双马达主被动复合驱动挖掘机回转系统特性

王帆，黄伟男，权龙，郝云晓，刘灿杰

(1.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西太原 030024；2.江苏汇智高端工程机械创新中心有限公司，江苏徐州 221004)

0 前言

液压挖掘机由于上车回转平台转动惯量大、工作中高频次起制动，回转系统工作过程中能量浪费严重[1-3]。传统液压挖掘机多采用四边联动阀控马达系统进行控制，工作时控制阀进油节流边和出油节流边联动，导致系统节流和溢流损失严重[4]；制动过程中，大量的制动动能转化为控制阀阀口热能浪费掉。针对起动过程回转系统溢流损失严重这一问题，很多学者对阀口独立技术进行了研究。CHOI等[5]采用4个比例阀分别控制液压缸两腔压力，结果表明动臂动作过程可节能21%～44%。刘凯磊等[6]提出了一种基于机液压差补偿的负载口独立控制系统，并对系统的阀口节流损失特性进行分析。徐兵等人[7]提出了一种双自由度控制器，分工况联合控制进出口阀的开度和变量泵的排量。王强、杨敬[8]将进出口独立控制策略应用于装载机摇臂液压回路，提高了系统能量利用率。管成等人[9]设计了基于马达压差识别回转过程所处阶段的方法，保证回转系统高效运行。权龙、廉自生[10-11]应用双调速液压泵，按照进出口独立系统方式控制非对称液压缸，使每台泵的能耗和发热降低，并提出可用于多执行器的泵阀复合压力流量匹配系统方案。

上述研究改善了挖掘机回转系统的能量特性和运行特性，但并未对耗散掉的制动能量回收再利用[12]。林添良、刘强[13]设计了一种结合混合动力和能量回收技术的新型挖掘机节能系统，并进行了原理分析和参数匹配，系统控制性能和节能效果好。马海英等[14]提出用高低压蓄能器回收泵控液压系统能量，降低了系统能耗且缩短转台制动时长。姚明星等[15]为了提高液压挖掘机回转平台制动动能回收效率，研究了蓄能器预充压力和容积对能效的影响。吴文海等[16]提出了一种具有防反转功能的蓄能器回转制动能量回收系统，并验证防反转功能及节能效果。

上述研究表明：相较传统四边节流阀控回路，阀口独立控制系统降低了大惯量回转系统起动阶段溢流损失；利用蓄能器回收再利用制动动能可降低系统能耗。然而传统采用蓄能器回收再利用回转平台制动动能的方案，蓄能器高压油与主泵高压油为液压耦合方式，会影响原系统运行特性，不能充分利用蓄能器存储的能量。

因此，本文作者提出一种双马达主被动复合驱动挖掘机回转系统，在原有主驱动回转系统上增设被动储能系统，被动系统与主动系统为机械耦合方式，共同驱动上车回转平台。其中，主动系统应用阀口独立回路，减小系统节流和溢流损失，并解决上车回转平台的速度波动及反摆问题；被动系统采用液压马达-蓄能器组合，回收利用回转平台制动动能，且在空载制动过程，利用增压缸向蓄能器补充油液，使蓄能器在下一个满载起动过程提供足够的能量。

1 双马达主被动复合驱动挖掘机回转系统

1.1 系统组成和工作原理

此研究所提出的双马达主被动复合驱动挖掘机回转系统原理如图1所示，在原有主驱动回转系统上增设被动储能系统；主动回转系统采用四自由度阀口独立控制，通过定转速变量泵动力源3驱动主动液压马达10；被动系统通过被动液压马达11和蓄能器8实现能量回收并辅助上车回转系统起动。图1中电磁比例阀6.2—6.5构成阀口独立阀组。手柄1提供系统动作信号，压力传感器4、流量传感器5和陀螺仪12可将检测的压力、流量、回转平台转角和转速等系统参数反馈至控制器，DSPACE控制器2管控系统运行过程。

图1 双马达主被动复合驱动挖掘机回转系统回路原理

当液压挖掘机回转平台满载正转起动时，主动系统定转速变量泵动力源3提供主动马达10需求油液，经进口电磁比例阀6.2进入主动液压马达10左腔，主动马达10右腔油液经电磁比例阀6.5连通油箱；此时，被动系统比例换向阀9工作在左位，蓄能器8驱动被动液压马达11辅助回转平台起动。当回转平台满载制动时，主动系统进出口电磁比例阀均不得电，电磁比例阀6.6打开，使主动系统在制动时相当于空载；被动系统比例换向阀9工作在右位，被动液压马达11的制动油液存储在蓄能器8中，实现能量回收。

当挖掘机回转平台反转起动时，主动系统定转速变量泵动力源3提供主动马达10需求油液，经进口电磁比例阀6.3进入主动液压马达10右腔，主动马达10左腔油液经电磁比例阀6.4连通油箱；此时，被动系统比例换向阀9工作在右位，蓄能器8中的油液与被动液压马达11的右腔连通，当蓄能器8油液释放至设定压力时，比例换向阀9回到中位，被动系统辅助起动结束。回转平台反转制动时，主动系统动作与满载制动时相同，此时，被动液压马达11的制动油液经处于左位的比例换向阀9存储于蓄能器8中，回收制动能量。

由于挖掘机作业时回转平台转动惯量变化大，空载制动过程蓄能器回收的油液压力和体积不足，导致满载起动时，蓄能器不能提供足够的能量。因此，此研究在空载制动结束后，电磁比例阀6.1通电，利用增压缸7将变量泵提供的低压油增压后补充至蓄能器8，使空载制动到满载起动阶段蓄能器能够提供足够的能量。

1.2 参数计算

以某型38 t挖掘机为研究对象，其主要参数如表1所示。

表1 38 t挖掘机参数

此研究利用皮囊式蓄能器回收上车回转平台制动能量。

蓄能器内气体状态参数计算遵循气体状态方程：

(1)

式中：p0、p1分别为蓄能器的预充压力、最低工作压力；V0、V1分别为蓄能器的预充气体体积、最低工作压力对应的气体体积；n为气体多变指数。

p1=(0.6～0.85)p0

(2)

p2=(1.1～1.5)p0

(3)

蓄能器容积可由式(4)计算：

(4)

式中：ΔV为蓄能器有效容积；p2为蓄能器最高工作压力。

通过计算，蓄能器在满载制动时回收的油液体积约为2.8 L，蓄能器的预充压力为20 MPa，容积为30 L。

1.3 控制策略

双马达主被动复合驱动挖掘机回转系统控制策略如图2所示。当驾驶员摆动手柄给出控制信号后，根据手柄摆角和方向，DSPACE控制器可判断挖掘机工况，并根据液压马达动作所需的流量，控制器计算输出变量泵、蓄能器、阀口独立阀组等元件的控制信号。双马达主被动系统共同驱动上车回转平台，使挖掘机按照驾驶员给定信号动作，同时控制器根据传感器测得的流量、压力、上车回转平台转角和转速等反馈数据，实时调节控制器输出信号，提高控制精度。

图2 双马达主被动复合驱动挖掘机回转系统控制策略

蓄能器能量管理策略如图3所示，控制器根据主动液压马达排量Vm、发动机转速n、减速比i和上车回转平台期望转速ω等参数，控制变量泵排量Vp，使上车回转平台按给定信号动作。根据陀螺仪所测回转平台角速度ωr和角加速度αr乘积判断回转平台动作阶段，若ωr·αr>0，上车回转平台为起动加速阶段，否则为匀速或制动阶段。

若回转平台ωr·αr>0，则马达处于起动加速阶段，且当蓄能器油液压力p大于最低压力p1时，蓄能器放液驱动被动马达，液压马达辅助起动，当蓄能器油液压力降低至p1时停止放液。若回转平台ωr·αr<0，则马达处于减速制动阶段，蓄能器回收被动液压马达制动能量，当蓄能器油液压力达到设定压力时停止回收；在空载制动阶段，蓄能器回收制动能量后，其压力仍小于p2，此时利用增压缸将变量泵提供的低压油补充至蓄能器，使蓄能器油液压力达到设定压力。

2 仿真模型的建立

为验证此研究所提系统及其控制策略的可行性，在多学科仿真软件 Simulation X中完成某型38 t液压挖掘机多体动力学机电液联合仿真模型的搭建，模型包括机械系统和液压系统，如图4所示。对所提出的双马达主被动复合驱动挖掘机回转系统和传统四边节流阀控回转系统进行仿真分析，并对比其运行特性和能量特性。

3 主被动回转系统运行特性研究

对双马达主被动复合驱动挖掘机回转系统和传统四边节流阀控回转系统进行满载-空载-满载90°工况仿真分析。图5所示为两系统运行特性对比曲线，1.4～4.4 s回转平台满载正转起动，主被动系统回转平台转速达到4.95 r/min，4.4～7.5 s两系统满载制动且制动结束时上车回转平台均达到期望转角90°。制动阶段，传统系统利用溢流阀建立背压使液压马达制动，制动结束时回转平台存在速度波动和反转摆动问题，液压马达两腔压力波动大。主被动回转系统中，由被动系统进行减速制动并通过液压蓄能器回收制动能量；主动系统采用4个电磁比例阀构成阀口独立回路，利用其多自由度的优点，在回转平台达到90°时，出口电磁比例阀打开，解决了回转平台速度波动和反转摆动问题。7.5～9.5 s主被动回转系统不工作，9.5～12.1 s主被动回转系统空载反转起动，12.1～14.8 s主被动回转系统空载反转制动回到初始工作位置0°，14.8～17.5 s主被动回转系统不工作，17.5～23.6 s主被动回转系统进行满载正转起动制动过程。

图5 主被动与传统回转系统运行特性对比

3.1 回转系统起动能力验证

图6所示为满载-空载-满载90°工况传统系统与主被动回转系统马达输出扭矩对比曲线。传统系统液压马达正转和反转运行的过程中，马达输出的最大扭矩为1.1～1.2 kN·m，并通过上车回转支承将扭矩放大，提供足够的扭矩驱动上车回转平台。但是，在起动和制动结束时，因回转平台运行不平稳会产生扭矩波动。主被动回转系统在1.4～4.4 s满载起动阶段，起动初期被动液压马达输出扭矩为0.6～0.75 kN·m，主动马达输出扭矩为0.2～0.4 kN·m，主被动系统共同提供38 t液压挖掘机上车回转系统需求扭矩，且扭矩波动小。4.4～7.5 s满载制动阶段，被动液压马达主轴上的扭矩为0.75 kN·m，带动被动液压马达向蓄能器充液，实现了回转动能的回收再利用。

图6 液压马达扭矩特性曲线

3.2 增压缸补油能量回收特性分析

挖掘机作业时，满载和空载工况上车回转平台转动惯量变化大，因此回转平台制动阶段蓄能器回收的油液体积不同，下一次起动阶段蓄能器可提供的能量也不同。图7所示为有无增压缸补油蓄能器体积和压力变化曲线，4.4～7.5 s回转平台满载正转制动过程，蓄能器回收油液2.87 L，且蓄能器油液压力由22 MPa升至29 MPa。9.5～12.1 s回转平台空载反转起动，蓄能器放液驱动被动液压马达辅助回转平台起动，且在蓄能器油液压力为22 MPa时辅助起动结束。12.1～14.8 s回转平台空载反转制动，由于空载阶段回转平台转动惯量小，蓄能器回收油液仅为2.1 L，油液压力升至26.9 MPa。为使蓄能器在下一满载起动阶段能提供足够能量，利用增压缸将变量泵提供的低压油补充至蓄能器，使蓄能器存储的油液体积为7.6 L、压力为29 MPa，空载制动阶段蓄能器补油体积为回收油液体积的36%，17.5～23.6 s回转平台在被动系统辅助下重复满载起动制动过程。

图7 有无补油蓄能器油液体积(a)和压力(b)变化

4 回转系统能效特性研究

传统四边节流阀控马达系统进出油口同时节流，在回转平台起动阶段输出功率和能量较大，制动阶段变量泵停止供油，通过溢流阀建立背压使回转平台制动，导致大量动能转换为热能浪费掉。主被动回转系统中主动系统采用阀口独立控制，通过泵阀复合压力流量匹配控制策略消除挖掘机起动阶段溢流和节流损失；被动系统采用蓄能器回收被动液压马达制动阶段能量，且辅助下一次挖掘机起动，使主泵输出功率和能耗大幅降低。两系统能耗对比曲线如图8所示，在完成相同工况作业时，传统系统变量泵输出功率峰值为108 kW，能耗为385.5 kJ；主被动回转系统变量泵输出功率峰值为81 kW，能耗为175.9 kJ，能耗降低54.3%，节能效果显著。

图8 传统系统与主被动回转系统能耗对比

蓄能器的能量回收率η1、再利用率η2、总回收率η3计算公式如式(5)—(7)所示：

η1=E1/E2×100%

(5)

η2=E3/E1×100%

(6)

η3=η1×η2×100%

(7)

式中：E1、E2、E3分别为回转平台制动过程蓄能器回收的能量、回转平台动能的损失量、蓄能器使上车回转平台动能的增加量。此研究在计算蓄能器能量回收效果时未考虑蓄能器、减速器的元件效率。

图9所示为满载-空载-满载90°工况双马达主被动复合驱动挖掘机回转系统中回转平台动能和蓄能器能量变化曲线。在不考虑蓄能器、减速器、液压马达的效率情况下，1.4～4.4 s回转平台满载起动且动能峰值为79.5 kJ，4.4～7.5 s回转平台满载制动，蓄能器回收能量为63.4 kJ，能量回收率为79%。9.5～12.1 s蓄能器驱动被动液压马达辅助回转平台空载反转起动，空载回转动能峰值为68.1 kJ，12.1～14.8 s回转平台空载制动，蓄能器回收能量且能量峰值为49 kJ，能量回收率为72%。

图9 蓄能器能量与回转平台动能变化

5 结论

(1)此研究提出的双马达主被动复合驱动挖掘机回转系统，在原有主驱动回转系统上增设被动储能系统，被动系统与主动系统为机械耦合方式。其中，主动系统采用阀口独立回路，通过泵阀复合压力流量匹配控制策略降低了回转系统起动阶段溢流和节流损失，且利用阀口独立回路多自由度控制的优点，解决了回转平台制动阶段速度波动和反摆问题。被动系统采用液压马达-蓄能器组合方式，回收再利用上车回转平台制动动能，降低了主泵输出功率和能耗。

(2)在满载-空载-满载90°回转工况中，被动系统利用蓄能器回收上车回转平台制动动能，并通过增压缸在空载制动结束后向蓄能器补充油液，解决上车回转平台满载加速起动时，蓄能器供能不足的问题。满载和空载制动阶段，蓄能器回收油液体积分别为2.87 L和2.1 L，空载制动阶段蓄能器补油体积为回收油液体积的36%。

(3)满载和空载制动阶段，上车回转平台制动动能回收率分别为79%和72%；完成相同作业，传统系统能耗为385.5 kJ，双马达主被动复合驱动挖掘机回转系统能耗为175.9 kJ，能耗降低了54.3%。若按液压挖掘机每天工作8 h，全年工作2 000 h，双马达主被动复合驱动挖掘机回转系统全年可节能6.28×107kJ。