液压挖掘机工作装置节能系统设计与仿真研究

【摘要】：随着挖掘机使用量的不断增多，各种因挖掘机而产生的问题也随之而来，其中挖掘机的高能耗、高污染是其中两大主要问题，目前，各挖掘机制造厂商和科研院所都在研究挖掘机的节能降耗措施，试图通过各种途径来解决这两大问题。 当下的主要研究成果有二次调节静液传动技术、混合动力技术、流量再生技术、液压节能控制系统技术、动臂势能回收技术等。 本文同过分析现有的动臂势能回收技术，提出了一种挖掘机工作装置势能回收再利用的挖掘机节能方案，此方案可以把动臂下降产生的势能转换为电能储存在超级电容中，待转台回转时释放，用于驱动转台的回转。 在此方案中，以保证转台旋转最佳转速和最佳旋转加速度为前提，根据超级电容荷电状态（SOC）调节回转比例溢流阀的调定压力，通过调定回转比例溢流阀的调定压力在回转电机和回转马达之间进行了转矩分配。 转台的驱动模式分为液压马达驱动和回转电机辅助驱动两种工作模式，根据超级电容的荷电状态（SOC）制定了两种种工况下的转换策略。 在动臂势能回收部分中，对动臂的下降速度进行了速度反馈控制，确保了动臂下降速度的恒定，提高了能量回收率并且降低了动臂下降末时的冲击。 最后以柳工CLG922LC型挖掘机为例，在simulatioX仿真环境下搭建了工作装置节能方案的仿真平台，研究了液压挖掘机在一个标准工作循环下的节能效果，仿真研究结果表明，在一标准周期内该系统在转台回转工况下可最大节省燃油3.98%。具有一定的节能效果。 【关键词】：液压挖掘机 动臂势能回收 动臂速度反馈控制 回转电机辅助驱动 simulationX
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU621
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-20
• 1.1 液压挖掘机节能研究的意义8
• 1.2 液压挖掘机节能技术发展概况8-18
• 1.2.1 基于元件工作性能的节能研究9
• 1.2.2 基于液压系统工作效率的节能研究9-11
• 1.2.3 基于动力源—负载功率匹配的节能研究11-14
• 1.2.4 基于混合动力的液压挖掘机节能研究14-16
• 1.2.5 基于势能动能回收再利用的节能研究16-18
• 1.3 课题的研究意义与研究内容18-19
• 1.3.1 课题的研究意义18-19
• 1.3.2 研究内容19
• 1.4 本章小结19-20
• 2 液压挖掘机工作循环与能量损失分析20-26
• 2.1 液压挖掘机工作循环分析20-21
• 2.2 液压挖掘机能量损失分析21-24
• 2.2.1 液压元件摩擦泄漏损失22
• 2.2.2 主控阀上的旁路节流损失22
• 2.2.3 动臂势能损失22-23
• 2.2.4 回转机构溢流损失23-24
• 2.3 本章小结24-26
• 3 挖掘机动臂与转台的动力学分析与能量损失计算26-39
• 3.1 动臂的动力学分析26-35
• 3.1.1 工作臂的坐标系及其参数的建立26-27
• 3.1.2 坐标系间的对应关系27-29
• 3.1.3 工作臂动能和势能的计算29-33
• 3.1.4 动力学方程的建立33-35
• 3.2 回转系统的动力学分析与能量损失计算35-37
• 3.3 本章小结37-39
• 4 液压挖掘机工作装置节能方案设计39-52
• 4.1 液压挖掘机工作装置节能系统的提出39-40
• 4.2 系统主要元件数学模型的建立40-44
• 4.2.1 动臂液压缸的数学建模40-41
• 4.2.2 液体连续性方程41-42
• 4.2.3 液压回收马达的数学建模42-43
• 4.2.4 回收电机的数学建模43
• 4.2.5 超级电容的数学建模43-44
• 4.3 动臂速度反馈控制策略44-47
• 4.4 回转部分的动力分配控制策略47-50
• 4.5 液压马达驱动与回转电机辅助驱动两种工作模式下的切换策略50-51
• 4.6 本章小结51-52
• 5 系统的仿真分析与研究52-66
• 5.1 simulationX 仿真软件简介52-53
• 5.2 基于 simulationX 的系统仿真模型53
• 5.3 系统中各元件的仿真模型介绍53-56
• 5.3.1 动力源部分模型建模原理54
• 5.3.2 动臂势能回收系统部分的建模原理54-55
• 5.3.3 能量回转再利用部分的建模原理55-56
• 5.4 势能回收部分能量回收率影响因素的仿真研究56
• 5.5 动臂速度反馈控制和动臂速度节流控制的仿真对比研究56-59
• 5.5.1 动臂速度节流控制方案的仿真研究56-58
• 5.5.2 动臂速度反馈控制方案仿真结果及分析58-59
• 5.6 基于 CLG922LC 型挖掘机一个标准工作循环下的仿真研究59-65
• 5.6.1 仿真参数设定60
• 5.6.2 系统仿真条件设定60-61
• 5.6.3 动臂能量回收部分仿真分析61-62
• 5.6.4 势能回转再利用部分仿真分析62-65
• 5.7 结论65
• 5.8 本章小结65-66
• 6 总结与展望66-68
• 6.1 工作总结66
• 6.2 研究展望66-68
• 致谢68-70
• 参考文献70-74
• 附录74

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