基于CPR的混合動力挖掘機液壓節(jié)能系統(tǒng)及其控制研究.pdf

1、能源危機和環(huán)境污染現(xiàn)象的持續(xù)加重，已經逐漸成為制約人類社會健康發(fā)展的關鍵問題。尤其對于具有用量大、效率低、排放差特點的挖掘機，對其進行節(jié)能研究不但有利于緩解能源壓力、保護環(huán)境而且對其他類型的工程機械具備指導意義。由于液壓混合動力技術具備功率密度大、全充和全放能力強和可以回收能量的優(yōu)點，所以是最具產業(yè)化應用前景的先進技術之一。但迄今為止，對于液壓混合動力挖掘機的研究還大多局限于某個子回路，尤其缺少從宏觀上對于整機的系統(tǒng)設計以及所衍生出的能

2、量控制策略、執(zhí)行元件控制性能等問題的研究，導致這種技術的實際應用受到很大限制。本文以國家自然科學基金項目“節(jié)能型靜液傳動混合動力系統(tǒng)的理論基礎及相關技術研究”等為依托，以基于CPR的混合動力挖掘機液壓系統(tǒng)為研究對象，從整機液壓系統(tǒng)的分析設計到實際實施過程中的關鍵技術進行了全面深入的研究。
　　結合著國內外混合動力挖掘機的發(fā)展現(xiàn)狀，分別橫向比較了液壓混合動力和電動混合動力的特點以及縱向比較了采用各自技術的具體機型。選定基于CPR的液

3、壓混合動力技術作為深入研究對象，并綜述了該技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。提出切換控制的基于CPR的混合動力挖掘機液壓系統(tǒng)結構并闡述了工作原理。采用結合理論分析和關鍵元件單獨測試的方法建立了整機的數學模型，并對新系統(tǒng)中新增的元件提出了選型方法。通過動力學分析的方法對例如液壓缸摩擦系數以及機械臂轉動慣量等無法直接獲得但又對仿真分析具備較大影響的參數進行了機械臂單獨運動情況下的辨識分析，并利用機械臂復合工況試驗結果對其進行了驗證。然后，利用獲得的整機

4、參數，以標準工況下發(fā)動機油耗最小為優(yōu)化目標，利用離散動態(tài)規(guī)劃算法對挖掘機的關鍵元件參數進行了優(yōu)化匹配分析，從而降低了整機油耗。
　　通過對比量化分析了基于LUDV原理的原挖掘機和本文提出的新型液混挖掘機在相同工況下的能耗情況，結果表明新系統(tǒng)可節(jié)能37％，而且結合著新型液混挖掘機的能耗分布情況，提出了通過降低控制油路溢流壓力來進一步節(jié)能的方法。設計了適用于新型液混挖掘機的分層控制系統(tǒng)結構，明確了每層的任務并以中間層即控制策略設計為主

5、要研究內容，研制了三種具備工程實踐價值的基于規(guī)則的控制策略，其中可調單點準恒壓控制策略綜合效果最好。
　　針對提出的可降低油耗的控制策略可能降低執(zhí)行元件控制性能的問題，對控制油路的先導機構設計了增加積分項的前向補償的滑?？刂破?，能夠在降低控制油路壓力的前提下實現(xiàn)不損失控制性能的目的。對于新增的傳感器容易受到干擾的問題，尤其是首次引入的陀螺儀的抗干擾能力較差，開發(fā)了基于新型觀測器的速度控制系統(tǒng)，保證在傳感器非正常工作條件下仍能獲得較

6、好的控制性能。最后，針對液壓變壓器控制液壓缸系統(tǒng)具有耦合和強非線性問題，設計了結合動壓反饋和模糊控制的控制器，從而不需要關注系統(tǒng)模型的內部結構，提高了液壓缸速度控制的魯棒性。
　　本文最后進行了實機實驗和臺架模擬實驗。首先，對一臺基于LUDV原理的5t級挖掘機增加了數據采集系統(tǒng)，并進行了標準工況的測試，利用試驗數據進行了能耗分析，驗證所建模型的準確性。然后，采用發(fā)動機直接驅動液壓泵/馬達且以溢流閥模擬負載的方式對提出的增加積分項的