摘要
液压挖掘机是一种高能耗、高排放的工程机械。随着各国施工项目的不断增多，液压挖掘机的用量也在逐年增加，因此，研究液压挖掘机的节能技术对减少常规能源消耗和改善环境具有重要的现实意义。液压挖掘机工作过程中，各机械臂的升降都比较频繁，而机械臂的下降速度主要是靠调节主阀节流口开度来控制，如果能将机械臂的下降势能进行回收并加以利用，可进一步提高液压挖掘机的整机节能效果。
目前，液压挖掘机机械臂势能回收技术的研究主要集中于液压开式回路能量回收系统的开发，其系统都存在一定程度的节流损失和旁通损失。本文结合863国家高技术研究发展计划项目“新型混合动力工程机械关键技术及系统开发”，根据液压挖掘机动臂的实际作业工况，对液压挖掘机动臂下降势能回收技术进行了深入系统的研究，并取得了如下创新性成果。
1.提出并设计了一种新型液压挖掘机动臂闭式回路势能回收系统。采用模糊PI自整定控制算法控制永磁无刷直流电动机，实现液压动力系统的变转速容积调速控制，使系统的输入功率与负载所需功率完全匹配，无节流损失和溢流损失，提高了能量回收系统的运行效率和节能效果。
2.基于闭式回路动臂势能回收系统的工作原理以及对系统各构成环节运动规律的分析，建立了系统的数学模型和仿真模型，提出了动臂势能回收系统的控制策略。通过仿真研究，对挖掘机动臂变负载（铲斗盛装不同重量负载）运行各工况下动臂液压缸活塞的运行速度、蓄能器压力及液压缸大小腔压力的变化特性进行了分析。
3.通过自主开发的闭式回路动臂势能回收系统试验平台对仿真结果进行了验证试验，并对其系统的运行效率及系统节能效果进行了综合评价，结果表明：所提出的闭式回路动臂势能回收系统运行稳定，与原车阀控动臂液压系统相比，运行效率较高，节能效果显著。
此外，本文还进行了以下研究工作：
1.对液压挖掘机各执行机构的可回收能量分布进行了分析。以某公司8吨级液压挖掘机为对象建立了各执行机构、液压系统及系统能量损耗模型，采用仿真和实验测试相结合的方法，对液压挖掘机工作过程中各执行机构的能量消耗情况和可回收能量所占比重进行了研究，为发掘系统的节能潜力和找到能量回收研究的主攻方向提供了理论依据。
2.基于闭式回路动臂势能回收系统的节能机理，对系统在不同工况运行时各动力元件之间的能量转换关系进行了分析，以8吨级液压挖掘机为设计对象，对闭式回路动臂势能回收系统的主要元件进行了参数匹配。
3.建立了永磁无刷直流电动机的数学模型，对电机的调速性能及抗干扰性能进行了仿真和试验研究，结果表明该方法具有较好的动态控制品质，比较适用于闭式回路动臂势能回收系统的变转速容积调速控制。
Hydraulic excavator is the construction machinery with high energy consumption andhigh emission. With increasing construction project in the world, the sales of Hydraulicexcavator are increasing year by year. Therefore, the study on energy-saving technology ofhydraulic excavators has important practical significance to reduce the consumption ofconventional energy sources and improve the environment. The manipulator movements ofHydraulic excavator are more frequent in the work process, and the gravitational potentialenergy of manipulator is dissipated into heat in the control valves when the manipulator goesdown. It can further improve the energy-saving effect if gravitational potential energy ofmanipulator can be recovered and reused.
At present，the study on manipulator potential energy recovery technology of Hydraulicexcavator focused on the development of energy recovery system with hydraulic open loop,which will lead to throttling losses and bypass losses. This Ph.D. dissertation is developedunder the project named “the key technology and system development of new hybridconstruction machinery (2009AA044403)” which is supported by National High TechnologyResearch and Development Program863. According to the actual operating conditions of thehydraulic excavator boom, this paper has made a deep and systematical research on boompotential energy recovery technology and some innovative contributions are enumerated asfollows.
1. Boom potential energy recovery system with closed circuit in hydraulic excavatorswas put forward, which control brushless dc motor using control algorithm of fuzzy PIauto-tuning to achieve volumetric speed control. It can achieve exactly power match betweensystem input power and load required power.
2. The mathematical models of Boom potential energy recovery system with closedcircuit were built on the basis of the system working principles, and control strategy ofsystem was proposed according to and the analysis on motion law of the constituent links. The changes characteristics of cylinder rod velocity, accumulator pressure and hydrauliccylinder pressure were analyzed via numerical simulation under variable load operatingconditions of boom.
3. The experiment bench was set up and the simulation results were verified by benchtest. The results showed that the simulation results were correct and the boom potentialenergy recovery system with closed circuit works steadily. Compared with the traditionalvale-controlled system of the hydraulic excavator, the system has higher operating efficiencyand higher energy saving.
Other researches are:
1.8-ton Hydraulic excavator model was built for multi-body dynamics, hydraulicsystem and system energy loss model. The regenerated energy of the boom, the arm, thebucket and swing were calculated in the typical working cycle and typical working cycleexperiment was carried out, which can provide theoretical basis to explore the energy-savingpotential of the system and find the main direction of the energy recovery research.
2. Energy exchange relation among very power element was analyzed on the basis ofenergy-saving mechanism of boom potential energy recovery system with closed circuit. Themain components parameter matching of boom potential energy recovery system was carriedout according to the parameter8-ton Hydraulic excavator.
3. Magnet brushless dc motor model was built and the speed adjusting performance andanti-jamming performance of Magnet brushless dc motor were analyzed via numericalsimulation. The results showed fuzzy PI auto-tuning controller has better dynamic controlquality, which applies to volumetric speed control of boom potential energy recovery systemwith closed circuit.
引文
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