液压挖掘机回转能量回收系统设计与仿真开题报告

文献综述

1前言

液压挖掘机在工程机械中属于典型装备，广泛应用于各种土石方作业，如房屋建筑，筑路工程，水利建设，农林开发，港口建设，国防工事，矿山采掘等[1][2]。在常见的工程机械设备如液压挖掘机，推土机，起重机械，以及路面机械中，挖掘机在使用频率和工作量上都占到前列[3]。全球范围内，随着工业技术的不断发展，能源需求量越来越大，然而石油、煤炭、天然气等不可再生资源的存有量却越来越少，而另一面，每年燃烧的燃油、煤炭、天然气等越来越多，因此而生成的废气也越来越多，全球温室效应最近几年逐渐显现。能源问题和环境问题已成为全球关注的问题。工程机械使用量大、油耗高、排放差，污染严重，已逐渐成为节能减排的主要对象。在这样一个大环境下，液压挖掘机等工程机械耗油大户节能、降低排放成为首当其冲的任务。

2.国内外发展状况

液压挖掘机挖掘机行业的发展历史久远，可以追溯倒1840年。当时美国西部开发，进行铁路建设，产生了模仿人体构造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰类似机械手的挖掘机，它采用蒸汽机作为动力在轨道上行走。但是此后的很长时间挖掘机没有得到很大的发展，应用范围也局限于矿山作业中[4]。

由于液压技术的应用，二十世纪四十年代有了再拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机。随着液压传动技术迅速发展成为一种成熟的传动技术，挖掘机有了适合它的传动装置，为挖掘机的发展建立了强有力的技术支撑，是挖掘机技术上的一个飞跃。

但是，随着挖掘机的发展，一系列的能量利用率不全的问题也随之产生，在能源日益紧缺的今天，高效节能的产品日益受到人们的青睐，节能技术一直是液压领域所关注的重大课题之一液压挖掘机是一种功率比较大的工程机械，但是其能量的总利用率仅为20%左右[5]。受世界能源危机和环境保护的影响，液压挖掘机实现能源节约一直是业界努力追求的目标[6]。

液压挖掘机由于其用量大、耗油高、排放差，已逐渐成为节能环保领域普遍关注的主要对象之一[7]。当前，液压挖掘机的节能研究主要包括如下三个方面：一是提高元件性能，元件的改进对液压挖掘机系统效率发挥了重大作用，但节能空间有限；二是改进液压系统，液压系统效率较低，应作为节能的一个主要研究对象；三十改善发动机-液压系统-负载的功率匹配，功率匹配的目的在于充分利用发动机的输出能量。[8][9][10]

3.液压挖掘机涉及相关知识及概念

3.1理解什么是液压系统

液压系统是一种以油液作为工作介质，利用油液的压力能并通控制阀门等附件操纵执行机构工作的整套装置，包括动力元、执行元、控制元件、辅助元件（附件）液压油原动机的输出特性往往不执行机构的要求（力，速度，位移）理想匹配[11]。因此，就需要传动装置，原动机的输出量进行适当变换，使其满足工作机构的要求。液压系统就是用液压原理来实现这种变换功能的装置[12]。

3.2液压挖掘机回转液压系统的概念：

回转运动是液压挖掘机的主要动作之一，是由液压挖掘机回转液压系统来完成的。在挖掘机工作时，回转过程可分为加速、匀速、减速3个阶段[13]。

2.3液压挖掘机在工作过程中存在的能量损失，发生的原因及后果[14][15][16]

在液压挖掘机的所有工作循环中，回转运动占液压挖掘机整个工作循环时间的50%～70%，回转运动能量损耗占25%～40%，发热量占系统总发热量的35%～40%；液压挖掘机回转制动能量回收[17]。在回转过程中，挖掘机能量损失包括以下两点:

(1)启动过程中所产生的溢流损失;

(2)制动过程中产生的动能损失。[18]

4.液压挖掘机节能研究概况

4.1国内液压挖掘机节能技术研究现状

液压挖掘机自从出现以来，高效、节能、减排一直是世界各国生产商追求的主要目标之一，针对目前液压挖掘机的能耗问题，世界上许多挖掘机和液压元件生产厂商相继提出并开发出一系列液压元件和控制系统，以提高其能量利用率[19]。总的来说，目前液压挖掘机节能技术的研究方向主要可概括为两方面：意识发动机和液压泵的功率匹配，另一个的液压泵和负载的功率匹配[20]。液压泵和负载功率匹配主要是通过对液压泵的控制来达到节能目的，对液压泵的控制主要分为功率控制、流量控制盒组合控制三种形式[21][22][23]。

4.2液压回转系统概述

挖掘机的回转系统一般由回转操纵阀、回转马达、缓冲补油回路、回转泵等组成。挖掘机系统对回转系统基本要求：

（1）在角加速度和回转力不超过允许值的前提下，应尽可能的缩短回转时间，提高挖掘机的效率；

（2）挖掘机回转能量损失最小，回转机构的传动效率最高；

（3）在可能的条件下，回转运动要和动臂、斗杆和铲斗油缸符合动作，从而提高挖掘机的效率；

（4）挖掘机回转时，工作装置的动载系数不应超过允许值；

（5）回转时应平稳，无冲击。制动时间应尽量短，而且无冲击。并且回转时有一定的调速范围。[24]

5.总结

挖掘机主要从事野外工作，工况周期短（约15秒）且复杂，负载大且过载频繁、动态响应要求高，控制算法、控制策略和操控性复杂。因此，参数优化匹配，控制策略，能量回收技术以及可靠性和操控性研究是未来液压挖掘机混合动力技术发展与应用的重点和难点[25][26][27]。

要对液压挖掘机混合动力系统进行研究，必须首先要对挖掘机混合动力系统模型及特性进行研究[28]。混合动力工程机械可有效降低燃油消耗和尾气排放，具有巨大的社会效益；能够带动促进相关零部件生产企业的发展，提升中国工程机械产业的技术水平和市场竞争力，具有巨大的市场价值。尽管混合动力技术现在还处于起步阶段，但是这将是未来工程机械的技术发展方向[29][30]。

四.主要参考文献

[1]高佩川、孙孟辉、李建启液压挖掘机回转液压系统能量回收研究[论文]2012：5-7

[2]雷廷强，刘强．液压挖掘机节能控制系统的研究［J］．机床与液压，2009，37(8):71-73．

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[4]桑勇，王占林，祁晓野,等,液压传动系统中节能技术的探讨［J］．机床与液压,2007,35(3):83－86．

[5]谢迪、潘双夏混合动力液压挖掘机动力系统研究[论文]，2008：103-106；

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ski,Experimentalandtheoreticalanalysisofacohesivesoil

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Austria.

[7]W.Szczepinski,Limitstatesandkinematicsofgranular

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[8]R.Izbicki,Z.Mroz,Limitstatesanalysisinmechanicsof

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[12]郑辉基于蓄能器能量回收的挖掘机回转节能研究[论文].2013;1

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[15]宋世鹏，朱新云，赵磊．液压挖掘机功率损失分析及节能控制技术研究［J］．机床与液压，2008，36(11):80－81

[16]雷廷强，刘强．液压挖掘机节能控制系统的研究［J］．机床与液压，2009，37(8):71－73．

[17]张庆永，常思勤．液驱混合动力车辆的制动能量回收研究［Ｊ］．中国工程机械学报，2008，6（3）：293-298．

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[19]孔德文，赵克利，徐宁生，等．液压挖掘机［M］．北京:化学工业出版社，2007:29－60．

[20]王春行．液压控制系统［M］．北京:机械工业出版社，1999.

[21]张彦廷基于混合动力与能量回收的液压挖掘机节能研究[论文]2006:

[22]金立生、赵丁选、国香恩.液压挖掘机PID专家节能控制系统.2003（6）1-3

[23]高峰、冯培恩、潘双厦、高宇。液压挖掘机节能控制综述。工程机械与维修，2001,12:40-43

[24]李赛白液压挖掘机回转制动能量回收系统研究[论文]2012

[25]纪绪大吨位履带起重机液压系统的动态特性研究[论文]2013

[26]林潇,管成,潘双夏,王冬云.并联式混合动力液压挖掘机参数匹配方法[J],农业机械学报,2009,40(6):28-32.

[27]王庆丰,张彦廷,肖清.混合动力工程机械节能效果评价及液压系统节能的仿真研究[J],机械工程学报,2005,41(12):135-140.

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[29]刘刚,宋德朝,陈海明,陈明.并联混合动力挖掘机系统建模及控制策略仿真[J],同济大学学报（自然科学版）,2010,（7）:1079-1084.

[30]何清华,刘昌盛,龚俊,张大庆,赵喻明.一种液压挖掘机并联式混合动力

系统结构及控制策略[J],中国工程机械学报,2011,9(1):48-53.

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

本课题要研究或解决的问题：

鉴于混合动力系统在汽车上的成功运用，在液压挖掘机上装备混合动力系统成为一种可能，并已受到许多液压挖掘机制造商和科研机构的重视，通过建立数学模型，更好的研究分析液压挖掘机并联式混合动力系统性能。

拟采用的研究手段（途径）：

在图书馆查阅相关书籍和资料，在认真研读的情况下能够画出并联式混合动力液压挖掘机系统原理图和挖掘机工作装置结构图。对原理图进行元件分析选型及参数设定，计算说明等，并对其进行数学建模，以传递函数的形式体现，利用Matlab中的Simulink进行仿真研究。并绘制数学建模流程控制图。

进度计划：

2014-2-24~2014-3-10：针对并联式混合动力液压挖掘机建模查阅相关资料。

2014-3-11~2014-3-25：完成开题报告。

2014-3-25~2014-4-15：针对挖掘机系统建模，对系统的各种参数进行数学建模分析。

2014-4-16~2014-4-30：画出并联式混合动力液压挖掘机系统原理图。

2014-4-31~2014-5-20：进行公式推导，整理技术资料。

2014-5-21~2014-6-10：完成CAD图，完成毕业论文。

指导教师意见：

1．对文献综述的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

年月日

所在专业审查意见：

负责人：

年月日