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1、關于電動挖掘機生產(chǎn)步驟的 控制策略的研究和能源消費的驗證 Jong II Yoon', Dinh Quang Truong',Kyoung Kwan Ahn, # 處巧應B9作右/電亍或件：巨話.+ 82-52-259-2282. frM +82-52-259-1680 關鍵詞：液壓挖掘機，電動挖掘機，電動液壓執(zhí)行器，控制，節(jié)能 在燃油價格居高不下的今天，既要滿足節(jié)能和綠色施工機械排放的要求，又 要不犧牲工作性能，安全性和可靠性，特別是對液壓挖掘機來說，已顯得尤為重 要。電液執(zhí)行機構(gòu)，已經(jīng)成功地應用于汽車行業(yè)。本文的目的是提岀一種新型的 電動液壓挖掘機，此挖掘機因為使用電液執(zhí)行機構(gòu)具

2、有更強的節(jié)能能力。每個混 合執(zhí)行器是由一個電動機驅(qū)動去回收挖掘機有負載時臂架降低的勢能或挖掘機 停止回轉(zhuǎn)時的動能。對一個5噸級挖掘機包括常規(guī)的臂架系統(tǒng)和混合式臂架系統(tǒng) 進行了分析，開發(fā)作為實驗電動挖掘機及其驗證模型來評估所提岀電動挖掘機。 同時給出了硬件條件。一個關于5噸實驗電動挖掘機的控制策略是建立在被操作 機械能按照預期的表現(xiàn)的基礎上的。最后，通過實驗電動挖掘機模擬與實驗提出 了挖掘機工作效率和能耗的調(diào)查報告。 1、簡介。 液壓系統(tǒng)是許多現(xiàn)代工程機械工作不可缺少的組成部分。運用液壓的重型作 業(yè)機械中，挖掘機經(jīng)受要承受反復的沖擊和大的負載上的變化，如挖掘、低負荷 操作、平整。然而，典型

3、的液壓挖掘機總是需要高能量，快速提地供給各個單獨 或者設置在挖掘機遠端上的機構(gòu)。 在常規(guī)液壓挖掘機中，當液壓動力系統(tǒng)承受最大負載時，總是從一個泵供給 能量，多余的功率作為熱量耗散。即使是在低負載操作時，這種輸入功率也很難 以減小，因為機構(gòu)的結(jié)合需要流量維持。此外，在臂架降低、以及挖掘機的回轉(zhuǎn) 停止時，勢能也作為熱量耗散。而且，為了提升動臂，從泵加壓的液壓流體需要 額外針對動臂重力提供位責上的能量。 相反，當動臂被驅(qū)動到一個較低的位責時，作用在動臂的重力使其降低。隨 后，它促使液壓油流出機構(gòu)流向管道低壓的一端，此時駐留在較高位責動臂的勢 能就會丟失。同時，燃料成本的迅速增加，大氣污染、全球變

4、暖已經(jīng)成為嚴重的 問題。因此，減少能源消耗和污染排放成為迫在眉睫的要求?；旌蟿恿﹄妱右簤?挖掘機是可行的解決方案。許多設計并應用在混合動力電動汽車上的混合動力系 統(tǒng)的控制器的研究已經(jīng)完成。在工程機械領域，廠商也開發(fā)了各種機器的基本混 合概念，如串聯(lián)，并聯(lián)或復合類型的混合機械。然而，提岀的混合式施工機械在 與相應的傳統(tǒng)的機器相比時表現(xiàn)已經(jīng)沒有太大的憂慮。 為了克服傳統(tǒng)挖掘機的缺點，以及滿足挖掘機設計的電流需求，本文提出了 —個名為電動挖掘機的施工機械。這種挖掘機采用了消耗能量比傳統(tǒng)的液壓閥控 制執(zhí)行器更少的電動液壓執(zhí)行器。此外，在機器操作中產(chǎn)生的勢能和動能也可以 根據(jù)需要被儲存和再返回到系統(tǒng)中

5、。通過對一臺5噸的帶有改進的混合臂架系統(tǒng) 的挖掘機進行實驗，實施驗證所提出電動挖掘機性能。基于實驗電動挖掘機結(jié)構(gòu) 和工作條件，一個適當?shù)目刂撇呗员辉O計去控制混合臂架系統(tǒng)，以提高它的工作 效率高和節(jié)能能力。 本文的其余部分安排如下。第2節(jié)給出了本文設計的力學分析和細致的實驗 電動挖掘機硬件結(jié)構(gòu)。第3節(jié)是程序如何控制實驗電動挖掘機。第四和第五節(jié)驗 證了實驗電動挖掘機使用效率仿真和實驗。第6節(jié)結(jié)語。 2、電動挖掘機 21設計理念 在文獻中，已經(jīng)提出了混合動力挖掘機的幾種結(jié)構(gòu)。例如，在混合動力挖掘 機的串聯(lián)型，如圖所示。 由發(fā)動機產(chǎn)生的所有功率由一個發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能，而這個能量由電動馬

6、達 驅(qū)動的液壓泵再次轉(zhuǎn)換成機械動力。因為液壓管路和臂架系統(tǒng)是分離的，動臂的 勢能可以被回收。另外，由一個電動馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)。因此，動能在此系統(tǒng)中 的回收也是可能的。當負載功率較輕，或回轉(zhuǎn)機構(gòu)和起重臂系統(tǒng)在再生模式下運 行時，電容器和電池中的存儲系統(tǒng)充電。與此相反，上述存儲設備在負載功率較 大時放電。液壓泵是由電動機驅(qū)動的無液力控制閥，減少液力損失。有時該發(fā)動 機可以被操作具有更高的效率而不必考慮負載的約束，發(fā)動機通過機械和液壓與 負載斷開連接。然而對于此挖掘機類型，發(fā)電機應具有更大的容量，這增加了機 器的成本。 混合動力挖掘機，如圖所示的平行型的另一種設計。 Boom Cyfindb

7、 發(fā)動機和機構(gòu)直接由機械軸或液壓管線彼此相連。這里，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速是由 所述液壓泵的需求決定的，回轉(zhuǎn)機構(gòu)再生電力是不可能的。因此，對于平行型， 預計比串聯(lián)式只能較小的改善燃油經(jīng)濟性。但是發(fā)電機并不需要具有相同的容量 作為發(fā)動機，因此它可以被設計成比該系列類型更小。因此，額外的成本這方面 并聯(lián)式比串聯(lián)式的要少得多。 從上面的分析可以得出，一個新的混合動力挖掘機，應根據(jù)以下概念決定是 否使用獨立驅(qū)動的執(zhí)行器。由于液壓的分流與合流一臺使用獨立驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的 挖掘機可以減少能量損失， 1、采用電液執(zhí)行器可以減少控制挖掘機產(chǎn)生的能量損失。 2、挖掘機在可再生能源利用方面的能力，如勢能和動能。

8、基于上述所需的功能，提出的用于混合動力挖掘機設計理念的電動挖掘機的 結(jié)構(gòu)顯示在下圖。 Arm Cifinder 驅(qū)動系統(tǒng)包括六個準獨立電液執(zhí)行機構(gòu)為代表的回轉(zhuǎn)，左行，右行，動臂， 臂和鏟斗系統(tǒng)。每個電液執(zhí)行機構(gòu)是電動機/發(fā)電機，一個雙向液壓泵/馬達，一 個油箱和一個液壓控制回路的組合。從不帶控制閥的泵供給的壓力油減少了壓力 損失，并大大降低了液壓油熱量的產(chǎn)生。雙向泵和電機驅(qū)動使泵能在兩個方向供 給壓力油。電機的操作，以滿足電液執(zhí)行機構(gòu)（流量、速度和壓力）降低了功率 損耗，并能節(jié)省能源。因此，該電動挖掘機的準獨立的配置發(fā)生在傳統(tǒng)挖掘機的 執(zhí)行器和損耗最小化之間的液壓干擾

9、。建議的設計，大臂/小臂/鏟斗油缸以及回 轉(zhuǎn)機構(gòu)是由一個封閉的電液執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)，其中電動機/發(fā)電機可與電動機或發(fā) 電機模式功能驅(qū)動。因此，勢能積累在“向上”動臂/臂/或鏟斗的位責可以回收, 當它岀現(xiàn)故障時通過液壓馬達和發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。同時，挖掘機上部回轉(zhuǎn)體停 止旋轉(zhuǎn)時的動能可以被回收，并轉(zhuǎn)換成電能。 該電動挖掘機的電源是一外責電池和電容器它包括在電液執(zhí)行機構(gòu)電機驅(qū) 動器內(nèi)部。該電源提供給操作機器的所有驅(qū)動動力。在能量回收模式中，由勢能 或動能產(chǎn)生的電能首先被存儲在內(nèi)部的電容器。當所產(chǎn)生的電力的量超過電容器 的存儲容量，電池自動充電。這個能量被存儲然后再用于電動挖掘機的下一個操 作。 電

10、動挖掘機的工作原理和性能，然后通過對一臺5噸的電動挖掘機做實驗, 下面的內(nèi)容討論了相關的調(diào)查驗證。 2.2實驗采用混動系統(tǒng)電動挖掘機 分析 為了評估電動挖掘機的設計理念，5噸的實驗電動挖掘機被設責在一個動臂 機構(gòu)加入了電液執(zhí)行機構(gòu)的5噸的傳統(tǒng)液壓挖掘機。因此,轉(zhuǎn)臂油缸是能夠控制 傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)或混合臂架系統(tǒng)。 首先考慮如下圖的傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的液壓回路。 這里，發(fā)動機為液壓泵提供轉(zhuǎn)速和扭矩。主液壓泵，包括兩個可變排量斜盤 活塞泵和一個固定排量齒輪泵，用于給主液壓管路提供流速和壓力，并且操作起 重臂液壓缸。另外，一個小的伺服液壓齒輪泵與先導固定排量泵按照操縱桿命令 來產(chǎn)生壓力信號

11、，以便操作三位四通主控制閥的閥芯。因此，當給定一個操縱桿 信號時，控制壓力被發(fā)送到主控制閥的右側(cè)或左側(cè)。最終，高壓油管連接的大臂 液壓缸的大腔室或小腔室進油，致使活塞被伸出或縮回。活塞桿的移動速度取決 于操縱桿信號的振幅。泵的排量調(diào)節(jié)對應于附著到活塞桿上的負載。此外，在空 載條件下，泵的排量由旁通閥控制模塊調(diào)整到最小的能量消耗。然而在傳統(tǒng)的臂 架系統(tǒng)的作用下，大部分的勢能通過連接到油箱的低壓端浪費了。 為了克服傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的缺點，混合臂架系統(tǒng)已被開發(fā)。對于動臂缸電路 需要重新被設計，以滿足以下要求： 1、 新的臂架系統(tǒng)的操作必須是類似于傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的有關傳感驅(qū)動程序。 2、 新的臂架

12、系統(tǒng)必須實現(xiàn)更高的工作效率，并減少能源消耗，并在傳統(tǒng)的 臂架系統(tǒng)的作用下蓄能。 基于期望的目標，一個控制上述動臂液壓缸的混合臂架系統(tǒng)電路被設計下 圖。 這里，轉(zhuǎn)臂液壓缸是由一個電動機/發(fā)電機結(jié)合雙向液壓泵/馬達和液壓控制 電路來驅(qū)動兩個方向。一個由電信號控制的三位三通閥和一個比例減壓閥被安裝 到管路中。此外，比例阻尼閥被用在混合臂架系統(tǒng)中來調(diào)整動臂下降速度。為了 使有載情況下的動臂油缸保持壓力，一個節(jié)流孔插裝閥，安裝在液壓缸的大腔和 液壓泵/馬達的一個端口之間（參見上圖）。 為了評估設計的實驗電動挖掘機的工作能力，它應與具有相應的液壓挖掘機 性能的系統(tǒng)進行比較。因此，為實驗電動挖

13、掘機的動臂缸建成了傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng) 和混合臂架系統(tǒng)的集成電路，如下圖所示。 該電路擁有從個人電腦用戶界面程序，可以幫助用戶可以方便地切換挖掘機 使用傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)或混合臂架系統(tǒng)模式，當然也可以通過兩個電磁控制閥（三 位兩通換向閥）。帶有傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)系統(tǒng)的挖掘機工作，當電磁閥si和S2的 控制信號處于低邏輯電平。相反，這些控制信號處于高邏輯電平時，挖掘機的混 合動力臂架系統(tǒng)正常工作。 傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)和混合警架系統(tǒng)對于實驗電動挖掘機的硬件結(jié)構(gòu)要求 基于上面兩圖所提岀的電路，選擇實驗電動挖掘機所需要構(gòu)建組件以滿足工 作要求。首先，電動機/發(fā)電機是根據(jù)挖掘機工作扭矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)速之

14、間的關系 選擇的，如下圖。 從圖可以看岀，滿足扭矩和速度要求的電動機/發(fā)電機可從派克漢尼汾公司 選擇，雙向泵/馬達應選擇與傳統(tǒng)的臂架系統(tǒng)的主泵排量類似的?；谘芯康慕Y(jié) 果,選擇了 45 cc/rev泵。為了調(diào)查混合臂架系統(tǒng)能量消耗以及能量回收的性能, —組三相電力被用來作為主要供電的電動馬達，而斷路的電阻與電動機/發(fā)電機 連接以測量所產(chǎn)生的功率。選擇其它液壓元件（如比例溢流閥，比例節(jié)流閥，安 全閥等）以確保動臂系統(tǒng)的正常運作。動臂系統(tǒng)的綜合規(guī)格和設定參數(shù)列于下表, 最后，實驗電動挖掘機的硬件條件顯示于下圖。 修改臂系統(tǒng) 參數(shù) 值 通用零部件 動臂油缸 活塞直徑（mm） 11

15、0 活塞桿直徑（mm） 60 行程長度（m） 0.72 現(xiàn)有動臂系統(tǒng) 發(fā)動機 轉(zhuǎn)速（「pm） 2300 主泵 可變排量（cc/rev） 16 + 2 X 25 伺服泵 固定排量（cc/rev） 4.5 控制閥 端口 /位置（液壓控制） 4/3 溢流閥 溢流壓力（bar） 210 混合臂架系統(tǒng) 無碳刷伺服電機 (MPP2308) 輸入電壓(VAC) 400 額定轉(zhuǎn)速(rpm) 1805 額定扭矩(Nm) 73.757 擊穿電阻 電阻(Ohm) 27 雙向液壓泵/馬達 排量(毫cc/rev) 45 溢流閥 溢流壓力(bar) 320 比例溢流閥閥 溢流壓力(bar) 0-315 比例節(jié)流孔閥 最大的百分比開口面(％) 0-100 主控制單位 (MCU) 電腦 英特爾酷睿2雙核 2.4 GHz PCI1711 研華多功能卡 A/D PCI 1720 研華多功能卡 D/A