基于LUDV系统纯电驱液压挖掘机能耗特性分析

， 　， 　(太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部与山西省重点试验室, 山西 太原　030024)

引言

液压挖掘机作为重要的工程机械，广泛应用于建筑施工，桥梁建设，道路施工等各类施工场所。但是由于工作环境恶劣，负载波动大等因素，现有控制方式存在燃油消耗大、排放严重等问题，在严峻的国际能源危机背景下，其节能性越来越受关注。为此，国内外的学者和制造企业纷纷提出多种类型的节能系统方案开展研究,研究工作的重点可分为两个方面，其一是通过功率匹配降低系统能耗，包括发动机与液压泵之间的功率匹配，液压泵与负载之间的功率匹配，发动机与机器工况的功率匹配，文献[1，2]从提高元器件效率、降低多执行器液压系统能耗的电液控制技术、能量回收再利用、动力匹配和混合动力技术方面，介绍了提高工程机械能量利用率的主要技术现状和新的研究成果，并分析了各自的优缺点。文献[3]提出了一种电液负载敏感系统，系统采用高速开关阀控制压力电闭环比例泵，通过比例压力阀改变压差补偿器的补偿压差，实现抗饱和流量的流量分配控制。文献[4]研究了发动机-泵和泵-负载两个环节功率匹配的原理与方法，并解决了这两个环节之间协调匹配的问题。文献[5]通过对发动机与液压泵工作点的优化及匹配，降低燃油消耗17%。另一个研究热点是混合动力技术，文献[6]研究了动力源混合度对整机动力性能与燃油效率的影响，提出了一种基于混合度方法的动力源最佳匹配方法。文献[7]对传统液压挖掘机、油电混合动力和油液混合动力3种系统回转机构进行对比分析，结果表明油电混合动力和油液混合动力的回转机构在动态响应方面以及节能方面均有很大提高。但是混合动力系统结构复杂，能量转换环节多，能量转化效率降低，并且只能使发动机工作在相对高效率的区域，其效率的提升幅度非常有限。

采用功率匹配与混合动力技术的液压挖掘机，噪声大、污染严重，不适合城市、医院、学校以及一些相对封闭场所的作业。电动液压挖掘机应运而生，并且成为液压挖掘机新的研究方向，在2012年法国巴黎召开的INTERMAT展会中，多生产制造公司展出自己的电动挖掘机，如发动机+电动机的双动力挖掘机，采用智能功率匹配的SWEROB纯电动液压挖掘机[8]。

本研究中，新的系统方案是在传统LUDV液压系统基础上，采用变频电动机取代内燃发动机作为动力源，设计了相应的控制方法，通过改变电机的转速和调节液压泵的排量，降低了整机的能耗，绿色环保。

1　电动液压挖掘机原理与控制方法

1.1　工作原理

基于试验室现有的6 t机型，提出的电动液压挖掘机液压系统控制原理如图1所示。变频电动机为液压系统提供动力，采用电缆或蓄电池进行供电。系统由单个负载敏感液压泵提供动力，并集成有压力切断和恒功率控制功能，为了能够精确的实现复合动作，液压阀采用抗流量饱和负载敏感控制原理，可不受负载变化影响，根据控制阀的开口面积分配提供各执行元件的流量，并在控制流量大于液压泵流量的情况下，按比例降低供给各执行器的流量，即抗流量饱和功能，原理如图2所示，多路阀的单联工作原理可以用图中的三位三通阀与三位六通换向阀说明，三位三通阀一方面用来获取最高负载压力反馈到负载敏感泵，一方面用于压力补偿，保证阀节流口两端压差恒定；三位六通阀用于节流与油路的换向。

图1　电动液压系统控制原理

图2　LUDV系统液压控制原理

1.2　控制方法

液压泵输出流量：

Qp=nq

(1)

式中，n为电动机的转速；q为液压泵的排量。

通常情况下，变频电机的效率随着转速n的降低而降低[9]，液压泵的效率随着排量q的减小而降低[10]。当液压泵输出流量Qp为定值时，电动机转速n与液压泵的排量q成反比。因此，液压泵的效率提高/降低对应着电动机的效率降低/提高，这构成了一对矛盾。

为使电动机尽可能工作在高的效率区，制定电动液压挖掘机的控制策略如图3所示。采用变转速与变排量复合控制来实现液压泵与液压系统功率的匹配，液压系统最大负载压力pLmax控制负载敏感泵的排量，使得液压泵出口压力比液压系统最大负载压力pLmax高一个恒定值。变频电机的控制目标是泵的排量，当泵的排量小于“泵排量目标值”时，降低转速；当泵的排量大于“泵排量目标值”时，提高转速，从而使得泵的排量尽可能趋近“泵排量目标值”。因此，在控制过程中液压泵的排量与电机的转速处于不断变化之中，其变化过程参见图6b、图7b中曲线。

图3　电动液压挖掘机的控制关系框图

2　液压挖掘机联合仿真模型

为了分析电动液压挖掘机的能耗特性，首先在SimulationX仿真软件中建立了液压系统以及机械结构的仿真模型，在此基础上，结合变频电机的模型，建立了电动液压挖掘机的联合仿真模型。

2.1　液压系统与机械系统建模

1) 液压系统模型

挖掘机液压系统主要组成部分：负载敏感泵、LUDV多路阀以及液压执行元件。负载敏感泵可以实现液压泵与液压系统的功率匹配，根据负载敏感泵的工作原理，利用SimulationX软件中函数模块与双向变量泵模块建立出其仿真模型。LUDV多路阀实现流量的精确控制，用三坐标测量仪测绘出阀芯节流槽的几何尺寸，计算出阀芯位移与过流面积的函数，采用SimulationX软件中函数模块与节流边模块建立其仿真模型，详细建模过程参考文献[11]。液压执行元件是用于驱动工作装置工作的液压缸与液压马达，利用SimulationX软件中液压缸及液压马达模块建立其仿真模型。在此基础上，以实验室现有的6 t机型为研究对象，用SimulationX软件建立其液压系统的仿真模型，并设置模型的相关参数。

2) 机械系统模型

测绘出液压挖掘机的外形尺寸，用Pro/E构建出挖掘机的三维模型，然后利用接口模块将三维模型导入到SimulationX中，并用连接副将各个零件装配起来。模型考虑了挖掘阻力以及铲斗中土壤重力的影响。

2.2　变频电机模型

电动机采用YVF2 225S-4型变频电动机，额定功率为37 kW。利用SimulationX软件中的电机模块建立电动机的模型，并根据实际电机设置模型的相关参数；电机配备相匹配的变频器，其采用矢量控制方式，利用软件中的矢量控制等模块建立其仿真模型，并设置相关的参数。在此基础上，将变频电机模型与液压系统、机械结构模型连接在一起，建立电动液压挖掘机机电液一体化的联合仿真模型及其试验平台，如图4所示。

图4　电动液压挖掘机联合仿真模型及试验平台

3　电动液压挖掘机能耗分析

3.1　挖掘装载作业

挖掘机的作业具有明显的周期性，其挖掘装载作业为：挖掘——满斗举升、回转——卸载——空斗回转、动臂下降。试验测试挖掘装载作业中动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸的位移以及回转角度曲线如图5所示，以下所有仿真模型中执行机构的运行曲线与此相同，使得彼此之间具有可比性。

图5　挖掘装载作业

3.2　能耗特性分析

如1.2中所述，为了降低电动液压挖掘机的能耗，需要合理的选择液压泵的排量，下面对液压泵排量目标值分别为0.9、0.7、0.5三种情况下电动液压挖掘机的能耗进行对比分析。

电机的效率为输出功率与输入功率的比值。图6为电动液压挖掘机在三种不同“泵排量目标值”液压泵效率、排量仿真曲线。从图中可以看出，泵排量设置定值由0.9减小为0.7再减小为0.5时，液压泵的排量依次降低，其效率也随之降低,但是降低的幅度不大。目标值”由0.9变为0.7时，电机转速随之小幅度升高，电机效率的平均值提高了12.3%；当“泵排量目标值”由0.9减小为0.5时，电机转速随之大幅提高，电机效率的平均值提高了38%。

图6　不同“泵排量目标值”液压泵效率、排量仿真曲线

图7为电动液压挖掘机在三种不同“泵排量目标值”电机效率、转速仿真曲线，从图中看出，当“泵排量

图7　不同“泵排量目标值”电机效率、转速仿真曲线

对电机电功率曲线进行积分，并进一步计算可得不同“泵排量目标值”电动机耗电量，如表1所示，与“泵排量目标值”0.9相比，“泵排量目标值”0.7时电机消耗电能减少13.9%，“泵排量目标值”0.5时电机消耗电能减少23.7%。

表1　不同“泵排量目标值”电动机耗电量

进一步的研究表明，当“泵排量目标值”减小为0.3时，电机耗电量不会随着“泵排量目标值”的减小而降低，耗电量达到最小值，即0.3为“泵排量目标值”的最优值。

4　结论

(1) 电动液压挖掘机采用变转速与变排量复合控制方式，通过改变电机的转速，使得液压泵的实际排量尽可能趋近“泵排量目标值”，证明了控制方法的有效性；

(2) 在挖掘装载作业循环中，电动液压挖掘机随着“泵排量目标值”的减小，耗电量逐渐降低，但是当“泵排量目标值”减小到某个值时，耗电量不会随着“泵排量目标值”的减小而降低，耗电量达到最小值。

参考文献：

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