混合动力工程机械动力系统的构成理论现状及研究进展

张帆

（无锡商业职业技术学院，江苏 无锡 214153）

混合动力工程机械动力系统的构成理论现状及研究进展

张帆

（无锡商业职业技术学院，江苏 无锡 214153）

文章从力学的角度分析了曲轴两种耦合振动产生的机理，根据牛顿定律得到轴系耦合振动相互作用的关系表达式，然后针对混合动力工程机械系统的结构特殊性，通过对混合动力系统轴系的简化。对于实际的混合动力系统，由于存在多动力元件给系统主轴结构带来更多的复杂性，轴系因此而产生的振动情况要复杂的多，而且针对上述建立的耦合方程的求解也十分不便。由此，建立实际轴系的几何模型，运用有限元技术和多体动力学方法具体分析混合动力轴系的振动性。

混合动力；工程机械；动力系统；机电一体化

1 混合动力工程机械研究进展

伴随着世界化石能源面临枯竭，对于经济发展的需求，研究节能环保的新型产品和创新性技术已经成了全球工业化发展急需解决的问题。在汽车方面，泥合动力技术已经成功应用并推广，这给工程机械的开发设计和运用新型混合动力技术提供了很好的借鉴作用，以前已有不少工程机械生产厂家和科研机构开展了对混合动力工程机械方面的技术性研究。国内外各工程机械行业都在进行对于混合动力技术的应用研究，对于如何利用Hybrid系统减小燃油的消耗量、减少废气的排放更是作为重点问题研究。大多数工程机械行业厂家都开始了将混合动力技术应用于工程机械方面的研究但是由于工程机械特殊的工作环境，作业的不确定性，负载可能出现的剧烈波动等特点，混合动力技术在工程机械方面的应用推广还将面临许多重要问题，如混合动力系统动力元件参数优化匹配研究，动力总成控制器的开发，系统的能量快速回收储存问题。面对混合动力技术应用于工程机械的众多问题，项目中采用实际施工过程中运用最多、工作环境最为复杂、对设备的要求最好的液压挖掘机作为此课题的研究对象，重点对如何配置混合动力系统的动力元件、工作模式识别控制、控制器设计研发和对于可回收能量的利用存储问题进行研究，旨在减小工程机械的废气排放污染，有效提高机械的燃油利用率，提高我国混合动力工程机械的研发能力和增加其市场占有率。

2 轴系耦合振动建模研究

轴系运转时由结构变形引起的振动一般是通过产生扭振等方式表现出来，轴系如果产生振动将会对机械的可靠性和安全性以及使用寿命造成非常大的影响，对于如何减小轴系结构振动进行的研究非常多，但大多数都只是注重于单一振动形式的分析，只有极少部分人对于因为各种振动干扰引起的耦合做了研究分析混合动力工程机械系统中的驱动系统元件主要由发动机和电机组成，发动机曲轴系统在受到气虹压力时，会产生周期性高速旋转，此时和轴系一起转动的运动元件将会产生附加的惯性力作用在曲轴上，运转的同时将产生各种形式的振动，包括各自的单一振动和相互耦合产生的振动。由于内燃机的结构特点和受力形式，轴系的主要振动方式为扭振，而当曲轴受力发生扭转振动时曲拐会产生收缩变形，轴系会出现张、合运动现象，从而引起曲轴的弯曲振动和纵向振动，并激励机体产生弯曲和扭转振动。此外由于混合动力系统中多了电机的加入，系统主轴轴系的刚度、阻尼、支撑方式和振动激励方式都将会发生变化。当混合动力工程机械动力系统轴系旋转时，发动机曲轴受到周期性循环的激励作用时就会产生相应的振动，而电机转子因为受到振动的影响又会造成转子与定子之间的气隙发生变化，而当气隙不对称时，电机转子会产生干扰激励，反过来轴系受到电机转子的不平衡干扰力时又将产生振动，系统中的机电耦合振动从此而来。这些振动将给发动机和电机带来非常大的危害曲轴的扭转振动，可能导致它的疲劳失效破坏，而发动机的横向振动则会使油箱受到挤压，严重时会造成邮箱底部出现裂纹，纵向振动会使整个系统发生摇摆，曲轴的活塞组件在气缸中碰撞，促使与气缸壁的加速磨损，缩短使用寿命。此外，曲轴的振动破坏了轴系原有的平衡状态还将引起机体额外的振动和噪音；产生附加载荷，是曲轴连接件发生疲劳失效。对于电机而言，轴系的振动也将引起电机不可估计的损失。为了更好的分析轴系的机电耦合振动问题，必须了解为何轴系会产生机电振动耦合以及振动的机理特性，首先选取单位曲柄作为研究对象分析了曲轴的弯扭耦合振动，然后再对机电耦合作用做了分析。

3 轴系机电耦合振动多体动力学仿真分析

（1）研究进展。关于发电机组轴系机电耦合振动特性问题的研究方面，国内外学者进行了大量的研究，对于如此众多的研究，研究者大多数都仅仅从机械动力元件对系统产生的干扰方面入手，而忽略了电气控制系统对于系统耦合振动造成的影响。岳东鹏等人对混合动力汽车轴系的动力学特性进行了研究，他认为电动机工作时由于电磁转矩的存在给轴系施加了附加的约束，电机电动时作用在轴系上的电磁力矩具有加剧轴系振动的趋势，而充当发电作用时对于动力轴系相当于安装了一个扭振减振器，将有助于减小轴系的扭振。与混合动力汽车相比，并联式混合动力工程机械系统动力轴系在相关技术方面的研究还比较少见，现有关于混合动力工程机械动力系统的研究成果大多集中在发动机。

与电动机的功率匹配和协调控制策略方面，基本没有关于混合动力系统轴系机电耦合振动机理的研究。对此，可以采用与混合动力汽车轴系机电耦合相类似的方法进行研究。混合动力工程机械轴系与内燃机的曲轴系统相类似，唯一不同的是多了一个电机，可以按照内燃机轴系的研究思路进行振动特性分析。曲轴对于内燃机而言非常重要，在整个轴系中处于“中枢”地位，一般来说要分析内燃机主轴的振动特性有三种方法，一种是离散系统法，一种是有限元法，或者是通过建立轴系在时间和空间坐标系下的运动微分方程来表达。这些方法都仅仅是对曲轴进行建模，曲轴上面的其他运动件通过等效转动惯量作为激励施加到曲轴上。多体动力学是一门新起的研究方法，由于研究由刚性体和柔性体构成的系统在空间运动过程中的动力学特性，根据此方法可以建立曲轴系统、带轮、飞轮、电机轴和液压栗主轴在内的整个动力轴系的模型，直接计算出个构件之间的相互作用力和运动关系，仿真轴系柔性体的变形，完成轴系的振动特性分析。混合动力系统轴系机电耦合振动研究不仅需要从纯机械角度来分析，还需要考虑电机磁场作用以及控制系统的电气参数对系统造成的影响。文章将主要采用多体系统动力学理论，并结合FEM技术，建立了某功率型号的混合动力挖掘机轴系运动机构的多柔性体系统模型，其中包括柴油机曲轴系统、飞轮、带轮、电机主轴和液压栗主轴，在系统模型中还引入了各主轴轴颈上轴承约束，以及施加前文计算的激励载荷，通过联合仿真分析动力轴系机电耦合振动特性。

（2）轴系振动多体动力学分析方法。在混合动力系统中，轴系一方面受到发动机的气赶压力，另一方面受到电机的电磁转矩作用，轴系的振动会对系统的正常运行产生影响，对于这方面的研究需要从理论方面分析和试验角度验证。此处将结合FEM技术和多体动力学方法，对于混合动力工程机械系统在几种主要工作形态下的耦合振动进行建模仿真研究。发动机是整个混合动力系统运动机构中一个典型的多体动力学系统，包括活塞组件、曲柄连杆、飞轮、带轮等运动部件，而当系统运行时，主轴承的反作用力、气赶循环压力、活塞运动敲击杆体都会带来振动和噪声研究发动机主轴的振动规律需要从两个方面进行考虑，一是主轴宏观的刚体运动，一是微观的结构振动，单独的多体系统动力学分析或者有限元法想要解决此类问题都比较困难，而将有限元法与多体系统动力学相结合在一起来解决HEV系统轴系的振动特性是非常好的，这已成为发动机虚拟研究的主流方法。研究HEV工程机械系统动力轴系的振动问题，可以结合CAD、FEM分析软件、数值计算软件MATLAB和机械系统动力学仿真软件，它们之间相关的数据传递关系以及所用的软件。

4 结语

混合动力系统由于存在轴系的振动，一方面主轴或主轴连接件受到扭转振动的长期影响可能产生疲劳，严重时可能发生主轴断裂损坏，使机体停止工作；另一方面，轴系产生的振动将带来而外的噪声和机械传递效率，严重影响了工程机械的使用性能，增大了机体的维修成本。混合动力系统轴系的振动性能测试，一方面可以在工程机械工作过程中及时反映轴系的工作状态，对于轴系的异常振动实时停机，以避免异常振动对轴系带来破坏；另一方面，可以在混合动力工程机械的研发阶段指导轴系的设计和生产，对轴系的振动性能提供实验依据，从本质上增加轴系的强度，防止意外产生。混合动力系统由于存在发动机和电机两者之间的相互耦合作用，轴系不论是在激励方面还是在由此引发的振动特性都有所改变。尤其在考虑电磁因素的情况下，由于混合动力系统本身的复杂性，需要考虑的机电因素很多想要通过实验手段得到与理论模拟分析的结果相同是不现实的，但是要是两者达到相似的一致性还是可行的。那么，实验结果与理论分析到底有多大的差别，而且实际情况中机电作用对于发动机机体表面的振动又有什么影响以及电机的转矩变化对于系统的振动有多大的影响，这就需要通过实验研究来分析。将针对混合动力工程机械系统在工作过程中轴系所产生的振动及其影响，在混合动力系统实验平台上对轴系的振动特性进行测试。

［1］李志和，李正光，孙维鹏.不平衡磁拉力作用下偏心转子的非线性振动［J］.吉林大学学报（理学版），2011，（3）.

［2］龚俊，龚进，张大庆，等.基于AMEsim的混合动力液压挖掘机系统建模及控制策略研究［J］.现代制造工程，2011，（1）.

［3］岳东鹏，吴玉，王韬.电磁作用对轻度混合动力系统振动和噪声的影响［J］.车用发动机，2010，（5）.

Theory and Research Progress of Com position Theory of Hybrid Power M achinery

ZHANG Fan
（Wuxi Vocational and Technical College of Technology，Wuxi，Jiangsu 214153，China）

In this paper，themechanism of the coupling vibration of two crankshafts isanalyzed from the angle ofmechanics. According to Newton's law，the relationship between the coupling interaction of the shaftsystem isobtained.Then，according to the structuralspecificity of the hybrid engineeringmachinery system，the shaft is simplified.For the actualhybrid system，due tomore complexity caused by themulti-power components to the system spindle structure，the vibration situation of shaft ismuchmore complex,and the equation for the establishmentof the coupling is also very inconvenient.In this paper，the geometricalmodel of theactualshafting isestablished，and thevibration of thehybrid shaftisanalyzed by using the finiteelementmethod and themulti -body dynamicsmethod.

hybrid；engineeringmachinery；dynamic system；electromechanical integration

F426.4

A

2095-980X（2017）05-0104-02

2017-04-23

张帆，主要研究方向：机械设计。