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1、動(dòng)臂能量回收是進(jìn)一步降低混合動(dòng)力挖掘機(jī)燃油消耗和廢氣排放的有效途徑,對(duì)改善挖掘機(jī)高能耗、高排放的現(xiàn)狀具有重要意義,相關(guān)研究還可為其它類型工程機(jī)械的能量回收提供一定的參考和借鑒。
對(duì)于混合動(dòng)力挖掘機(jī),能量回收的引入改變了動(dòng)臂作業(yè)的控制模式,如何同時(shí)保證良好的節(jié)能性和操作性是當(dāng)前制約該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。為了解決該難題,論文提出了一種新型的動(dòng)臂能量回收系統(tǒng)方案及工作原理:系統(tǒng)方案采用液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)能量回收單元加串流節(jié)流閥結(jié)構(gòu),在
2、工作原理上引入壓力補(bǔ)償?shù)乃枷?,即控制發(fā)電機(jī)使其電磁轉(zhuǎn)矩自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載壓力,一方面保證節(jié)流閥前后壓差恒定且較小,進(jìn)而調(diào)節(jié)其閥口開(kāi)度可有效控制動(dòng)臂運(yùn)動(dòng),另一方面由液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)單元對(duì)能量進(jìn)行回收再利用;根據(jù)矢量控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信息和節(jié)流閥流量-壓差映射關(guān)系對(duì)節(jié)流閥壓差進(jìn)行估計(jì),并應(yīng)用于基于壓差控制的動(dòng)臂能量回收系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了可降低成本及復(fù)雜性的無(wú)傳感器控制方案。此外,論文對(duì)影響能量回收系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件——液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)單元進(jìn)行了深入研究:針
3、對(duì)能量回收發(fā)電機(jī)尺寸約束下保持高效率及低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的性能要求,提出了通過(guò)參數(shù)化電磁設(shè)計(jì)模型和有限元分析對(duì)其定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分步協(xié)同優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法,兼顧了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性;分別在電氣和機(jī)械層面探討了液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)單元的控制,設(shè)計(jì)了反饋和前饋相結(jié)合的電流控制器和帶擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)速控制器,保證其在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速模式下均具有較為理想的動(dòng)態(tài)性能。論文提出的一整套動(dòng)臂能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制方法,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)臂操作性和能量的高效回收,有力地推動(dòng)了
4、動(dòng)臂能量回收系統(tǒng)在混合動(dòng)力挖掘機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。
論文各章內(nèi)容分述如下:
第一章,闡述了當(dāng)前能源緊缺、環(huán)境惡化背景下開(kāi)展挖掘機(jī)動(dòng)臂能量回收研究的重要意義;介紹了工程機(jī)械動(dòng)臂能量回收的研究現(xiàn)狀,分析了幾種能量回收方案的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題;針對(duì)適用于混合動(dòng)力挖掘機(jī)的電氣式能量回收系統(tǒng),介紹了液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)能量回收單元的元件選型,并綜述了永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和控制方法;最后提出了課題的主要研究?jī)?nèi)容。
第二章,從總體上對(duì)混
5、合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)臂能量回收系統(tǒng)進(jìn)行了研究。分析了系統(tǒng)作業(yè)工況特點(diǎn),歸納了系統(tǒng)主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo),包括節(jié)能性和操作性。提出了液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)能量回收單元加串聯(lián)節(jié)流閥的新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。建立了系統(tǒng)主要元器件的數(shù)學(xué)模型,分析了能量傳遞流中各個(gè)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的損耗,探討了系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題,為進(jìn)一步開(kāi)展元件級(jí)的研究打下了基礎(chǔ)。
第三章,對(duì)能量回收發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法展開(kāi)了研究。針對(duì)能量回收發(fā)電機(jī)尺寸約束下保持高效率及低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的性能要求,提出
6、了定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)分步優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法:先以結(jié)構(gòu)尺寸受限下的損耗最低為目標(biāo),基于參數(shù)化模型和粒子群算法獲得最優(yōu)的定子結(jié)構(gòu)參數(shù)和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布;再以氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的波形畸變最小為目標(biāo),利用有限元方法優(yōu)化永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù),并保證磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)際分布與定子優(yōu)化結(jié)果一致。分別對(duì)電樞反應(yīng)、永磁體最大去磁、間歇性作業(yè)下的溫升進(jìn)行了計(jì)算和校核。研制了能量回收發(fā)電機(jī)樣機(jī)并進(jìn)行了性能和參數(shù)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法的有效性。
第四章,研究了
7、液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)能量回收單元的控制。在電氣層面研究了永磁發(fā)電機(jī)的電流控制,為了降低反電動(dòng)勢(shì)的影響,設(shè)計(jì)了帶前饋補(bǔ)償?shù)谋壤?積分電流控制器;在機(jī)械層面研究了液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)單元的轉(zhuǎn)速控制,針對(duì)液壓馬達(dá)入口壓力變化劇烈的特點(diǎn),引入了擾動(dòng)補(bǔ)償以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。建立了相應(yīng)的仿真模型,對(duì)設(shè)計(jì)的控制方法進(jìn)行了仿真研究。搭建了基于模擬加載的試驗(yàn)臺(tái)架并進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)單元在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速模式均具有良好的控制性能,為進(jìn)一步
8、研究動(dòng)臂能量回收系統(tǒng)的控制方法提供了支撐。
第五章,研究了對(duì)動(dòng)臂操作性具有主導(dǎo)性影響的能量回收系統(tǒng)控制方法。結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)提出了三種控制方法:直接轉(zhuǎn)速控制,通過(guò)控制液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)單元的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)動(dòng)臂液壓缸速度,節(jié)流閥基本處于全開(kāi)狀態(tài);負(fù)載壓力控制,通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)動(dòng)臂液壓缸速度,根據(jù)負(fù)載壓力反饋確定單元的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩;節(jié)流閥壓差控制,也通過(guò)節(jié)流閥調(diào)速,但根據(jù)節(jié)流閥壓差閉環(huán)控制確定單元的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。推導(dǎo)了系統(tǒng)在各種方法下的傳遞函數(shù),
9、根據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的分析和比較,論證了節(jié)流閥壓差控制具有最優(yōu)的頻響和阻尼特性。搭建了混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)臂能量回收試驗(yàn)臺(tái)架并進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析。
第六章,進(jìn)一步深入研究了基于壓差控制方法的能量回收系統(tǒng)。通過(guò)與定差減壓型壓力補(bǔ)償器的類比,將能量回收的原理由動(dòng)臂下放過(guò)程擴(kuò)展到包括提升和下放的全過(guò)程,并分析了兩種工況的可回收能量。為了避免使用額外的壓差傳感器以降低系統(tǒng)成本及復(fù)雜性,提出了利用矢量控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信息和
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