小型液压挖掘机设计(液压系统设计).doc
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关于电动挖掘机生产步骤的
控制策略的研究和能源消费的验证
JongIlYoon1,DinhQuangTruong1,andKyoungKwanAhn1,#
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关键词：
液压挖掘机，电动挖掘机，电动液压执行器，控制，节能
在燃油价格居高不下的今天，既要满足节能和绿色施工机械排放的要求，又要不牺牲工作性能，安全性和可靠性，特别是对液压挖掘机来说，已显得尤为重要。
电液执行机构，已经成功地应用于汽车行业。
本文的目的是提出一种新型的电动液压挖掘机，此挖掘机因为使用电液执行机构具有更强的节能能力。
每个混合执行器是由一个电动机驱动去回收挖掘机有负载时臂架降低的势能或挖掘机停止回转时的动能。
对一个5吨级挖掘机包括常规的臂架系统和混合式臂架系统进行了分析，开发作为实验电动挖掘机及其验证模型来评估所提出电动挖掘机。
同时给出了硬件条件。
一个关于5吨实验电动挖掘机的控制策略是建立在被操作机械能按照预期的表现的基础上的。
最后，通过实验电动挖掘机模拟与实验提出了挖掘机工作效率和能耗的调查报告。
1、简介。
液压系统是许多现代工程机械工作不可缺少的组成部分。
运用液压的重型作业机械中，挖掘机经受要承受反复的冲击和大的负载上的变化，如挖掘、低负荷操作、平整。
然而，典型的液压挖掘机总是需要高能量，快速提地供给各个单独或者设置在挖掘机远端上的机构。
在常规液压挖掘机中，当液压动力系统承受最大负载时，总是从一个泵供给能量，多余的功率作为热量耗散。
即使是在低负载操作时，这种输入功率也很难以减小，因为机构的结合需要流量维持。
此外，在臂架降低、以及挖掘机的回转停止时，势能也作为热量耗散。
而且，为了提升动臂，从泵加压的液压流体需要额外针对动臂重力提供位置上的能量。
相反，当动臂被驱动到一个较低的位置时，作用在动臂的重力使其降低。
随后，它促使液压油流出机构流向管道低压的一端，此时驻留在较高位置动臂的势能就会丢失。
同时，燃料成本的迅速增加，大气污染、全球变暖已经成为严重的问题。
因此，减少能源消耗和污染排放成为迫在眉睫的要求。
混合动力电动液压挖掘机是可行的解决方案。
许多设计并应用在混合动力电动汽车上的混合动力系统的控制器的研究已经完成。
在工程机械领域，厂商也开发了各种机器的基本混合概念，如串联，并联或复合类型的混合机械。
然而，提出的混合式施工机械在与相应的传统的机器相比时表现已经没有太大的忧虑。
为了克服传统挖掘机的缺点，以及满足挖掘机设计的电流需求，本文提出了一个名为电动挖掘机的施工机械。
这种挖掘机采用了消耗能量比传统的液压阀控制执行器更少的电动液压执行器。
此外，在机器操作中产生的势能和动能也可以根据需要被储存和再返回到系统中。
通过对一台5吨的带有改进的混合臂架系统的挖掘机进行实验，实施验证所提出电动挖掘机性能。
基于实验电动挖掘机结构和工作条件，一个适当的控制策略被设计去控制混合臂架系统，以提高它的工作效率高和节能能力。
本文的其余部分安排如下。
第2节给出了本文设计的力学分析和细致的实验电动挖掘机硬件结构。
第3节是程序如何控制实验电动挖掘机。
第四和第五节验证了实验电动挖掘机使用效率仿真和实验。
第6节结语。
2、电动挖掘机
2.1设计理念
在文献中，已经提出了混合动力挖掘机的几种结构。
例如，在混合动力挖掘机的串联型，如图所示。
由发动机产生的所有功率由一个发电机转换成电能，而这个能量由电动马达驱动的液压泵再次转换成机械动力。
因为液压管路和臂架系统是分离的，动臂的势能可以被回收。
另外，由一个电动马达驱动回转机构。
因此，动能在此系统中的回收也是可能的。
当负载功率较轻，或回转机构和起重臂系统在再生模式下运行时，电容器和电池中的存储系统充电。
与此相反，上述存储设备在负载功率较大时放电。
液压泵是由电动机驱动的无液力控制阀，减少液力损失。
有时该发动机可以被操作具有更高的效率而不必考虑负载的约束，发动机通过机械和液压与负载断开连接。
然而对于此挖掘机类型，发电机应具有更大的容量，这增加了机器的成本。
混合动力挖掘机，如图所示的平行型的另一种设计。
发动机和机构直接由机械轴或液压管线彼此相连。
这里，发动机的转速是由所述液压泵的需求决定的，回转机构再生电力是不可能的。
因此，对于平行型，预计比串联式只能较小的改善燃油经济性。
但是发电机并不需要具有相同的容量作为发动机，因此它可以被设计成比该系列类型更小。
因此，额外的成本这方面并联式比串联式的要少得多。
从上面的分析可以得出，一个新的混合动力挖掘机，应根据以下概念决定是否使用独立驱动的执行器。
由于液压的分流与合流一台使用独立驱动执行机构的挖掘机可以减少能量损失，
1、采用电液执行器可以减少控制挖掘机产生的能量损失。
2、挖掘机在可再生能源利用方面的能力，如势能和动能。
基于上述所需的功能，提出的用于混合动力挖掘机设计理念的电动挖掘机的结构显示在下图。
驱动系统包括六个准独立电液执行机构为代表的回转，左行，右行，动臂，臂和铲斗系统。
每个电液执行机构是电动机/发电机，一个双向液压泵/马达，一个油箱和一个液压控制回路的组合。
从不带控制阀的泵供给的压力油减少了压力损失，并大大降低了液压油热量的产生。
双向泵和电机驱动使泵能在两个方向供给压力油。
电机的操作，以满足电液执行机构（流量、速度和压力）降低了功率损耗，并能节省能源。
因此，该电动挖掘机的准独立的配置发生在传统挖掘机的执行器和损耗最小化之间的液压干扰。
建议的设计，大臂/小臂/铲斗油缸以及回转机构是由一个封闭的电液执行机构系统，其中电动机/发电机可与电动机或发电机模式功能驱动。
因此，势能积累在“向上”动臂/臂/或铲斗的位置可以回收，当它出现故障时通过液压马达和发电机转换为电能。
同时，挖掘机上部回转体停止旋转时的动能可以被回收，并转换成电能。
该电动挖掘机的电源是一外置电池和电容器它包括在电液执行机构电机驱动器内部。
该电源提供给操作机器的所有驱动动力。
在能量回收模式中，由势能或动能产生的电能首先被存储在内部的电容器。
当所产生的电力的量超过电容器的存储容量，电池自动充电。
这个能量被存储然后再用于电动挖掘机的下一个操作。
电动挖掘机的工作原理和性能，然后通过对一台5吨的电动挖掘机做实验，下面的内容讨论了相关的调查验证。
2.2实验采用混动系统电动挖掘机
2.2.1分析
为了评估电动挖掘机的设计理念，5吨的实验电动挖掘机被设置在一个动臂机构加入了电液执行机构的5吨的传统液压挖掘机。
因此,转臂油缸是能够控制传统的臂架系统或混合臂架系统。
首先考虑如下图的传统的臂架系统的液压回路。
这里，发动机为液压泵提供转速和扭矩。
主液压泵，包括两个可变排量斜盘活塞泵和一个固定排量齿轮泵，用于给主液压管路提供流速和压力，并且操作起重臂液压缸。
另外，一个小的伺服液压齿轮泵与先导固定排量泵按照操纵杆命令来产生压力信号，以便操作三位四通主控制阀的阀芯。
因此，当给定一个操纵杆信号时，控制压力被发送到主控制阀的右侧或左侧。
最终，高压油管连接的大臂液压缸的大腔室或小腔室进油，致使活塞被伸出或缩回。
活塞杆的移动速度取决于操纵杆信号的振幅。
泵的排量调节对应于附着到活塞杆上的负载。
此外，在空载条件下，泵的排量由旁通阀控制模块调整到最小的能量消耗。
然而在传统的臂架系统的作用下，大部分的势能通过连接到油箱的低压端浪费了。
为了克服传统的臂架系统的缺点，混合臂架系统已被开发。
对于动臂缸电路需要重新被设计，以满足以下要求：
1、新的臂架系统的操作必须是类似于传统的臂架系统的有关传感驱动程序。
2、新的臂架系统必须实现更高的工作效率，并减少能源消耗，并在传统的臂架系统的作用下蓄能。
基于期望的目标，一个控制上述动臂液压缸的混合臂架系统电路被设计下图。
这里，转臂液压缸是由一个电动机/发电机结合双向液压泵/马达和液压控制电路来驱动两个方向。
一个由电信号控制的三位三通阀和一个比例减压阀被安装到管路中。
此外，比例阻尼阀被用在混合臂架系统中来调整动臂下降速度。
为了使有载情况下的动臂油缸保持压力，一个节流孔插装阀，安装在液压缸的大腔和液压泵/马达的一个端口之间（参见上图）。
为了评估设计的实验电动挖掘机的工作能力，它应与具有相应的液压挖掘机性能的系统进行比较。
因此，为实验电动挖掘机的动臂缸建成了传统的臂架系统和混合臂架系统的集成电路，如下图所示。
该电路拥有从个人电脑用户界面程序，可以帮助用户可以方便地切换挖掘机使用传统的臂架系统或混合臂架系统模式，当然也可以通过两个电磁控制阀（三位两通换向阀）。
带有传统的臂架系统系统的挖掘机工作，当电磁阀S1和S2的控制信号处于低逻辑电平。
相反，这些控制信号处于高逻辑电平时，挖掘机的混合动力臂架系统正常工作。
2.2.2 传统的臂架系统和混合臂架系统对于实验电动挖掘机的硬件结构要求
基于上面两图所提出的电路，选择实验电动挖掘机所需要构建组件以满足工作要求。
首先，电动机/发电机是根据挖掘机工作扭矩和发动机转速之间的关系选择的，如下图。
从图可以看出，满足扭矩和速度要求的电动机/发电机可从派克汉尼汾公司选择，双向泵/马达应选择与传统的臂架系统的主泵排量类似的。
基于研究的结果，选择了45cc/rev泵。
为了调查混合臂架系统能量消耗以及能量回收的性能，一组三相电力被用来作为主要供电的电动马达，而断路的电阻与电动机/发电机连接以测量所产生的功率。
选择其它液压元件（如比例溢流阀，比例节流阀，安全阀等）以确保动臂系统的正常运作。
动臂系统的综合规格和设定参数列于下表，最后，实验电动挖掘机的硬件条件显示于下图。
修改臂系统
参数
值
通用零部件
动臂油缸
活塞直径（mm）
110
活塞杆直径（mm）
60
行程长度（m）
0.72
现有动臂系统
发动机
转速（rpm）
2300
主泵
可变排量（cc/rev）
16+2×25
伺服泵
固定排量（cc/rev）
4.5
控制阀
端口/位置（液压控制）
4/3
溢流阀
溢流压力（bar）
210
混合臂架系统
无碳刷伺服电机（MPP2308）
输入电压（VAC）
400
额定转速（rpm）
1805
额定扭矩（Nm）
73.757
击穿电阻
电阻（Ohm）
27
双向液压泵/马达
排量（毫cc/rev）
45
溢流阀
溢流压力（bar）
320
比例溢流阀阀
溢流压力（bar）
0〜315
比例节流孔阀
最大的百分比开口面（％）
0〜100
主控制单位
（MCU）
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