双钢轮振动压路机液驱混合动力节能技术研究

双钢轮振动压路机液驱混合动力节能技术研究 分类号 :TH12 10710-2009125060 硕 士 学 位 论 文 双钢轮振 动压路机 液驱 混合动力 节能 技术研究 张艺莎导师姓名 职称 冯忠绪 教授 申请学位 级别 硕士 学科专业 名称 机械电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 论文提交 日期 2012 年 4 月 25 日 论文答辩 日期 2012 年 5 月 23 日 学位授予 单位 长安大学 答辩委员 会主席 毛开友 学位论文 评阅人 毛开友 张伟社 Hydraulic Hybrid Energy-saving Technology Research ofTandem Vibratory Rollers A Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate :Zhang Yi-shaSupervisor :Prof. Feng Zhong-xuChang’an University, Xi’an, China 摘 要 双钢轮振动压路机是路面施工的主导机型之一 。 测试研究 发现, 双钢轮 振动压路机 由于起停过渡过程与稳定压实过程两者间的 功率需求差异较大, 普遍存 在稳定压实过程 中发动机功率利用不充分、 燃油经济性低等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 为解决上述问题, 改善系统动态特性, 有效实现节能减排, 提高双钢轮振动压路机的 经济性、 可靠性、 安全性及舒适性, 急需 开展双钢轮振动压路机混合动力节能技术研究。 论文采用以理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 为指导, 样机试验与仿真分析相结合的技术研究方法。 以某 14t 双钢轮振动压路机为研究对象, 基于试验结果 分析了压路机的负荷特性及能量特性。得 出起步与停车阶段惯性能量差值相对稳定 , 可利用蓄能器回收停车能量并对起步能量进 行补偿, 以降低发动机装机功率并使其工作 在高效区, 初步论证了混合动力技术在 压路 机上应用的可行性。 并结合 液驱混合动力系统的设计原则, 提出了 与压路机负荷及能量 特性相适应的并联液驱混合动力系统方案。 根据不同工作阶段发动机、 蓄能器与负荷之间 的能量及功率关系, 确定了液驱混合 动力系统匹配原则及主要元件的参数指标 。 结合系统的动态特性及元件特 性, 提出了主 要元件的参数匹配方法, 并以此为基础 进行了元件的参数匹配。 通过对压路机的工作特 点及液驱混合动力系统工作模式的分析 , 提出了 以确保工作质量为前提、 以较佳燃油经 济性及驱动性能为主要目标的系统控制策略 。 并对混合动力系统中的关键模式 ?再生制 动模式及混合驱动模式进行了分析, 得出了适用于负荷变化的二次元件排量调节控制方 法。 运用MATLAB/SIMULINK 软件对 双钢轮振动压路机进行建模, 仿真分析结果与试验结 果较吻合, 验证了模型的正确性和可行性。 根据 混合动力系统 及元件的数学模型, 在 双 钢轮振动压路机模型的基础上建立了液驱混合动力系统 的模型, 仿真分析结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明, 液 驱混合动力系统适用于双钢轮振动压路机 ,在行驶速度为 6km/h 、 频率为 67Hz 情况下 节油可达到 20% ,取得了良好的节能效果。 关键词:双钢轮振动压路机,节能减排 ,液驱混合动力,系统设计 Abstract Tandem vibratory roller is one of the leading machines for road constructionExperimental results show that insufficiency engine power use, low fuel economy is common in tandem vibratory roller, because of the large power differences between start & stop transition process and stable compaction process. Carring out hybrid energy-saving technology research of tandem vibratory rollers in urgent is helpful for overcoming this issues, improving the dynamic characteristics of the system, realizing the energy-saving and emission-reducting, promoting the economy, reliability, safety and comfort of tandem vibratory rollerThis project adopts a comprehensive research method which is guided by theoretical analysis, and combined experiment with simulation analysis. Taking a domestic 14t tandem vibratory roller as the test object, test results as base, the load and energy characteristic of vibratory roller is analyzed. It is shown that the energy gap between start & stop transition process is relatively stable. Hydraulic accumulator can be used for the recovery of stop energy and compensation for start energy so as to reduce the installed power of the engine and keep it work in the high efficiency area , which preliminary demonstrates the feasibility of the hybrid technology’s application in tandem vibratory roller. Combining with the principle of hydraulic hybrid system design, the applicative hybrid system design scheme is proposedThe principle of hydraulic hybrid system and the main parameters of the components are determined through the energy and power relationships between the engine, accumulator and load in different working stages. Considering dynamic characteristics and components properties, the matching method of main components are summarized, the parameters of the component is matched. The system control strategy premised at stable working quality, aimed at better fuel economy and driving performance is put forward after analyzing vibratory roller’s working characteristics and hydraulic hybrid system’s operating mode. The critical modes of hybrid system-regenerative braking mode and mixed driving mode are analysed, the secondary unit’s displacement control method suitable for load change is summed upThe original tandem vibratory roller model is established using MATLAB/SIMULINK simulation software. The simulation results and experimental results are in good agreement, the correctness and feasibility of the model is verified. According to the mathematical models of components and systems, the hydraulic hybrid system model is established based on the original model. From the simulation analysis results, it is shown that hydraulic hybrid system is suitable for tandem vibratory roller, 20% fuel economy improvement can be reached in speed for 6 km/h frequency for 67 Hz cases, a good energy-saving effect is achieved Key words :tandem vibratory roller; energy-saving and emission-reducing; hydraulic hybrid system; system designIV 目 录 第一章 绪论1 1.1 课题研究意义. 1 1.2 课题研究与发展概况. 2 1.2.1 混合动力系统对比研究2 1.2.2 液驱混合动力系统概述3 1.2.3 液驱混合动力工程机械研究与发展概况. 4 1.3 课题研究方法与 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 . 6 第二章 双钢轮振动压路机混合动力系统方案选取. 9 2.1 双钢轮振动压路机动态特性分析. 9 2.1.1 负荷特性分析 9 2.1.2 能量特性分析. 13 2.2 液驱混合动力系统设计原则. 17 2.3 液驱混合动力系统方案选取. 17 2.3.1 串联混合动力系统设计方案. 18 2.3.2 并联混合动力系统设计方案. 18 2.3.3 振动压路机液驱混合动力模式选取19 2.4 本章小结. 20 第三章 双钢轮振动压路机液驱混合动力系统匹配21 3.1 液驱混合动力系统匹配原则. 21 3.2 发动机参数匹配 22 3.2.1 发动机参数匹配方法研究 22 3.2.2 发动机参数匹配. 23 3.3 液压蓄能器参数匹配. 24 3.3.1 蓄能器种类选取. 24 3.3.2 蓄能器工作循环特性分析 24 3.3.3 蓄能器能量特性分析26 3.3.4 蓄能器的参数匹配 28 3.4 扭矩合成装置参数匹配 31 3.5 二次元件参数匹配33 3.6 本章小结 34 第四章 双钢轮振动压路机液驱混合动力系统控制策略 研究. 37 4.1 压路机工作特点与混合动力系统分析 37 4.1.1 双钢轮振动压路机工作特点分析37 4.1.2 液驱混合动力系统工作模式分析38 4.2 液驱混合动力系统控制目标. 39 4.3 双钢轮振动压路机液驱混合动力系统的控制策略. 39 4.3.1 双钢轮振动压路机混合动力系统控制方法. 40 4.3.2 双钢轮振动压路机混合动力系统控制策略. 40 4.4 混合动力系统关键模式分析. 44 4.4.1 再生制动模式分析44 4.4.2 混合驱动模式分析 47 4.5 本章小 结 49 第五章 液驱混合动力系统建模与仿真分析51 5.1 液驱混合动力系统数学模型建立51 5.1.1 发动机数学模型的建立 51 5.1.2 蓄能器数学模型的建立 52 5.1.3 二次元件数学模型的建立54 5.1.4 二次元件?蓄能器数学模型的建立. 58 5.2 原系统仿真模型验证. 59 5.3 液驱混合动力系统与原系统对比分析 61 5.3.1 液驱混合动力系统验证 62 5.3.2 发动机工作点对比63 5.3.3 燃油经济性对比 64 5.3.4 动态特性对比. 65 VI 5.4 本章小 结. 66 结论与展望. 67 参考文献69 攻读硕士学位期间取得的研究成果 73 致 谢 75长安大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 课 题研究意 义 随着世界经济的高速发展, 基础建设行业也迅猛发展,2011 年, 我国工程 机械行业 [1] 销售规模达 5000 亿元人民币左右, 出口额突破 150 亿美元, 创历史新 高 。 行业的发展 直接导致了能源需求量的增加,2011 年柴油价格相比 2004 年也增长了 2.4 倍。原油价 格上涨、 能源需求量的增加与随之而来的环境污染已成为工程机械行业 亟待解决的重要 问题。 工程机械 “十二五” 规划指出, “低碳 、 绿色、 高 效、 节能” 是未来工程机械科 [2] 技发展的重要目标之一,开发研制环保节能产品是行业所需 , 也是政策所趋 。 图 1.1 国内柴 油 价 格变化 曲 线 [3] 作为压实路面的主导机型 , 双钢 轮振动压路机因其应用范围和市场需求的扩大出 现的问题已不容忽视。 具体表现为: 发动机功率利用不充分导致耗油量增加及有害气体 排放量加大; 频繁的起步停车引起液压系统冲击及能量损失; 整机匹配不合理导致压路 [4-7] 机的可靠性降低 。 混合动力技术在汽车上的成功应用为耗能大、排放差的工程机械领域提供了借鉴, 对双钢轮振动压路机的节能技术研究有着重要意义,具体体现在以下几个方面: 1. 混合动力系统可以降低发动机装机功率, 有效改善发动机的工作状况, 使其尽 可能的工作在经济区附近,有效提高发动机燃油经济性,达到良好的节能减排效果。 2. 混合动力系统可以有效改善系统的动态特性。 通过对停车能量的回收 , 防止停 车 “反拖” 时动态负荷变化剧烈引起发动机过载及液压泵 “超速” 。 通过对不同动力源 1 第一章 绪论 工作模式的选取及控制系统的设计调节起步 时的惯性负荷,改善发动机掉速及压力冲 击。 3. 添加混合动力系统之后, 通过合理的系统匹配将显著提升发动机、 液压系统的 工作性能,进而提高整机的工作质量、可靠性及安全性。 4. 通过混合动力系统中能量的回收与再利用及系统的合理匹配,增加系统效率, [8-10] 提高系统的经济性, 实现有效节能 。 1.2 课 题研究与 发展概况 1.2.1 混合动力系统对比研究 混合动力是指通过两种或两种以上不同动力源的联合工作以驱动元件, 使 其充分发 挥各自的优 越性以提高能量利用率的一种方法。 其按照动力源形式的不同主要分为电动 混合动力、 机械混合动力和液驱混合动力。 三种方案各有优点, 工程机械混合动力 系统 的选取应考虑到工程机械的工作要求及负荷特点,主要从能量转化、环保性、安全性、 [11-14] 可靠性及经济性几个方面进行比较,具体见表 1.1 所示 。 表 1.1 混合动 力 系 统对比 对比方面 对比内容 储能元件:蓄能器?? 功率密度很高,能量转换率高,成本低,能量密度低 液驱混合 制动能回收率:70% 能 储能元件:蓄电池?? 功率密度低,成本低,能量密度高; 量 电容??功率密度高,成本高,能量密度低; 电动混合 转 超级电容?? 功率密度高,成本很高,能量密度低 化 制动能回收率:20%~25% (受储能元件功率密度低影响) 储能元件:飞轮??能量转换率高,成本较高,能量密度较高 机械混合 制动能回收率:一般 液驱混合 用于工程机械节能效果好,低排放,对环境污染小 环 保 电动混合 用于工程机械节能效果一般,零排放,但储能元件会对环境造 成污染 性 机械混合 用于工程机械节能效果一般,零排放,几乎零污染 液驱混合 液压元件内部的动力传递及存储是物理过程,使用较为安全 安 全 电动混合 能量存储和释放主要是化学过程,安全得不到保证 性 机械混合 较为安全 蓄能器在超过安全压力的冲击下会导致皮囊破裂造成氮气与油液混合, 但 壳体较 液驱混合 为安全。管路连接部分有危险但安全性较高 可 应保证机器在工作条件差、 散热条件苛刻以及电磁环境复杂的情况下能够 正常运 靠 电动混合 行,要求具备良好的防护性、散热性及电磁兼容性 性 机械混合 飞轮内置于壳体当中,较为安全 2长安大学硕士学位论文 表 1.1 混合动 力 系 统对比 (续) 对比方面 对比内容 液驱混合 大多为通用件,可批量生产,成本低 经 济 电动混合 储能元件成本高,导致整体成本高,且目前无降低成本办法 性 机械混合 储能元件成本高,整体成本高 考虑到工程机械工况复杂, 工作环境恶劣, 宜选用能量转化率高且相对安全、 可靠 的混合动力系统。 同时, 工程机械负荷变化剧烈, 要求储能元件具备较高的功率密度以 快速回收/ 释放能量, 且工程机械本身成本较高, 市场竞争激烈, 宜选用经济性较好的系 [15-17] 统。因此,液驱混合动力系统较适用于工程机械 。 1.2.2 液驱混合动力系统概述 液驱混合动力是指液压能和燃料化学能的混合, 通常采用静压传动技术, 以 压力耦 合二次调节系统为基础, 通过对二次元件的调节来实现能量转换和传递。 其本质是通过 能量的回收与再利用, 依靠发动机、 二次调节系统与负荷之间的匹配来实现系统效率的 提升。 混合动力系统不仅可以回收制动能量并于 起动阶段释放能量, 更重要的是通过能 [18,19] 量的回收与利用可以使发动机匹配在高效工作区 。 液驱混合动力系统按结构主要可分为串联式、 并联式和混联式三种 系统类型, 如图 [20] 2.14 所示 。a串联式 b并联式 c混联式 图 1.2 液驱混 合 动 力系统 构 成 串联式液驱混合动力系统的各动力装置以串联的方式连接。 能量转换环节较多, 总 体效率偏低, 比较适用于工程车辆、 中小型公交车辆、 军用汽车及 中小型工程机械。 并 联式系统, 采用发动机和二次元件两套驱动系统, 具有发动机驱动、 二次元件单独驱动 3 第一章 绪论 和联合驱动三种模式。 系统整体效率较高, 但结构较复杂, 协调控制难度大, 适用于工 程机械、 城市公交车、 军用卡车等。 混联式系统, 是串联式与并联式结构的综合, 在理 论上容易实现性能最优, 但由于系统过于复杂, 结构和控制成本高, 应用中受到很大的 限制。 1.2.3 液驱混合动力工程机械研究与发展概况 由于液驱混合动力系统具有输出动力强、 功率密度大、 可靠性、 经济性及安全性较 好等诸多优点, 德国、 美国、 日本、 澳大利亚、 俄罗斯、 中国等国家都开始了相关方面 的研究, 主要应用于城市公交车、 工程车辆、 特种车辆及工程机械当中。1985 年, 德国 生产出应用蓄能器储能的复合传动公共汽车样车 MAN Hydrobus ,为 液驱混合动力技术 [21] 首次应用于车辆当中, 经测算, 三年可回收改装成本, 同时有效降低有害气体的排放 。 基于液驱混合动力技术在汽车上的成功应用, 工程机械开始逐步采用此系统, 起初 应用于工程车辆, 进而发展为铲土运输机械、 工程起重机械、 挖掘机械、 钢筋混凝土机 械等多种工程机械当中。 2002 年澳大利亚 Permo-drive 公 司受美国军方委托,对液驱传动混合动力车辆进行 研 究 并 应 用 于 重 型 卡 车 , 测 试 表 明 , 在 频 繁 起 停 的 模 拟 城 市 工 况 下 燃 油 经 济 性 提 高 37.3% , 加速性能提高 35% 。 日本三菱公司也生产了基于恒压系统 CPS (Constant Pressure System )的 混合动力轻型卡车实验样车。2006 年,美国环保署(EPA )与 UPS 公司合 作 推 出 两 款 混 合 动 力 运 输 车 ( 如 图 1.3 ,图 1.4 ) , 试 验 研 究 表 明 燃 油 经 济 性 提 高 了 [22] 35%~40% 。 伊顿 (Eaton ) 公司 也设计了混合动力 HLA 系统 (Hydraulic Launch Assist [23] technology )并用于物料运输车上(如图 1.5,图 1.6) 。德国博世力士乐(Rexroth ) 公司于 2009 年推出了静液传动再生制动系统 (HRB System ) , 并应 用到了叉车、 装卸车 [24] 等工程机械当中 , 如图 1.7、 图 1.8 所示 。2010 年, 利勃海尔 (Liebherr ) 公司推出 了 首个应用液驱混合动力系统的移动式海港用起重机 (如图 1.9 所示) , 并与其同类型普通 [25] 起重机进行了实验对比, 燃油经济性节省了 30% 。 同年,Parker 公司也推出了液驱混 [26] 合动力系统 Runwise@Hybrid drive system 并运用于运输车 。图 1.3 UPS 液 驱 混 合动力 运 输 车 图 1.4 UPS 运 输 车 混合动 力 原 理图 4长安大学硕士学位论文图 1.5 Eaton 液 驱 混 合 物料 运 输 车 图 1.6 Eaton 物 料 运 输 车混 合 动 力原理 图图 1.7 力士乐 HRB 装 卸车 图 1.8 力士乐 HRB 叉车图 1.9 Liebherr 移动 式液 驱 混 合起重 机 图 1.10 徐州 恒 天 德尔 重 工 液 驱混合 挖 掘 机 5 第一章 绪论图 1.11 徐工 ZL50G 型 液 驱 混 合装载 机 图 1.12 山重 建 机 GC228LC 液 驱 混合 挖 掘 机 国内厂商对于液驱混合动力技术的开展较晚,2010 年上海宝马展(Bauma China ) 上,徐州恒 天德尔重工 展示了其研 发的液驱混 合动力挖掘 机(图 1.10 ) ,徐工集 团展 出 [27] 了自主研发的 ZL50G 型液驱混合动力装载机(图 1.11 ) 。2011 年北京国际工程机械 [28] 展(BICES ) 上, 山重 建机展示了其研发的 GC228LC 液 驱混合动力挖掘机 (图 1.12) 。 此外, 哈尔滨工业大学、 浙江大学、 吉林大学、 南京理工大学、 北京理 工大学以及长安 大学等高校也在进行液驱混合动力系统的研究。 但是, 对 于振动压路机液驱混合动力系 统的研究目前处于空白 状态。 1.3 课 题研究方 法与内容 课题以 双钢轮振动压路机为主要研究对象,根据 车辆动力学及动力系统匹配理论, 通过试验研究与仿真 分析相结合, 探讨液驱混 合动力压路机的设计及匹配方法, 并根据 仿真加以验证,主要研究内容如下:1. 通过对双钢轮振动压路机的负荷特性及能量特性进行测试与分析, 探讨液驱混合 动力系统的设计原则,得出适用于压路机的液驱混合动力系统方案。 2. 根据液驱混合动力系统的匹配原则,进行系统设计及相关元件参数指标的确定。 结合系统的动态特性及元件特性,得出元件的匹配方法,对关键元件进行参数匹配。 6长安大学硕士学位论文 3.根据压路机的作业特点,制定相应的混合动力系统控制策略。 4.建立仿真的数学模型, 通过原系统模型与混合动力系统模型的对比验证系统的动 态特性及燃油经济性。 论文研究的流程如图 1.13 所示。 液驱混合动力系统 压路机负荷与能量特 理论 性分析 混合动力系统设计原则 100 10080 80 混合动力系统方案确定 60 60 东部 东部西部 西部 40 40 系统设计及参数匹配 北部 北部 20 20系统控制策略设计 0 0第一季度 第三季度 第一季度 第三季度系统数学模型建立仿真验证及 分析 图 1.13 论文 研 究 流程 100 80 60 东部 西部 40 北部 20 0 第一季度 第三季度7 长安大学硕士学位论文 第二章 双钢轮 振动 压 路机 混 合动力 系统 方 案选取 双钢轮振动压路机循环工作的负荷特性是设计混合动力传动的基础。 尽管动态过渡 过程所占时间很少, 却是保证机器特性的重要 环节。 可通过对 双钢轮振动压路机的动态 特性分析, 提出 振动压路机液驱混合动力系统的设计准则。 本章 根据液驱混合动力系统 的基本原理及压路机的系统特性和负荷特性 , 对混合动力系统 类型进行选取, 并探讨与 之适用的设计方案。 2.1 双 钢轮 振动压路 机动态特 性分析 双 钢 轮 压 路 机 的 动 态 特 性 主 要 指 双 钢 轮 压 路 机 起 步 停 车 过 程 中 由 于 状 态 改 变 引 起 [29] 的机器的一系列特性变化 。其中 ,负荷特性及能量特性是动态特性的重要组成部分, 通过对二者的研究可以更加深入的了解 双钢轮压路机的负荷变化及能量变化情况, 为系 统的改进打下基础。 2.1.1 负荷特性分析 负荷特性是机器动态特性的基础。 对系统负荷特性的分析有助于整机元件 的选取 , 以及控制策略的设计及优化。 双钢轮振动压路机不同阶段所受负荷满足下列公式: 起步起振阶段:F ?Fff ?F 2.1 tract inertia drilost viblost extra 平稳工作阶段:Fff ?F 2.2 tract drilost viblost extra 停振停车阶段: 2.3 Fff ?F0 inertia drilost viblost extra 式中:F ??牵引力,kN ; tractF ??惯性负荷,kN ; inertia f ??行驶阻力,kN ; drilostf ??摩擦阻力(主要指振动系统中的轴承摩擦阻力) ,kN ; viblostF ??其他阻力,kN 。 extra 可以看出, 系统起步起振阶段与平稳阶段的主要区别在于惯性负荷, 由于 行驶阻力 f 变化较小, 摩擦阻力 f 在动态过程中变化也不大, 惯性负荷在动态过程 中起主 drilost viblost 要作用。 惯性负荷在系统中的表现形式是 惯性力, 可以通过分析驱动系统驱动扭矩来了 解 惯 性 力 变 化 趋 势 。 因此 对 负 荷 特 性 的 分 析 主 要 包括 不同 工况 及 工 作 循 环 下 的 扭 矩 分 9 第二章 双钢轮振动压路机混合动力系统方案选取 析。 1. 工况分析 双钢轮振动压路机在工作时存在多种工况: 行驶工况、 压实工况 (初压、 复压、 终 [1] 压) 、 爬坡工况、 转向工况及多种工况同时出现的复合工况等 。表 2.1 所示为试验样机 的载荷谱 分布。 表 2.1 试验双 钢 轮 压路机 的 载荷 谱分布 工况 转矩百分数 速度百分数 时间百分数 33 100 10 运输 40 60 53 一般压实 46 42 30 艰难压实 60 48 5 爬坡 100 18 2 瞬时最大载荷 从表 2.1 可以看出, 压路机工作过程中 90% 以上的时间扭矩百分数不及 60% , 发动 机大部分时间都处于“大马拉小车”的状况,严重影响发动机的利用率及燃油经济性, 浪费严重。 2. 工作循环负荷特性分析 双钢轮振动压路机为大惯量循环式作业机械, 对其工作循环 进行负荷特性分析 有助 于了解其负荷变化特点, 为系统改进奠定基础。 表 2.2,表 2.3 分别表示了压实工况 不同 碾 压 速 度 、 振 动 频 率 下 的 负 荷 扭 矩 变 化 情 况 及 一 个 工 作 循 环 的 负 荷 特 性 变 化 情 况 。 图 2.1~ 图 2.4 分别为不同工况不同循环作业阶段扭矩对比。 图 2.5,图 2.6 分别为不同阶段 扭矩变化情况。 表 2.2 双钢轮 振 动 压路机 压实工况负 荷 扭 矩变化 起步峰 起步峰值 平稳 平稳扭 停车峰 停车峰值 碾压 振动 工作 值扭矩 扭矩百分 扭矩 矩百分 值扭矩 扭矩百分 速度 频率 状态 km/h Hz Nm 数 (% ) Nm 数(% ) Nm 数(% ) 前进 351.30 59 230.06 39 346.21 61 51 后退 341.44 58 223.22 38 365.94 64 3 前进 440.92 74 184.91 31 504.44 88 67 后退 454.90 77 159.55 27 505.21 88 10长安大学硕士学位论文 表 2.2 双钢轮 振 动 压路机 压 实 工况负 荷 扭 矩变化 (续) 起步峰 平稳 停车峰 碾压 振动 起步峰值 平稳扭 停车峰值 工作 值扭矩 扭矩百分 扭矩 矩百分 值扭矩 扭矩百分 速度 频率 状态 km/h Hz Nm 数(% ) Nm 数(% ) Nm 数(% ) 前进 418.56 71 318.89 54 363.40 64 51 后退 416.32 70 324.19 55 374.90 66 6 前进 484.49 82 250.20 42 534.36 94 67 后退 477.98 81 268.36 45 564.06 99 附注 1 : 表中 扭 矩 是 发动 机 所 受 扭矩 , 扭 矩 百分 数 根 据 发动 机 调 速 外特 性 曲 线 在相 应 转 速 下所 能 提 供的扭矩。图 2.1 起步起 振 阶 段不同 工 况 扭矩对 比 图 2.2 平稳 阶 段 不 同工况 扭 矩 对比 图 2.3 停振停 车 阶 段不同 工 况 扭矩对 比 图 2.4 前进工 况 不 同阶段 扭 矩 对比 11 第二章 双钢轮振动压路机混合动力系统方案选取 表 2.3 样机压 实 工 况负荷 特 性 表(频 率 67Hz , 速度 6km/h 前 进 工 况) 工况 工作状态 转矩百分数(% ) 时间百分数(% )达到平稳扭矩 42 1.7 起步起振 达到平稳扭矩后 82 2.2 前进 匀速压实 42 42.5 反拖开始前 39 0.2 停振停车 反拖开始后 94 3.4 达到平稳扭矩 45 1.8 起步起振 达到平稳扭矩后 81 2.1 后退 匀速压实 45 42.5 反拖开始前 37 0.3 停振停车 反拖开始后 99 3.4 附注 2 : 表中 达 到 平 稳扭 矩 前 指 起步 起 振 过 程中 负 荷 扭 矩达 到 平 稳 扭矩 前 的 工 作状 态 , 反 拖开 始 前 指振动系统高压腔压力 降低至低压腔压力以前的工作状态 。 图 2.5 压实工 况 起 步起振 扭 矩 变化曲 线 图 2.6 压实工 况 停 振停车 扭 矩 变化曲 线 (频率 67Hz,速度 6km/h 前 进 工 况) (频率 67Hz,速度 6km/h 前 进 工 况) 通过工况 分析及工作循环负荷特性分析可以得出: 1. 压 路 机 工 作 过 程 中 负 荷 需 求 差 异 大 是 导 致 发 动 机 功 率 利 用 率 不 高 的 主要 原因之 一。由 表 2.1,表 2.2 可知,压实工况下 发动机起步峰值扭矩最大可达 403.74Nm,而 相同工况平稳扭矩为 208.5Nm, 仅为起步时的 51.64% , 但平稳工作时间却占 循环时间 80% 以上, 即动态阶段负荷需求大、 时间短 , 平稳阶段负荷需求小、 时间长。而 发动机 匹配时 以满足动态和极限工况需求为基础 , 导致装机功率较大, 因此 发动机在大多数时 间处于 “大马拉小车”状态,功率利用率不高,燃油经济性也得不到保 证。与此同时, 12长安大学硕士学位论文 液压系统为满足动态特性需求,平稳工作时效率偏低。2. 发 动 机 工 作 过 程 中 效 率 较 低 , 动 态 负 荷 对 发 动 机 的 影 响 在 停 振 停 车 阶 段 表 现 更 为明显。由表 2.3 可知 ,平稳阶段扭矩百分数较低,发动机长期工作在扭矩利用率较低 区域, 燃油经济性较差。 但在起步起振及停振停车阶段扭矩百分数较高, 尤其是停振停 车的后退工况,当行驶速度为 6km/h,频率为 67Hz 时,扭矩百分数达到 99% ,此时发 动机转速 升高 到 2400r/min , 由 于 此 时 发 动 机本 身 工 作 于非 正 常 工 况, 因 此 发 动机 故 障 率提高,寿命缩短,可通过控制停振停车时间,合理降低减速度 得到改善(由图 2.3 可 知,在行驶速度为 6km/h 、频率 为 51Hz 时 扭矩百分数明显降低,此时停振停车时间比 行驶速度为 6km/h 、 频率为 67Hz 时的停振停车时间长了 0.2s ) 。 压路机为大惯量的循环 式作业机械,如果主要依靠发动机 与液压系统反拖制动,此种情况是不可避免的。 3. 由 于 起 步 起 振 及 停 振 停 车 阶 段 瞬 时 负 荷 过 大 , 惯 性 负 荷 变 化 剧 烈 , 引 起 液 压 系 统压力冲击, 超过溢流阀设置的压力冲击会引起溢流发热, 且频繁的压力冲击会影响系 统可靠性,导致溢流量过大,系统发热大,整体效率低下 。 2.1.2 能量特性分析 能量特性是系统动态特性的重要组成部分。 对能量特性的分析有助于了解系统能量 组成以及不同阶段所需能量的变化, 并通过合理的能量分配方式以达到节能的目的。 双钢轮振动压路机在不同阶段所需能量可表示为: 起步起振阶段:E ?E ?E ?E ?E 2.4rstart hydra inertia work lost extra 平稳工作阶段: E ?E ?E ?E 2.5rwork hydra work lost extra 停振停车阶段:E ?E ?E ?E ?E2.6r ?stop stop ?ine hydra work ?lost extra 式中:E ??起步起振阶段 负荷所需能量,kJ ; r ?start E ??液压系统消耗 能量,kJ ; hydra E ??惯性负荷产生 能量,kJ ; inertia E ?? 工作 阻 力 所 需 能 量 ( 包 括 行 驶 阻 力 和 振 动 系 统 阻 力 所 需 能 量 ) , work ?lost kJ ;E ??其他能量,kJ ; extra E ??平稳工作阶段 负荷所需能量,kJ ; r? work E ??停振停车阶段 负荷能量,kJ ; r?stop 13 第二章 双钢轮振动压路机混合动力系统方案选取??停车惯性能量,kJE sto?p ine 振动压路机 能量转换环节较多, 行驶系统、 振动系统所需能量 及整机 不同工作阶段 所需能量也有所差异 ,具体能量流分布 如图 2.7 所示。系统损耗能量主要包括 工作阻力 消耗能量、 系统匹配损耗能量、 液压系统损耗能 量及停车惯性损耗能量。 其中, 系统匹 配损耗能量包括发动机损耗能量、 功率不匹配损耗能量等。 发动机损耗能量、 功率不匹 配 损 耗 能 量 是 由 负 荷 变 化 剧 烈 , 导 致 发 动 机 工 作 点 变动 造 成 了 动 力 系 统 匹 配 不 好 引 起 的 , 均 可 通 过 混 合 动 力 系 统 改 善 。 液 压 系 统 消 耗 能 量E 主 要 包 括 元 件 损 耗 能 量 、 沿 hydra 程损失能量及溢流损耗能量, 元件损耗能量及沿程损失能量不可避免, 溢流损耗能量 可 通过系统 压力匹配及调整溢流阀压力得到改善。 停车惯性损耗能量是系统在停振停车过 程中产生的能量, 压路机主要通过发动机 “反拖” 吸收, 混 合动力系统则可通过储能元 件对能量进行回收,避免对发动机 与 液压系统造成不利影响。在其他损耗一定情况下, 停车惯性 损耗能量由停振停车阶段惯性 能量、 工作阻力损耗能量决定 。 其中, 行 驶阻力 及振动系统摩擦阻力所需能量 等为系统 工作所需能量, 调整起步起振及停振停车时的加 速度可适当减小所需能量 , 但作用并不明显 , 因此, 停车能量主要由停 振停车 惯性能量 [30] 决定 。 不可回收或改善很小能量 行驶阻力损耗 摩擦阻力损耗 液压元件损耗 溢流损耗 沿程损耗及其他损耗输 入 驱动 能 量 负载 停车惯性损耗 功率不匹配损耗 发动机损耗 通过合理匹配可改善 可回收能量 图 2.7 能量流 分布 14长安大学硕士学位论文 通过对振动压路机液压系统及动力系统中系统压力、 发动机转速、 马达转 速进行测 试 可 得 出 其 在 不 同 阶 段 系 统 可 回 收 能 量 及 惯 性 负 荷 所 产 生 能 量 , 具 体 如 表 2.4 、表 2.5 所示。不同工况不同阶段能量对比及一个工作循环下功率变化曲线如图 2.8~ 图 2.13 所 示。 表 2.4 双钢轮 振 动 压路机 压 实 工况参 数 变 化 碾压 振动 惯性负荷 起步 起步峰 平稳 停车 停车 停车峰 工作 速度 频率 产生能量 时间 值功率 功率 能量 时间 值功率 状态 km/h Hz kJ s kW kW kJ s kW 前进 109.53 3.79 87.84 53.21 46.22 1.96 81.10 51 后退 108.99 3.64 79.75 50.99 59.20 2.15 85.10 3 前进 150.42 4.06 107.35 46.94 91.36 2.58 110.90 67 后退 142.42 4.07 105.10 38.81 90.76 2.71 106.25 前进 184.26 4.15 98.76 67.01 122.18 3.77 80.50 51 后退 164.76 3.9 98.88 68.20 114.01 3.97 89.50 6 前进 195.26 3.93 110.44 58.76 134.44 3.60 110.13 67 后退 196.94 4.03 109.48 57.90 138.49 3.74 107.23 图 2.8 起步起 振 阶 段不同 工 况 所需能 量 对 比 图 2.9 停振停 车 阶 段不同 工 况 能量对 比 图 2.11不同 工 况 惯性负 荷 产 生能量 图 2.10 前进 工 况 不同阶 段 能 量对比 与 停 车 能量差 值 对 比 15 第二章 双钢轮振动压路机混合动力系统方案选取 表 2.5 样机压 实 工 况能量 特 性 表(频 率 67Hz,速度 6km/h 前进 工 况 ) 所需能量占整个 工 所需能量 所需功率 时间百分数 工作状态 循环能量百分数 况 (kJ ) (kW ) (% )(% ) 达到平稳扭矩 19.82 0.4 58.76 1.7 起步 起振 175.44 3.6 110.44 2.2 达到平稳扭矩后 前 匀速压实 2116.5 43.8 58.76 42.5 进 反拖开始前 8.62 0.2 42.86 0.2 停振 停车 反拖开始后 125.82 2.6 110.13 3.4 27.27 0.6 57.90 1.8 达到平稳扭矩 起步 起振 达到平稳扭矩后 169.67 3.5 109.48 2.1 后 匀速压实 2045.8 42.5 57.90 42.4 退 反拖开始前 10.67 0.2 41.02 0.3 停振 停车 反拖开始后 127.82 2.6 107.23 3.4 图 2.12 压实 工 况 起步起 振 功 率变化 曲 线 图 2.13 压实 工 况 停振停 车 功 率变化 曲 线 (频率 67Hz,速度 6km/h 前 进 工 况) (频率 67Hz,速度 6km/h 前 进 工 况) 通过能量特性分析可以得出: 1. 起步阶段惯性能量大于停车阶段 惯性能量,二者差值相对较 稳定。由图 2.10 所 示, 前进工况 起步惯性负荷产生能量均大于停车能量 , 因此, 在振动压路机混合动力系 统中, 蓄能器所回收能量不 够用于驱动系统工作, 必须与发动机联合驱动才能保证系统 正常启动。 由图 2.11 可知, 不同工况惯性负荷产生能量与停振停车阶段能量差值相对稳 定, 因此蓄能器回收的能量恰好可用于补偿振动压路机 起动时产生的能量而使发动机工 作在相对稳定范围内,这也 初步论证了混合动力系统用于振动压路机 的可行性。 2. 由表 2.5 可知, 起步起振阶段 达到平稳扭矩后所需能量远远大于平稳扭矩前所需 能量, 且 时间较短, 功率变化较明显, 正好可以利用蓄能器功率密度大的特点, 在达到 平稳扭矩后与发动机共同驱动系统工作,这点与负荷特性一致。 3. 由 于 振 动 压 路 机 的 制 动 依 靠 发动机 “ 反 拖 ” 实 现 , 而 反 拖 实 现 前 提 为 液 压 马 达 16长安大学硕士学位论文 将系统高压腔中压力油输入到低压腔而使低压腔压力升高, 因此, 系 统在停振停车时产 生能量有一部分要消耗到液压工作系统当中。实际可回收能量为反拖开始后 停车能量, 具体数值如表 2.5 所示。 通 过 对 振 动 压 路 机 负 荷 特 性 及 能 量 特 性 的 分 析 ,了解了 压 路 机 负 荷 及 能 量 变 化 特 点, 为混合动力系统设计奠定了 基础。 因此, 整车关键元件参数的优化匹配 、 制动能的 回收和再利用,以及控制策略的 研究是静液传动混合动力系统节能研究的重要 内容。 2.2 液 驱混 合动力系 统设计原 则 通过对压路机的负荷特性及能量特性进行分析 可以得出, 系统在起停阶段和平稳运 行阶段的负荷、能量存在巨大差异。 发动机及液压系统为适应动态需求通常匹配较大, 导致发动机功率利用率不高、 传动系统效率低、 经济性变差。 此种情况在其他工程机械 中同样存在。 因此, 对于具有大惯量、 多系统、 大负荷及负荷变化剧烈