基于LUDV系統純電驅液壓挖掘機能耗特性分析

， 　， 　(太原理工大學 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點試驗室, 山西 太原　030024)

引言

液壓挖掘機作為重要的工程機械，廣泛應用于建筑施工，橋梁建設，道路施工等各類施工場所。但是由于工作環境惡劣，負載波動大等因素，現有控制方式存在燃油消耗大、排放嚴重等問題，在嚴峻的國際能源危機背景下，其節能性越來越受關注。為此，國內外的學者和制造企業紛紛提出多種類型的節能系統方案開展研究,研究工作的重點可分為兩個方面，其一是通過功率匹配降低系統能耗，包括發動機與液壓泵之間的功率匹配，液壓泵與負載之間的功率匹配，發動機與機器工況的功率匹配，文獻[1，2]從提高元器件效率、降低多執行器液壓系統能耗的電液控制技術、能量回收再利用、動力匹配和混合動力技術方面，介紹了提高工程機械能量利用率的主要技術現狀和新的研究成果，并分析了各自的優缺點。文獻[3]提出了一種電液負載敏感系統，系統采用高速開關閥控制壓力電閉環比例泵，通過比例壓力閥改變壓差補償器的補償壓差，實現抗飽和流量的流量分配控制。文獻[4]研究了發動機-泵和泵-負載兩個環節功率匹配的原理與方法，并解決了這兩個環節之間協調匹配的問題。文獻[5]通過對發動機與液壓泵工作點的優化及匹配，降低燃油消耗17%。另一個研究熱點是混合動力技術，文獻[6]研究了動力源混合度對整機動力性能與燃油效率的影響，提出了一種基于混合度方法的動力源最佳匹配方法。文獻[7]對傳統液壓挖掘機、油電混合動力和油液混合動力3種系統回轉機構進行對比分析，結果表明油電混合動力和油液混合動力的回轉機構在動態響應方面以及節能方面均有很大提高。但是混合動力系統結構復雜，能量轉換環節多，能量轉化效率降低，并且只能使發動機工作在相對高效率的區域，其效率的提升幅度非常有限。

采用功率匹配與混合動力技術的液壓挖掘機，噪聲大、污染嚴重，不適合城市、醫院、學校以及一些相對封閉場所的作業。電動液壓挖掘機應運而生，并且成為液壓挖掘機新的研究方向，在2012年法國巴黎召開的INTERMAT展會中，多生產制造公司展出自己的電動挖掘機，如發動機+電動機的雙動力挖掘機，采用智能功率匹配的SWEROB純電動液壓挖掘機[8]。

本研究中，新的系統方案是在傳統LUDV液壓系統基礎上，采用變頻電動機取代內燃發動機作為動力源，設計了相應的控制方法，通過改變電機的轉速和調節液壓泵的排量，降低了整機的能耗，綠色環保。

1　電動液壓挖掘機原理與控制方法

1.1　工作原理

基于試驗室現有的6 t機型，提出的電動液壓挖掘機液壓系統控制原理如圖1所示。變頻電動機為液壓系統提供動力，采用電纜或蓄電池進行供電。系統由單個負載敏感液壓泵提供動力，并集成有壓力切斷和恒功率控制功能，為了能夠精確的實現復合動作，液壓閥采用抗流量飽和負載敏感控制原理，可不受負載變化影響，根據控制閥的開口面積分配提供各執行元件的流量，并在控制流量大于液壓泵流量的情況下，按比例降低供給各執行器的流量，即抗流量飽和功能，原理如圖2所示，多路閥的單聯工作原理可以用圖中的三位三通閥與三位六通換向閥說明，三位三通閥一方面用來獲取最高負載壓力反饋到負載敏感泵，一方面用于壓力補償，保證閥節流口兩端壓差恒定；三位六通閥用于節流與油路的換向。

圖1　電動液壓系統控制原理

圖2　LUDV系統液壓控制原理

1.2　控制方法

液壓泵輸出流量：

Qp=nq

(1)

式中，n為電動機的轉速；q為液壓泵的排量。

通常情況下，變頻電機的效率隨著轉速n的降低而降低[9]，液壓泵的效率隨著排量q的減小而降低[10]。當液壓泵輸出流量Qp為定值時，電動機轉速n與液壓泵的排量q成反比。因此，液壓泵的效率提高/降低對應著電動機的效率降低/提高，這構成了一對矛盾。

為使電動機盡可能工作在高的效率區，制定電動液壓挖掘機的控制策略如圖3所示。采用變轉速與變排量復合控制來實現液壓泵與液壓系統功率的匹配，液壓系統最大負載壓力pLmax控制負載敏感泵的排量，使得液壓泵出口壓力比液壓系統最大負載壓力pLmax高一個恒定值。變頻電機的控制目標是泵的排量，當泵的排量小于“泵排量目標值”時，降低轉速；當泵的排量大于“泵排量目標值”時，提高轉速，從而使得泵的排量盡可能趨近“泵排量目標值”。因此，在控制過程中液壓泵的排量與電機的轉速處于不斷變化之中，其變化過程參見圖6b、圖7b中曲線。

圖3　電動液壓挖掘機的控制關系框圖

2　液壓挖掘機聯合仿真模型

為了分析電動液壓挖掘機的能耗特性，首先在SimulationX仿真軟件中建立了液壓系統以及機械結構的仿真模型，在此基礎上，結合變頻電機的模型，建立了電動液壓挖掘機的聯合仿真模型。

2.1　液壓系統與機械系統建模

1) 液壓系統模型

挖掘機液壓系統主要組成部分：負載敏感泵、LUDV多路閥以及液壓執行元件。負載敏感泵可以實現液壓泵與液壓系統的功率匹配，根據負載敏感泵的工作原理，利用SimulationX軟件中函數模塊與雙向變量泵模塊建立出其仿真模型。LUDV多路閥實現流量的精確控制，用三坐標測量儀測繪出閥芯節流槽的幾何尺寸，計算出閥芯位移與過流面積的函數，采用SimulationX軟件中函數模塊與節流邊模塊建立其仿真模型，詳細建模過程參考文獻[11]。液壓執行元件是用于驅動工作裝置工作的液壓缸與液壓馬達，利用SimulationX軟件中液壓缸及液壓馬達模塊建立其仿真模型。在此基礎上，以實驗室現有的6 t機型為研究對象，用SimulationX軟件建立其液壓系統的仿真模型，并設置模型的相關參數。

2) 機械系統模型

測繪出液壓挖掘機的外形尺寸，用Pro/E構建出挖掘機的三維模型，然后利用接口模塊將三維模型導入到SimulationX中，并用連接副將各個零件裝配起來。模型考慮了挖掘阻力以及鏟斗中土壤重力的影響。

2.2　變頻電機模型

電動機采用YVF2 225S-4型變頻電動機，額定功率為37 kW。利用SimulationX軟件中的電機模塊建立電動機的模型，并根據實際電機設置模型的相關參數；電機配備相匹配的變頻器，其采用矢量控制方式，利用軟件中的矢量控制等模塊建立其仿真模型，并設置相關的參數。在此基礎上，將變頻電機模型與液壓系統、機械結構模型連接在一起，建立電動液壓挖掘機機電液一體化的聯合仿真模型及其試驗平臺，如圖4所示。

圖4　電動液壓挖掘機聯合仿真模型及試驗平臺

3　電動液壓挖掘機能耗分析

3.1　挖掘裝載作業

挖掘機的作業具有明顯的周期性，其挖掘裝載作業為：挖掘——滿斗舉升、回轉——卸載——空斗回轉、動臂下降。試驗測試挖掘裝載作業中動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸的位移以及回轉角度曲線如圖5所示，以下所有仿真模型中執行機構的運行曲線與此相同，使得彼此之間具有可比性。

圖5　挖掘裝載作業

3.2　能耗特性分析

如1.2中所述，為了降低電動液壓挖掘機的能耗，需要合理的選擇液壓泵的排量，下面對液壓泵排量目標值分別為0.9、0.7、0.5三種情況下電動液壓挖掘機的能耗進行對比分析。

電機的效率為輸出功率與輸入功率的比值。圖6為電動液壓挖掘機在三種不同“泵排量目標值”液壓泵效率、排量仿真曲線。從圖中可以看出，泵排量設置定值由0.9減小為0.7再減小為0.5時，液壓泵的排量依次降低，其效率也隨之降低,但是降低的幅度不大。目標值”由0.9變為0.7時，電機轉速隨之小幅度升高，電機效率的平均值提高了12.3%；當“泵排量目標值”由0.9減小為0.5時，電機轉速隨之大幅提高，電機效率的平均值提高了38%。

圖6　不同“泵排量目標值”液壓泵效率、排量仿真曲線

圖7為電動液壓挖掘機在三種不同“泵排量目標值”電機效率、轉速仿真曲線，從圖中看出，當“泵排量

圖7　不同“泵排量目標值”電機效率、轉速仿真曲線

對電機電功率曲線進行積分，并進一步計算可得不同“泵排量目標值”電動機耗電量，如表1所示，與“泵排量目標值”0.9相比，“泵排量目標值”0.7時電機消耗電能減少13.9%，“泵排量目標值”0.5時電機消耗電能減少23.7%。

表1　不同“泵排量目標值”電動機耗電量

進一步的研究表明，當“泵排量目標值”減小為0.3時，電機耗電量不會隨著“泵排量目標值”的減小而降低，耗電量達到最小值，即0.3為“泵排量目標值”的最優值。

4　結論

(1) 電動液壓挖掘機采用變轉速與變排量復合控制方式，通過改變電機的轉速，使得液壓泵的實際排量盡可能趨近“泵排量目標值”，證明了控制方法的有效性；

(2) 在挖掘裝載作業循環中，電動液壓挖掘機隨著“泵排量目標值”的減小，耗電量逐漸降低，但是當“泵排量目標值”減小到某個值時，耗電量不會隨著“泵排量目標值”的減小而降低，耗電量達到最小值。

參考文獻：

[1]權龍，高有山，程珩.提高工程機械能量利用率的技術現狀及新進展[J].液壓與氣動,2013,(4)：1-9.

[2]權龍.工程機械多執行器電液控制技術研究現狀及最新進展[J].液壓氣動與密封,2010,(1):40-46.

[3]Ken Ichiryu, Madami Ochiai, Tshkada Toyooka. Simulation Study on Load Sensing Dynamics on Hydraulic Excavator[C]//Proceedings of the 2th JHPS Int.Tokyo: Symposium on Fluid Power,1993:477-482.

[4]彭天好，楊華勇，傅新.液壓挖掘機全局功率匹配與協調控制[J].機械工程學報,2001,37(11):50-53.

[5]WILLIAMSON C and IVANTYSYNOVA M. Power Optimization for Multi-actuator Pump-control Systems[C]//Proceedings of the 7th International Fluid Power Conference,Aachen,Germany,2010:139-154.

[6]王冬云，潘雙夏，林瀟,等.并聯混合動力挖掘機動力源匹配方法研究[J].浙江大學學報(工學版),2009,43(10):1783-1788.

[7]吳文海，柯堅，劉桓龍,等.混合動力挖掘機節能系統[J].西南交通大學學報,2013,48(6):1110-1115.

[8]趙喻明，張大慶，劉心昊,等.從INTERMAT2012看電動技術在小型挖掘機中的應用[J].建設機械技術與管理,2012，(5):56-58.

[9]黎英，時維國.變頻調速電機的運行效率及節能控制研究[J].電氣傳動自動化,1999,21(1):21-25.

[10]呂愛玲，姜友山，鄒廣德,等.全液壓推土機液壓驅動系統變量泵效率研究[J].農業裝備與車輛工程,2010,(5):11-14.

[11]葛磊，趙虎，權龍.基于SimulationX的多路閥負載補償閥建模分析[J].液壓與氣動,2013,(10):11-14.