(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實驗室， 山西 太原 030024)

引言

液壓挖掘機是一種廣泛應用于各類土方作業(yè)的工程機械，具有功率密度大、動作靈活、可承受較大的振動與沖擊載荷等優(yōu)點?，F(xiàn)有液壓挖掘機采用柴油發(fā)動機驅(qū)動變量液壓泵作為動力源，并通過多路閥實現(xiàn)各執(zhí)行器的油路分配。為滿足挖掘機的短時大功率需求，一般按照所需峰值載荷配置柴油發(fā)動機，而液壓挖掘機在大部分時間內(nèi)工作在低負荷狀態(tài)，導致發(fā)動機長期工作在低效區(qū)域，特別是外部載荷變化較大時，內(nèi)燃機效率只有35%左右。此外，現(xiàn)有柴油機驅(qū)動液壓挖掘機存在噪聲大、排放污染嚴重等問題。因此，提高挖掘機動力源能效，減少廢氣排放與噪聲污染，對工程機械節(jié)能減排、綠色發(fā)展具有重要意義。

為提高液壓挖掘機動力源的能效，一些學者針對功率匹配技術、混合動力技術進行研究?？娗锷彽萚1-2]基于MATLAB/Simulink設計了轉(zhuǎn)速傳感變量控制系統(tǒng)，改善發(fā)動機與油泵的功率匹配，降低油耗。耿亞杰等[3]采用二次調(diào)節(jié)技術對負載功率進行平衡，使柴油機工作高效區(qū)。YANG Jing等[4]提出采用發(fā)動機停缸控制技術，提高發(fā)動機輕載工況下的負載率，使挖掘機每個工作循環(huán)的油耗降低約13%。在混合動力技術方面，管成等[5]提出一種功率差值補償式油液混合動力系統(tǒng)，改善了發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動，提高了燃油效率。崔寧等[6]針對采用蓄能器的并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，提出一種基于實時優(yōu)化力矩分配的多目標優(yōu)化控制策略，提高發(fā)動機能效，降低轉(zhuǎn)矩變化幅度。

然而，功率匹配技術和混合動力技術雖然能夠在一定程度上提高發(fā)動機能效，降低油耗和排放，但發(fā)動機作為動力源時，其燃油轉(zhuǎn)化率只有30%～40%[7]，且仍存在噪聲大、污染嚴重的問題。為此，純電驅(qū)液壓挖掘機因其具有的低噪聲、高能效等優(yōu)勢，逐漸成為液壓挖掘機新的發(fā)展方向。

目前，純電驅(qū)液壓挖掘機多采用定速電機與變量泵作為動力源，電機以額定轉(zhuǎn)速運行，在怠速和輕載工況，電動機和液壓泵都工作在低效區(qū)，能量浪費嚴重。為解決這一問題，一種方法是采用變速電機與定量泵驅(qū)動方案[8]，權龍等[9]申請了一項變轉(zhuǎn)速容積直驅(qū)純電液壓挖掘機驅(qū)動及能量回收系統(tǒng)的專利，減少系統(tǒng)節(jié)流損失，并提高挖掘機運行能效。梁濤等[10]提出一種伺服電機驅(qū)動定量泵的流量匹配控制系統(tǒng)，顯著降低了挖掘機能耗。另一種方法是采用變速電機與變量泵的驅(qū)動方案。

本研究基于LUDV系統(tǒng)(抗流量飽和負載敏感系統(tǒng))，采用變頻異步電機代替發(fā)動機作為動力源，提出一種基于“排量預值”的轉(zhuǎn)速排量復合控制模式，通過控制電機轉(zhuǎn)速，使變量泵排量盡可能保持在“排量預值”(指液壓泵實際排量的控制目標值)附近，液壓泵的高動態(tài)響應可以補償變頻異步電機響應速度的不足，當工作裝置靜止時，電機以最低轉(zhuǎn)速運行，降低挖掘機空載能耗。搭建了純電驅(qū)液壓挖掘機聯(lián)合仿真模型，針對動臂單動作及工作裝置復合動作工況進行仿真研究，對比分析不同驅(qū)動方案下液壓挖掘機能耗特性，并分析“排量預值”對純電驅(qū)液壓挖掘機能效的影響。

1 純電驅(qū)液壓挖掘機工作原理

圖1為純電驅(qū)液壓挖掘機原理圖，主要包括：電機控制系統(tǒng)、負載敏感泵、負載補償多路閥組、各執(zhí)行器油缸及液壓馬達等。具體來說，電機控制系統(tǒng)中的變頻電機及變頻器構成轉(zhuǎn)速可變的動力裝置，其外接電源為380 V交流電源。負載補償多路閥和負載敏感泵共同實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的抗流量飽和及多執(zhí)行器流量匹配功能。

將最高負載壓力pmax引入負載敏感泵的X油口，在負載敏感泵內(nèi)部各控制閥共同作用下，保證泵出口壓力ps始終高于最高負載壓力一定值，保證負載的輸出。負載補償多路閥不僅承擔著各執(zhí)行器的換向功能，而且還具有壓力補償功能，保證閥口兩端壓差Δp相等，使輸入不同的執(zhí)行器的流量完全由負載補償閥的開度決定，當系統(tǒng)流量需求大于液壓泵所能提供的最大流量時，能夠按照比例降低供給各執(zhí)行器的流量。

圖1 純電驅(qū)液壓挖掘機工作原理

2 轉(zhuǎn)速-排量復合控制模式

液壓泵的輸出流量q為：

q=nV

(1)

式中，n—— 電機轉(zhuǎn)速

V—— 液壓泵的排量

由式(1)可知，改變泵的轉(zhuǎn)速或排量均能改變泵的輸出流量。根據(jù)現(xiàn)有研究可知[11]，就電機的效率而言，當電機負載功率較大時，效率隨著轉(zhuǎn)速的提高而提高，而負載功率相對較小時，低速下的能效比高速下的能效高。就泵效率而言，當出口壓力一定時，輸出流量不變，則泵的容積效率可視為常數(shù)，而泵的機械效率隨排量的增加或轉(zhuǎn)速的降低而提高。液壓挖掘機在大多數(shù)情況下都工作在部分載荷工況，因此，要想使電機和液壓泵組成的電液動力源效率盡可能高，需要使液壓泵盡量工作在較大排量下。

同時，在電機和液壓泵共同驅(qū)動時涉及到“動態(tài)響應”問題，泵的響應速度比電機的響應速度快[12]。因此，通過將泵預期排量設置在一個相對較高的值，當挖掘機流量發(fā)生突變時，液壓泵的快速響應可以彌補電機響應不足，保證了系統(tǒng)的動態(tài)特性。

因此，提出一種基于“排量預值”的轉(zhuǎn)速排量復合控制模式，如圖2所示，通過對電機轉(zhuǎn)速的控制，使液壓泵排量維持在較大的“排量預值”附近。具體來說：輸入信號為“排量預值”，反饋信號為液壓泵的實際排量值，二者偏差通過PID控制器控制電機轉(zhuǎn)速，當液壓泵排量值小于“排量預值”時，變頻電機的轉(zhuǎn)速降低，液壓泵出油口壓力減小，在變量機構驅(qū)動下，液壓泵排量會增大，反之亦然。在這種控制模式下，一方面，液壓泵保持在較大排量下運行，提高效率；另一方面，液壓泵的高動態(tài)響應可以彌補變頻異步電機響應速度的不足。

3 聯(lián)合仿真模型的建立

以某型6 t液壓挖掘機為研究對象，搭建液壓挖掘機機電液聯(lián)合仿真模型。將挖掘機主要零部件導入SimulationX軟件中，按照與實際機器一致的約束關系進行裝配，構成挖掘機機械模型；基于LUDV系統(tǒng)原理搭建挖掘機液壓系統(tǒng)模型，并通過力約束將液壓系統(tǒng)與機械系統(tǒng)聯(lián)合起來；最后，通過柴油發(fā)動機萬有特性曲線與油耗特性參數(shù)搭建柴油發(fā)動機模型，并搭建變頻電機及控制系統(tǒng)模型，將其與負載敏感泵同軸連接，分別構成柴油機驅(qū)動和純電驅(qū)液壓挖掘機機電液聯(lián)合仿真模型，其中，發(fā)動機為YC4F60Z-T10柴油發(fā)動機。由于液壓挖掘機在不同工況下會有不同的擋位，在重載時設定額定轉(zhuǎn)速為2200 r/min，在輕載時設定額定轉(zhuǎn)速為1800 r/min；電機為變頻異步電機，其額定功率為37 kW，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min；為保證挖掘機性能不發(fā)生改變，發(fā)動機驅(qū)動時主泵額定排量為63 mL/r，電機驅(qū)動時主泵額定排量為71 mL/r。圖3為純電驅(qū)液壓挖掘機機電液聯(lián)合仿真模型。

圖2 基于“排量預值”的轉(zhuǎn)速排量復合控制模式圖

圖3 純電驅(qū)液壓挖掘機機電液聯(lián)合仿真模型

4 仿真及結果分析

利用所建立的液壓挖掘機仿真模型， 將動臂運行過程的仿真與試驗結果進行對比，以驗證所建立液壓挖掘機模型的準確性。在此基礎上， 針對動臂單動作(輕載工況)及工作裝置復合動作工況(即重載工況，指動臂-斗桿-鏟斗配合實現(xiàn)物料的挖掘-卸料-復位的過程)進行仿真研究，對傳統(tǒng)柴油機驅(qū)動、定速電機驅(qū)動和基于“排量預值”的轉(zhuǎn)速排量復合控制模式液壓挖掘機運行與能耗特性進行分析，并分析不同“排量預值”(指液壓泵排量預值與液壓泵最大排量的比值)對純電驅(qū)液壓挖掘機能效特性的影響。

4.1 液壓挖掘機模型驗證

為了驗證所建立液壓挖掘機仿真模型的準確性，將動臂運行過程中動臂缸位移與兩腔壓力的仿真與試驗結果進行對比，如圖4所示，動臂舉升過程中(0～4 s)，無桿腔壓力波動較大，且波動幅度隨著舉升過程的進行逐漸減小，這一載荷特點符合大多數(shù)的重載舉升系統(tǒng)。在4～7 s， 動臂位移的仿真與試驗曲線均恒定不變，但由于在試驗過程中，動臂液壓缸在此階段已達到最大位移，無桿腔達到系統(tǒng)最大壓力，而此階段動臂位移的仿真結果未達到最大位移，故此階段仿真與試驗結果的動臂缸無桿腔壓差較大。但綜合分析圖中曲線可知，動臂運行過程中的仿真與試驗結果十分接近，表明所建立液壓挖掘機聯(lián)合仿真模型的準確性較高[12]。

圖4 動臂運行過程仿真試驗結果對比

4.2 運行特性分析

圖5為動臂單動作時，采用傳統(tǒng)柴油機驅(qū)動、定速電機驅(qū)動和基于“排量預值”的轉(zhuǎn)速排量復合控制模式的液壓挖掘機各液壓缸位移曲線，從圖中可以看出，不同運行模式下具有相同的運行特性。圖6為復合動作工況時，各工作液壓缸位移曲線。

圖5 動臂單動作時動臂缸位移曲線

圖6 復合動作時各液壓缸位移曲線

圖7和圖8分別為動臂單動作和工作裝置復合動作工況時，采用不同驅(qū)動方案所對應的液壓泵排量。由圖7可知，動臂單動作工況時，由于傳統(tǒng)柴油機驅(qū)動和定速電機驅(qū)動模式的液壓泵轉(zhuǎn)速均為定值，因此，液壓泵排量在動臂舉升階段(2～6 s)相對于動臂下降階段(7～10.2 s)較大。采用轉(zhuǎn)速排量復合控制模式的液壓泵排量在動臂上升與下降階段均能達到目標值50 mL/r左右。不同控制模式下，在動臂靜止階段(0～2 s，10.2～12 s)，液壓泵排量均為最小值。由圖8可知，工作裝置復合動作工況，采用轉(zhuǎn)速排量復合控制模式，液壓泵排量在挖掘舉升與下降復位階段均能達到50 mL/r左右。而柴油機驅(qū)動和定速電機驅(qū)動模式的液壓泵排量較小， 排量值在挖掘舉升階段大于下降復位階段。在復合動作5, 7, 15, 19 s處，由于泵的響應速度優(yōu)于電機的響應速度，導致在流量發(fā)生突變時，泵排量出現(xiàn)明顯波動。

圖7 動臂單動作時液壓泵排量

圖8 復合動作時液壓泵排量

圖9和圖10分別為動臂單動作和工作裝置復合動作工況時，不同驅(qū)動方案下轉(zhuǎn)速變化曲線。由圖9、圖10可知，在定轉(zhuǎn)速控制模式下，柴油發(fā)動機重載、輕載與定速電機轉(zhuǎn)速分別為2200, 1800, 1500 r/min，而在轉(zhuǎn)速排量復合控制模式下，由于在動臂舉升與下降階段，液壓泵排量均為目標值50 mL/r，因此，在單動作工況下，變速電機轉(zhuǎn)速較小，動臂舉升階段的電機最大轉(zhuǎn)速為768 r/min，動臂下降階段電機最大轉(zhuǎn)速為462 r/min，而在動臂靜止階段電機轉(zhuǎn)速為最小值300 r/min。工作裝置復合動作工況時，由于在工作裝置復合動作工況的挖掘機流量需求較大， 變速電機的轉(zhuǎn)速較高，在挖掘階段與卸料階段中電機最高轉(zhuǎn)速分別為1580, 700 r/min。

圖9 動臂單動作時電機和發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線

圖10 復合動作時電機和發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線

4.3 能耗和成本對比

設挖掘機液壓系統(tǒng)的輸入功率為P1，液壓泵效率為η1，電機效率為η2，則純電驅(qū)液壓挖掘機運行過程中所需要輸入的電功率Pe為：

(2)

液壓挖掘機運行時間為t時，消耗的電能E1為：

(3)

根據(jù)發(fā)動機萬有特性數(shù)據(jù)計算，發(fā)動機油耗為：

(4)

式中，cice—— 發(fā)動機油耗率

M—— 發(fā)動機輸出扭矩

n—— 發(fā)動機轉(zhuǎn)速

E2=σmice

(5)

式中，σ—— 柴油燃燒值，一般取σ=4.3×107kg

E2—— 發(fā)動機的輸入能量

由于液壓挖掘機工況復雜，所以有不同的擋位適用于不同的載荷工況，這里設置挖掘機重載工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2200 r/min，輕載工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1800 r/min。

一方面，利用發(fā)動機外特性和燃油消耗率曲線，并結合式(4)和式(5)計算得出發(fā)動機能耗。另一方面，根據(jù)大量試驗仿真得出的電機效率曲線圖和泵效率曲線計算得出電機能耗，在此基礎上，將電機能耗和發(fā)動機能耗的單位進行統(tǒng)一，得到不同驅(qū)動方案下挖掘機1 h能耗對比情況，如表1所示，無論是動臂單動作工況，還是工作裝置復合動作工況，柴油發(fā)動機驅(qū)動方案能耗均為最大，變轉(zhuǎn)速驅(qū)動方案能耗最小。

表1 不同工況下各驅(qū)動方案1 h能耗對比 kW·h

在得到發(fā)動機油耗、電機能耗的基礎上，按照柴油費用6.2元/L、電費0.7元/(kW·h)進行計算，得到柴油發(fā)動機重載、輕載、定轉(zhuǎn)速電機和變轉(zhuǎn)速電機驅(qū)動方案下挖掘機循環(huán)工作1 h運行成本曲線，如圖11所示，左上放大圖為復合動作下，一個工作循環(huán)下不同驅(qū)動方案的運行成本。由圖可知，在重載工況下柴油發(fā)動機驅(qū)動方案每小時運行成本分別為15.41元，采用定速電機驅(qū)動方案每小時成本約為8.19元，轉(zhuǎn)速排量復合控制方案每小時運行成本約為4.83元。另計算得出在輕載工況下每小時柴油發(fā)動機、定轉(zhuǎn)速電機和變轉(zhuǎn)速電機方案成本分別為6.34， 3.36， 2.1元。綜上，與柴油發(fā)動機驅(qū)動和定轉(zhuǎn)速電機驅(qū)動方案相比，采用所設計轉(zhuǎn)速排量復合控制方法，可以分別節(jié)約成本約63%和38%。

圖11 復合動作時運行成本對比

4.4 “排量預值”對純電驅(qū)液壓挖掘機能效的影響

圖12為動臂單動作工況時，不同“排量預值”所對應的電機和泵的電機功率曲線。由圖可知，動臂單動作工況，隨著“排量預值”的增大，電機和液壓泵的總效率逐漸提高，電機功率逐漸減小。將電機功率曲線對時間積分，可得到不同“排量預值”所對應的電機運行成本，如表2所示，隨著“排量預值”的增大，電機每小時耗電量與電費成本逐漸降低；當“排量預值”為0.9時，電機每小時運行成本較“排量預值”為0.5時低0.57元。

圖12 動臂單動作時電機功率曲線

表2 動臂單動作工況的電機功耗指標

排量預值1 h耗電量/kW·h電費/元0.53.912.740.73.572.490.83.352.350.93.102.17

5 結論

(1) 純電驅(qū)液壓挖掘機采用基于“排量預值”的轉(zhuǎn)速-排量復合控制模式，可以通過控制電機轉(zhuǎn)速，使液壓泵排量保持在“排量預值附近”，并且與傳統(tǒng)液壓挖掘機相同的運行特性，能夠滿足作業(yè)要求；

(2) 與柴油發(fā)動機和定轉(zhuǎn)速電機驅(qū)動方案相比，采用基于“排量預值”的轉(zhuǎn)速排量復合控制模式，液壓挖掘機運行成本可以降低約63%和38%；

(3) 在一定范圍內(nèi)，隨著“排量預值”的增大，純電驅(qū)液壓挖掘機的電機效率逐漸提高，運行成本逐漸降低。