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混合动力挖掘机动力总成参数设计与控制策略研究

徐淼  
【摘要】:液压挖掘机因其用途多、作业适应性强的特点成为项目施工中的主力机型,随着世界各国的建设和发展,其使用量和市场保有量呈逐年增长趋势。与此同时,由于液压挖掘机对常规能源消耗量大、污染严重、效率低下等缺点,在当前全球自然生态和能源问题不断凸显的情况下,实现其节能减排已刻不容缓。目前,由发动机和电机联合驱动的油电混合动力技术是工程机械领域的研究热点。该技术在汽车领域的应用研究开展较早且已趋成熟,工程机械领域的混合动力应用技术尚处于初级阶段,由于工程机械与汽车在负载工况、能量回收方式、储能装置诸方面具有明显差别,尽管能够参考混合动力汽车的一些已有结论,但不能直接套用。为加速推进工程机械的节能减排,有必要对工程机械混合动力应用技术开展专项研究。本论文受863国家高技术研究发展计划项目“新型混合动力工程机械关键技术及系统开发”支持,以20吨级液压挖掘机为研究对象,依据其负载工况和自身的结构特点,对于中型混合动力液压挖掘机开展了包括动力总成结构设计,混合动力总成参数匹配及优化,混合动力总成能量管理策略等内容的专项系统研究。研究工作的内容及进展如下:1.设计了混合动力液压挖掘机的结构方案,并对动力总成参数进行了优化。综合分析不同混合动力复合模式特点及元器件经济成本,设计了并联混合动力液压挖掘机的结构方案。采用理论公式计算法和工况分析法对混合动力系统的主要部件进行了参数初步设计。在此基础上根据具体的工况循环负载,提出采用改进粒子群-差分进化算法对混合动力总成的参数进行优化,优化后降低了发动机装机功率,改善了燃油经济性。2.建立了混合动力挖掘机动力总成元件的数学模型,并搭建了挖掘机混合动力总成仿真系统。为准确计算负载功率,在对所用的双联式恒功率变量泵工作原理分析的基础上,提出基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)算法的变量泵功率回归预测模型。以液压挖掘机实际挖掘作业时采集的载荷谱作为训练样本,以泵出口压力、极限载荷控制压力和负流量控制压力作为训练模型的输入,以泵的排量作为输出建立回归模型。用网格搜索和交叉验证的方法对LS-SVM的参数进行了优化,研究结果表明模型对于负载功率计算具有较高精度。3.对混合动力总成的能量管理策略进行了研究。提出了改进的的模糊逻辑转矩控制策略和瞬时油耗最小控制策略。设计了模糊逻辑控制器和模糊规则,对于瞬时油耗最小控制策略给出了瞬时油耗算法。4.以模块化的设计理念,设计搭建了液压挖掘机混合动力总成综合试验系统。采用电液比例技术实现液压负载模拟,较为准确的重现了液压挖掘机作业时的功率载荷谱,便于混合动力总成不同的能量管理策略效果的对比,为混合动力应用技术相关的理论研究奠定了试验基础。基于搭建的试验系统对所提出的控制策略进行了试验研究,结果表明,模糊逻辑转矩控制策略和瞬时油耗最小控制策略能有效的优化发动机的燃油效率和维持超级电容荷电状态稳定,与传统挖掘机相比较,模糊逻辑转矩控制策略实现了发动机节油8.06%,瞬时油耗最小控制策略实现了发动机节油13.04%。所提策略的节能效果显著。


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