工程机械混合动力系统设计与仿真.pdf

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1、·现代设计与先进制造技术·敬奇锋张琦苏凡囤工程机械混合动力系统设计与仿真29工程机械混合动力系统设计与仿真敬奇锋，张琦，苏凡囤(解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京210007)摘要：阐述了工程机械混合动力系统设计原理，介绍了混合动力系统结构及设计方法，利用MATLAB／Simulink软件建立了整机动力学及发动机、电动机模型，并对传统动力系统和混合动力系统进行了仿真。仿真试验的对比结果表明，混合动力系统不仅能提高．y-作效率和降低燃油消耗，还可有效地减少环境污染，延长机械的使用寿命。关键词：混合动力系统；设计；仿真；工程机械；MAT／Simulink中图分类号：TH122

2、；TP319文献标识码：A文章编号：1672—1616(2010)05—0029—04近年来，节能控制技术在工程机械领域的研究1．2混合动力系统结构应用得到了较快的发展l】J，目前主要集中在负荷在不改变原动力驱动的基础上，根据功率、转传感控制、功率匹配智能化、可变参数控制、CAN速、转矩等性能参数进行匹配设计，增加一部交流总线技术等方面2。混合动力系统在保持原有动电动机作为电力驱动装置。电动机和发动机的输力驱动方式和性能特点的基础上，能有效地降低燃出端并行l4J与动力耦合系统输入端相连，动力耦油消耗、提高工作效率、减少环境污染，正受到越来合系统为机械作业、行驶提供动力，混合动

3、力系统越多的关注E3]。本文以某型履带式挖掘机作为研结构原理示意图如图1所示。燃油驱动保留了机究对象，分析了传统动力的燃油性能和工作效率，械操作方便、机动性强的特点；电力驱动不仅能满研究了混合动力驱动的结构原理与实现方法，建立足峰值负载功率的要求l5J，而且能实现输出功率了传统动力系统和混合动力系统模型，并进行了仿和转矩的均衡匹配。根据作业环境和工况不同，合真试验理选择动力驱动方式，可大幅提高工作效率，增强其对作业环境的适应性。1混合动力系统设计广圃I1．1传统动力系统及整机的性能分析某型履带式挖掘机的整机动力传递路径为：发一回动机产生机械能，一部分经过柱塞泵、齿轮泵转换成液

4、压能，经过液压缸、液压马达等装置，为机械作业提供动力。另一部分经过变速箱、驱动桥等装一固置，为机械行驶提供动力。整机及发动机性能参数J见表1。图l混合动力系统结构原理示意图表1整机及发动机性能参数(箭头为动力传递方向)性能指标参数值1．3动力耦合系统设计整机质量动力耦合系统由动力耦合器、动力切换装置、油门开度电液换向阀和控制电路等部分组成。发动机和电发动机额定功率动机分别与动力耦合器输入端相连，动力切换装置发动机额定转速驱动电液换向阀选择动力源，使燃油驱动和电力驱发动机额定转矩动2种模式能自由转换。收稿日期：2010一叭18作者简介：敬奇锋(1983一)，男，四川南部人，解放

5、军理工大学工程兵工程学院硕士研究生，主要研究方向为机械设计研究。2010年3月中国制造业信息化第39卷第5期动力耦合器可以采用行星齿轮式结构[6]，传M=—_M。0递结构简单紧凑、结合平顺性好、动力耦合效率较C。，高、传递扭矩大、易控制、造价低。发动机与动力耦合器的太阳轮相连，电动机与齿圈相连，行星架作2系统动力学模型为耦合器的动力输出端，混合动力传递示意图如图2．1传统动力系统整机模型2所示。太阳轮与行星轮转速比为，齿圈与行星工程机械动力学系统集人、机、环境于一体，作轮转速比为优，则动力耦合系统的油电动力传递业环境、驾驶员条件等都将对机械工作效率产生影比为72／m。响_8J

6、。整机包括驾驶员模型、发动机模型、变速箱模型、机体模型和环境模型5个部分，建立的传统动力系统整机模型如图3所示。驾驶员模型和环境模型为整机提供人工和环境干预参数，共同影响整机仿真结果。环境橙¨图2混合动力传递示意图1．4电力驱动源设计电力驱动源选择YX系列三相异步电动机。此类电动机主要用于长时间连续运行、负载率较高的场合，具有高效、节能、寿命长、噪声低、振动小、防护等级高、使用维护方便等优点[。a．电动机额定功率设计计算。电动机输出功率P与额定功率P满足P=P，动力耦合系统油电动力传递比为／m，电动机图3传统动力系统整机模型功率与原机内燃机功率P0满足P=·Po·2．2驾驶员

7、模型m／n，可得：驾驶员操作机械时，根据机械运行情况及状态P=。参数，对油门开度等操作作出决策。仿真模型以油门开度的时间序列向量表示：式中：为电动机效率；为发动机效率。P=(P1，P2，⋯，P)b．电动机额定转速尺的设计计算。其中时问序列P1，P2，⋯，P由初始条件和测试标电动机额定转速R与发动机额定转速尺。匹准确定，不同的油门开度向量P会生成不同的驾配关系满足Ro／R=／m，即：驶员模型，不同的模型对仿真结果会产生不同的影R=。响。c．电动机转矩M的设计计算。2．3发动机模型电动机最大转矩倍数丁一=M