基于混合动力与能量回收的液压挖掘机节能研究

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1、摘要摘要液压挖掘机由于其用量大、耗油高、排放差，已逐渐成为节能环保领域普遍关注的主要对象之一。因此，高效、节能一直是国内外液压挖掘机生产企业追求的主要目标。当前，液压挖掘机的节能研究主要包括如下三个方面：提高元件性能，改进液压系统和改善发动机一液压系统一负载的功率匹配。元件的改进对液压挖掘机系统效率的提高发挥了重大作用，但节能空间比较有限；液压系统效率较低，特别是主控阀消耗了大量能量，应作为节能研究的一个主要对象；功率匹配的目的在于充分利用发动机的输出能量，但由于发动机工作点的变化致使其自身效率低下，因此通过采用

2、混合动力驱动来改善发动机的工作条件是液压挖掘机节能的另一重要研究方向。论文以某20吨级双泵驱动液压挖掘机为对象，基于MATLAB系统的Simulink和SimMechanics建立了整机的仿真模型，分析研究了液压挖掘机的能量分配，从燃油消耗、元件装机功率和工作参数等方面对串、并联混合动力液压挖掘机进行了仿真评价，重点对以电容器为主要储能元件的并联式混合动力系统的控制方案和液压马达能量回收展开了深入的理论分析、仿真和试验研究，最后提出了集并联式混合动力、单独驱动、电机直接驱动回转和液压马达能量回收于一体的新型结构方

3、案，并对该方案进行了性能的综合分析和研究。各章内容分述如下：第一章论述了液压挖掘机节能研究的重要意义，介绍了液压挖掘机工作元件、液压系统以及发动机一液压泵功率匹配三方面节能研究的现状和发展历程，分析了各种节能方法的特点和存在的不足，提出了改进液压系统的工作方式和采用混合动力系统驱动作为液压挖掘机的节能方案，概述了本课题的研究内容及论文所进行的研究工作．第二章以国外某20吨级液压挖掘机为蓝本建立了数学模型，利用MATLAB系统所提供的Simulink和SimMechanics两个仿真模块建立了液压挖掘机的整机仿真模

4、型。对液压挖掘机能量流进行了分析研究，并对发动机的输出功率和主控阀能量损耗分配进行了仿真计算。研究结果表明，混合动力驱动和液压马达能量回收是液压挖掘机的两项比较有效的节能方案。第三章从燃油消耗、装机功率和系统实现三方面，对液压挖掘机的串联和并联混合动力系统进行了仿真对比，并对油耗和装机功率等指标进行了综合评价。仿真结果表明，并联式混合动力系统中发动机的油耗和各元件装机功率等方面的参数指标均优于串联式系统。第四章研究了以电容器作为主要储能元件的液压挖掘机并联式混合动力系统的定塑坚查兰堕±兰堡堡苎工作点控制策略。以液

5、压挖掘机动臂液压缸作为模拟对象，开展了电容器储能并联式混合动力系统基于定工作点控制的模拟试验研究。在此基础上，提出了双工作点控制方案，并对该方案进行了试验研究。第五章建立了液压马达能量回收系统的数学模型，分析了液压马达能量回收对系统动态响应的影响及改善措施。在并联式混合动力液压挖掘机的仿真模型的基础上，扩展了变量液压马达和定量液压马达能量回收系统，对可回收能量、燃油消耗和装机功率进行了仿真计算和对比分析，提出了以变量液压马达作为回收元件的系统方案。建立了液压马达能量回收试验台，分别从能量回收性能和操控性能两方面对

6、液压马达能量回收进行了试验研究。第六章提出了基于并联混合动力驱动和液压马达能量回收的全液压驱动的四泵方案和电动机直接驱动回转的三泵方案，并从系统的耗油量、耗油率、发动机的功率、发电／电动机的功率、回收发电机的功率、回转电动机的功率、电容器的充放电峰值功率、能量交换和SOC等方面对两种方案进行了分析研究及综合比较。在此基础上，提出了基于能量流程最短原则的机械能合流方案。仿真研究结果表明，该方案在所提出的所有方案中综合性能指标最好。第七章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。关键词：液压挖掘机

7、；混合动力；节能；液压马达能量回收：电容储能；进出口独立调节；电动机直接驱动回转；单独驱动IIABSTRACTHydraulicexcavatorsfixElhavebeenpaidmuchattentioninthefieldofenergysavingandenvironmentprotection,forthereasonoftheirlargeapplicationquantities，highfuelconsumptionandbademission．Sohi曲et{ieieneyandenergysa

8、vinghavebeenoneofthemainaimstobepursuedbyexcavatormanufacturers．Currently,theresearchesonenergysavingofhydraulicexcavatorsmainlyconcentrateinthreeaspects：improvingtheperformanceofworkingc