工程機械混合動力系統(tǒng)設計與仿真.pdf

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1、·現(xiàn)代設計與先進制造技術·敬奇鋒張琦蘇凡囤工程機械混合動力系統(tǒng)設計與仿真29工程機械混合動力系統(tǒng)設計與仿真敬奇鋒，張琦，蘇凡囤(解放軍理工大學工程兵工程學院，江蘇南京210007)摘要：闡述了工程機械混合動力系統(tǒng)設計原理，介紹了混合動力系統(tǒng)結構及設計方法，利用MATLAB／Simulink軟件建立了整機動力學及發(fā)動機、電動機模型，并對傳統(tǒng)動力系統(tǒng)和混合動力系統(tǒng)進行了仿真。仿真試驗的對比結果表明，混合動力系統(tǒng)不僅能提高．y-作效率和降低燃油消耗，還可有效地減少環(huán)境污染，延長機械的使用壽命。關鍵詞：混合動力系統(tǒng)；設計；仿真；工程機械；MAT／Simulink中圖分類號：TH122

2、；TP319文獻標識碼：A文章編號：1672—1616(2010)05—0029—04近年來，節(jié)能控制技術在工程機械領域的研究1．2混合動力系統(tǒng)結構應用得到了較快的發(fā)展l】J，目前主要集中在負荷在不改變原動力驅動的基礎上，根據(jù)功率、轉傳感控制、功率匹配智能化、可變參數(shù)控制、CAN速、轉矩等性能參數(shù)進行匹配設計，增加一部交流總線技術等方面2。混合動力系統(tǒng)在保持原有動電動機作為電力驅動裝置。電動機和發(fā)動機的輸力驅動方式和性能特點的基礎上，能有效地降低燃出端并行l(wèi)4J與動力耦合系統(tǒng)輸入端相連，動力耦油消耗、提高工作效率、減少環(huán)境污染，正受到越來合系統(tǒng)為機械作業(yè)、行駛提供動力，混合動

3、力系統(tǒng)越多的關注E3]。本文以某型履帶式挖掘機作為研結構原理示意圖如圖1所示。燃油驅動保留了機究對象，分析了傳統(tǒng)動力的燃油性能和工作效率，械操作方便、機動性強的特點；電力驅動不僅能滿研究了混合動力驅動的結構原理與實現(xiàn)方法，建立足峰值負載功率的要求l5J，而且能實現(xiàn)輸出功率了傳統(tǒng)動力系統(tǒng)和混合動力系統(tǒng)模型，并進行了仿和轉矩的均衡匹配。根據(jù)作業(yè)環(huán)境和工況不同，合真試驗理選擇動力驅動方式，可大幅提高工作效率，增強其對作業(yè)環(huán)境的適應性。1混合動力系統(tǒng)設計廣圃I1．1傳統(tǒng)動力系統(tǒng)及整機的性能分析某型履帶式挖掘機的整機動力傳遞路徑為：發(fā)一回動機產(chǎn)生機械能，一部分經(jīng)過柱塞泵、齒輪泵轉換成液

4、壓能，經(jīng)過液壓缸、液壓馬達等裝置，為機械作業(yè)提供動力。另一部分經(jīng)過變速箱、驅動橋等裝一固置，為機械行駛提供動力。整機及發(fā)動機性能參數(shù)J見表1。圖l混合動力系統(tǒng)結構原理示意圖表1整機及發(fā)動機性能參數(shù)(箭頭為動力傳遞方向)性能指標參數(shù)值1．3動力耦合系統(tǒng)設計整機質(zhì)量動力耦合系統(tǒng)由動力耦合器、動力切換裝置、油門開度電液換向閥和控制電路等部分組成。發(fā)動機和電發(fā)動機額定功率動機分別與動力耦合器輸入端相連，動力切換裝置發(fā)動機額定轉速驅動電液換向閥選擇動力源，使燃油驅動和電力驅發(fā)動機額定轉矩動2種模式能自由轉換。收稿日期：2010一叭18作者簡介：敬奇鋒(1983一)，男，四川南部人，解放

5、軍理工大學工程兵工程學院碩士研究生，主要研究方向為機械設計研究。2010年3月中國制造業(yè)信息化第39卷第5期動力耦合器可以采用行星齒輪式結構[6]，傳M=—_M。0遞結構簡單緊湊、結合平順性好、動力耦合效率較C。，高、傳遞扭矩大、易控制、造價低。發(fā)動機與動力耦合器的太陽輪相連，電動機與齒圈相連，行星架作2系統(tǒng)動力學模型為耦合器的動力輸出端，混合動力傳遞示意圖如圖2．1傳統(tǒng)動力系統(tǒng)整機模型2所示。太陽輪與行星輪轉速比為，齒圈與行星工程機械動力學系統(tǒng)集人、機、環(huán)境于一體，作輪轉速比為優(yōu)，則動力耦合系統(tǒng)的油電動力傳遞業(yè)環(huán)境、駕駛員條件等都將對機械工作效率產(chǎn)生影比為72／m。響_8J

6、。整機包括駕駛員模型、發(fā)動機模型、變速箱模型、機體模型和環(huán)境模型5個部分，建立的傳統(tǒng)動力系統(tǒng)整機模型如圖3所示。駕駛員模型和環(huán)境模型為整機提供人工和環(huán)境干預參數(shù)，共同影響整機仿真結果。環(huán)境橙¨圖2混合動力傳遞示意圖1．4電力驅動源設計電力驅動源選擇YX系列三相異步電動機。此類電動機主要用于長時間連續(xù)運行、負載率較高的場合，具有高效、節(jié)能、壽命長、噪聲低、振動小、防護等級高、使用維護方便等優(yōu)點[。a．電動機額定功率設計計算。電動機輸出功率P與額定功率P滿足P=P，動力耦合系統(tǒng)油電動力傳遞比為／m，電動機圖3傳統(tǒng)動力系統(tǒng)整機模型功率與原機內(nèi)燃機功率P0滿足P=·Po·2．2駕駛員

7、模型m／n，可得：駕駛員操作機械時，根據(jù)機械運行情況及狀態(tài)P=。參數(shù)，對油門開度等操作作出決策。仿真模型以油門開度的時間序列向量表示：式中：為電動機效率；為發(fā)動機效率。P=(P1，P2，?，P)b．電動機額定轉速尺的設計計算。其中時問序列P1，P2，?，P由初始條件和測試標電動機額定轉速R與發(fā)動機額定轉速尺。匹準確定，不同的油門開度向量P會生成不同的駕配關系滿足Ro／R=／m，即：駛員模型，不同的模型對仿真結果會產(chǎn)生不同的影R=。響。c．電動機轉矩M的設計計算。2．3發(fā)動機模型電動機最大轉矩倍數(shù)丁一=M