均关闭, 动臂锁紧主阀开启, 能量回收阀关闭, 主泵油液经多路阀、动臂锁紧主阀到动臂油缸大腔, 从而推动动臂上升。蓄能器的油液经过释放阀到辅助马达入口, 提供与发动机扭矩方向相同的扭矩, 共同驱动主泵, 减少发动机的扭矩; 当蓄能器无油液释放时, 辅助马达工作于零排量, 基本不消耗发动机扭矩, 设置单向阀5用于给辅助马达补油。截止阀用于系统长时间停机时, 可手动给蓄能器卸荷, 防止蓄能器长期憋压对蓄能器寿命产生影响; 溢流阀用于保护蓄能器, 防止蓄能器压力过高对蓄能器皮囊造成损坏。

2 混合动力系统建模
2.1 主泵

主泵选用K3V112DT液压泵, 原理图如图5所示。该泵是电控排量负流量恒功率液压泵, 可实现总功率控制、负流量控制及变功率控制, 由2个最大排量为112 mL/r的变量泵及1个排量为10 mL/r的定量泵组成, 其中动臂油缸下降是由主泵2驱动。

图5 K3V112DT液压泵原理图

由图5中可以看出, 单个泵的排量由负载压力pd(pd=(p1+p2)/2)、功率切换压力pf和负流量反馈压力pi共同决定。不考虑泵的结构的前提下, 单个变量泵的排量为[12]:

当主泵工作在恒功率状态时, 排量计算如式(1):

Vd=-0.22pd+107.98, 0pd20.67-4.5pf-5.29pd-22.8pf+212.7, 20.67-4.5pf<    pd< 31.67-4.5pf-2.01pd-8.06pf+108.95, 31.67-4.5pf   pd34.31

当主泵工作在负流量状态时, 排量计算如式(2)

Vi=-1.10pi+107.98, 0pi1.2-51.61pi+168.60, 1.2< pi< 2.9914.29, 2.99pi  (2)

当恒功率控制与负流量控制同时起作用时, 单个变量泵的排量为:

Vpump=min(Vd, Vi)(3)

2.2 发动机

中国环境保护部规定自2016年4月1日起, 停止制造、进口和销售装有第二阶段柴油机的非道路移动机械, 所有制造、进口和销售的非道路移动机械应装用符合该标准第三阶段要求的柴油机。发动机选用QSB6.7发动机, 满足国三排放要求, 它采用高压共轨燃油系统, 当整车控制器通过CAN总线向发动机ECU发送J1939协议的TSC1指令时, 可维持发动机的转速基本不变。当发动机转速一定时, 其他性能指标随负荷变化的关系, 称为发动机的负荷特性[13]。QSB6.7发动机在转速为1750 r/min下的负荷特性曲线如图6所示。

图6 QSB6.7发动机转速为1750 r/min下的负荷特性曲线

建立发动机的模型, 可通过查表插值法获取某个扭矩下的燃油消耗率。

发动机每秒燃油消耗量为:

Ge=gePe3600=geMen9549×36004

式中, Pe为发动机功率; n为发动机转速, 取n=1750 r/min。

2.3 动臂油缸

挖掘机有2个动臂油缸, 单个动臂油缸的参数如表1所示。

表1 动臂油缸参数

挖掘机工作时大部分时间动臂油缸的位移占总行程的60%的左右, 所以可回收油液体积为:

Vre=2×π4×1202×1220×60%=16.56L5

液压缸力平衡方程为[4]:

pDAD-pdAd=Mx¨+βx˙+F(x)(6)

式中, pD为动臂油缸大腔压力; pd为动臂油缸小腔压力; AD为动臂油缸大腔面积; Ad为动臂油缸小腔面积; M为负载质量; β 为动臂油缸活塞粘性阻尼系数; F(x)为动臂油缸所受的负载力; x为动臂油缸位移。

忽略动臂油缸外泄漏的影响, 其流量方程为:

QD=ADx˙+Cip(pD-pd)+VDβedpDdtQd=Adx˙+Cip(pD-pd)-Vdβedpddt7

式中, QD为流出油缸无杆腔的流量; Qd为流入油缸有杆腔的流量; Cip为油缸内泄漏系数; VD为油缸无杆腔体积; Vd为油缸有杆腔体积; β e为液压油有效体积弹性模量。

2.4 辅助马达

辅助马达扭矩:

Tmotor=pVmotor2πηm8

辅助马达流量:

Qmotor=nVmotorηv9

式中, p为辅助马达入口压力; Vmotor为辅助马达排量; η m为辅助马达机械效率; η m=0.94; η v为辅助马达容积效率, η v=0.95。

2.5 蓄能器

蓄能器的气体状态方程为:

p0V0γ=p1V1γ=p2V2γ=const(10)

式中, p0为气体预充气压力; V0为公称容积; p1为最低工作压力; V1为工作压力为p1时所对应气体体积; p2为最高工作压力; V2为工作压力为p2时所对应的气体体积; γ 为气体多变过程指数。

由于安装空间小, 采用皮囊式蓄能器, 其具有结构尺寸小, 质量小, 反应灵敏等优点。皮囊式蓄能器在达到最低工作压力时, 皮囊与菌形阀之间应存有少量油液, 防止蓄能器无油液时皮囊膨胀碰触菌形阀, 而引起皮囊损坏, 并尽可能地提高蓄能器的有效容积, 取蓄能器的预充气压力为:

p0=0.9p111

为不影响皮囊的弹性, 最高工作压力不能超过4倍的预充气压力, 即:

p2max=4p012

原系统动臂下降时, 动臂大腔的背压平均值为14 MPa, 小腔压力约为6 MPa, 为了防止能量回收时, 主阀开启瞬间动臂迅速下降, 操控性差, 限定回收时动臂大腔最小压力为11 MPa, 考虑到动臂油缸大腔到蓄能器之间经过了能量回收阀组及管道, 约产生0.5 MPa 的压力损失, 限定蓄能器的最低工作压力为10.5 MPa。

为了使动臂下降时间跟原系统相同, 即需满足动臂大腔平均压力跟原系统相同, 即需满足:

p1+p2=27MPa13

动臂油缸大腔出来的油液, 一部分经辅助马达释放掉, 剩余的部分回收到蓄能器, 所以蓄能器的有效容积Δ V需满足:

ΔV=V1-V2=Vre-nVmotort6000014

式中, Vre为可回收油液体积, Vre=16.56 L; t为动臂下降时间, t=3 s。

蓄能器公称容积:

V0=ΔV1p01γ1p11γ-1p21γ15

3 释放策略

释放节点的选择:释放节点有回收即释放(能量回收时立即释放)和回收后释放(能量回收后再释放)两种。能量回收后释放方案易与进行能量管理, 但由于回收时不释放, 会使得所需蓄能器的有效容积增大, 蓄能器公称容积增大, 成本增加的同时带来了安装的困难, 所以释放节点选择回收即释放。

功率匹配对象的选择:当蓄能器释放能量时, 主泵工作在恒功率状态下, 此时可认为泵的扭矩恒定, 令泵的扭矩为Tpump, 发动机的输出扭矩为Te, 辅助马达的输出扭矩为Tmotor, 则有:

Te=Tpump-Tmotor16

根据式(16), 可以以主泵为功率匹配对象, 主泵扭矩不变, 减小发动机扭矩; 或以发动机为功率匹配对象, 发动机扭矩不变, 增大主泵扭矩。由图6可以看出, 发动机的负荷特性随着输出扭矩的增加, 燃油消耗率相对减少。所以主泵为功率匹配对象时在降低了发动机输出扭矩的同时, 增加了发动机的燃油消耗率, 折损了部分节油效果, 但是以发动机为功率匹配对象需要增加主泵的功率, 即相同工作压力的情况下提高主泵排量, 这会使得操作特性与原系统不同; 而且在能量释放过程中需实时调节主泵的功率, 但泵响应时间长, 控制难度大。所以选择主泵为功率匹配对象。

释放方式的选择:释放方式有恒排量释放和恒扭矩(根据蓄能器压力实时调节辅助马达排量)释放两种。由于挖掘机挖掘过程中, 每次下降的位置不是恒定的, 而每个循环的时间根据地质工况、操作人员操作的熟练程度会有一定的影响, 所以无法确定一个最优的恒扭矩释放点; 而且恒扭矩释放会增加辅助马达的体积, 所以选择恒排量释放, 控制简单, 易于实现。

4 仿真分析
4.1 仿真模型

根据系统液压原理图与释放策略, 基于AMESim/Simulink联合仿真, 建立系统的AMESim液压模型如图7所示, Simulink控制模型如图8所示。

图7 系统AMESim液压模型

图8 Simulink控制模型

4.2 仿真参数

模型采用某21 t混合动力挖掘机模型进行仿真, 系统主要元件参数如表3所示。

表3 混合动力系统仿真参数
4.3 仿真条件

以动臂下降行程为60%总行程, 蓄能器最低压力为11 MPa, 发动机在非动臂下降时间内的扭矩为500 N· m 为主要参数进行仿真。考虑到蓄能器及辅助马达体积不能过大, 否则无法安装, 限定蓄能器的最大容积为120 L, 辅助马达最大排量为80 mL/r。由于发动机转速基本不变, 而主泵排量也不变, 所以能量释放对整机工作效率不影响, 即单个循环时间均为16 s。蓄能器所回收的油液需在一个周期内释放完, 则辅助马达最小排量为:

Vmin=16.561750×16=35.5mL/r17

根据辅助马达的排量, 依据式(14)即可确定蓄能器的有效容积, 根据蓄能器的最小工作压力, 由蓄能器公称容积式(11)式(13)、式(15)即可确定蓄能器的预充气压力、 最大工作压力及公称容积。改变不同的辅助马达排量及蓄能器的最小工作压力, 即可仿真得到为满足动臂下降时间相同所需的该组参数下蓄能器的公称容积, 及每循环16 s的燃油消耗量。

为便于仿真, 做如下假设:

(1) 不考虑蓄能器中油液的压缩效应, 即回收的油液体积等于释放的油液体积;

(2) 蓄能器充液及放液过程视为绝热过程, 取气体多变过程指数γ =1.4。

4.4 仿真结果

图9是在不同的辅助马达排量及不同的蓄能器最小工作压力下, 为保证能回收除辅助马达释放部分油液外的可回收油液, 并且满足操纵特性所需要的蓄能器公称容积。图中左上角白色区域是指蓄能器公称容积过大, 这部分的参数不合理。

图9 不同参数下的每循环燃油消耗量

图10是在不同的参数条件下, 每循环所需要的燃油消耗量。

图10 不同参数下所需的蓄能器公称容积

5 参数匹配

由于在较难挖掘工况下, 每循环工作时间变长, 此时蓄能器能量释放完, 辅助马达为空转, 为减少能量损失, 辅助马达需要以零排量工作, 所以辅助马达需选用两点式定量马达。结合图9和图10可以看出, 在满足能完全释放掉所回收油液的条件下, 马达排量在7580 mL/r每循环燃油消耗量较低, 为保证辅助马达排量有一定的富余, 查阅各厂家样本, 选用A6VM80EZ4电气两点式液压马达, 该马达排量为80 mL/r, 原理如图11所示。

图11 A6VM80EZ4电气两点式液压马达原理图

当辅助马达排量为80 mL/r的时候, 每循环燃油消耗量及蓄能器最小工作压力随蓄能器公称容积变化的曲线如图12所示。选定蓄能器公称容积为72 L, 可由3个公称容积为24 L的蓄能器组合而成, 便于安装。蓄能器最小工作压力为12.1 MPa, 充气压力为10.9 MPa。

图12 马达排量为80 cc/r时, 蓄能器公称容积变化影响曲线

6 匹配效果

参数匹配后, 分别仿真原系统与混合动力系统, 得出原系统与混合动力系统的动臂油缸下降速度、发动机扭矩、燃油消耗量及燃油消耗率的对比分别如图13a图13d所示。

图13 原系统与混合动力系统对比

从图13中可以看出:混合动力系统与原系统的动臂油缸下降速度变化不大, 说明混合动力系统与原系统操作性能相似; 混合动力系统的燃油消耗率比原系统高, 这是因为辅助马达只能给发动机减少扭矩, 而原系统发动机已经跟主泵进行过功率匹配, 发动机基本工作在最佳燃油经济区域, 而当发动机扭矩降低时, 发动机工作点远离发动机燃油经济区域, 使得燃油消耗率增加。

根据图13c可以看出, 原系统每循环燃油消耗量为74.06 g, 混合动力系统每循环燃油消耗量为64.83 g, 混合动力系统节油率为:

 ξ=fuel1-fuel2fuel1=12.5% (18)

式中, fuel1为原系统油耗; fuel2为混合动力系统油耗。

7 结论

通过某21 t油液混合动力液压挖掘机, 应用AMESim/Simulink仿真软件建立油液混合动力系统仿真模型, 基于回收即释放、以主泵为功率匹配对象、恒排量释放的释放策略, 仿真分析了辅助马达排量与蓄能器公称容积参数匹配对系统燃油消耗量的影响。确定了辅助马达排量、蓄能器公称容积及工作压力, 对比了参数匹配后混合动力系统与原系统动臂油缸下降速度、发动机输出扭矩、燃油消耗量、燃油消耗率, 混合动力系统较原系统的节油率为12.5%, 提高了挖掘机整机节能效果, 对油液混合动力挖掘机的参数匹配具有一定的参考意义。但是, 本研究仿真时未考虑温度对液压蓄能器效率的影响, 以及蓄能器、辅助马达、发动机、主泵等的动态响应, 由于挖掘机工作灵活, 复合动作也多, 也没考虑匹配后参数对系统复合动作的影响, 这将是液压挖掘机液压混合动力系统进一步研究的重点。

The authors have declared that no competing interests exist.

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