可以看出,上述节能策略均从堵的原则出发(即尽可能少产生多余的能量),但由于挖掘机的工况复杂,挖掘负荷变化很大,系统复杂性和节能效果不能很好协调,在现有节能效果的基础上,采用堵的策略要提高5%的节能效果其难度已很大,而采用堵疏相结合的策略,则能取得更好的节能效果。复合动力系统的设计即是“堵”“疏”相结合策略的较好体现,这一策略在汽车和机车研究方面取得了良好的进展,在工程机械方面,复合动力技术的研究见诸文献的只有日本神钢公司正在开展原理样机试验,该公司于2004 年完成了一个复合动力挖掘机的原理样机并开始进行实验。在这台复合动力挖掘机上,利用柴油机带动的发电机产生的电来驱动电动马达和液压泵。同时电力还被用来进行动臂、斗杆、铲斗的挖掘工作以及挖掘机本身的行走和回转功能。当动臂下降或回转停止时,能量就会被回收并进行充电。当操作需要的功率大于柴油机的额定输出功率或者动臂提升时,利用回收的能量可以提高能源的利用率,降低燃料的消耗达40%,取得极好的节能效果和低排放环保指标,被认为新一代工程挖掘机械,并计划于2008-2010推出产品。综上所述,基于“堵”的原则开展的节能控制技术研究,国外的研究已经比较成熟,并已在国外形成了强大的产业群,这一现状对我国挖掘机械产业的发展极为不利,而我国基于现有系统研制和开发的挖掘机械不仅其技术水平始终处于二流,而且大部分利润被关键部件供应商垄断,因此,我国挖掘机械产业要想拥有自主知识产权的系统并形成产业则必须考虑切入点。当前,基于混合动力系统的节能汽车的研究工作在国内外开展得如火如荼,取得了良好的进展,而基于混合动力系统的挖掘机械的研究国外也刚刚起步,开展这一技术的研究,提出具有自主知识产权的实现方案不仅具有重大的理论价值和应用前景,而且具有可行性。 本项目针对挖掘机高效、节能、环保和智能化的发展特征,为进一步提高挖掘机的节能效果并使我国工程机械达到欧3的排放标准,开展具有前瞻性的基于混合动力技术的、高效节能的挖掘机关键技术(包括挖掘机械混合动力{zy}布置方案、动力源分配模型和电池组状态检测、泵阀和混合动力系统联调的{zy}控制方法、高效的能量再生部件设计方法等)的研究,在我国首次将混合动力概念引入到工程作业机械的节能研究中,为我国自主研发较现有发动机、液压系统节能技术可达40%以上的新一代高效节能机器人化的挖掘机械提供探索性的设计理论、方法和实验平台,提高我国挖掘机械产业的综合竞争能力。 混合动力挖掘机研究现状 为了进一步提高挖掘机的节能效果,混合动力挖掘机已成为世界各大挖掘机厂家的重点研发产品。在混合动力挖掘机研制上{zx0}起步的日本神钢建机公司已于2006年初完成了两台混合动力挖掘机的样机试制,计划于2008年市场化。其它一些公司如日立、小松、卡特等也都已开始了对混合动力挖掘机的研究。 但目前关于混合动力技术的研究基本上都是针对汽车的,研究内容主要包括,一是混合动力源模式的研究,主要有串联、并联及混联三种布置方案;其次为,混合动力控制策略的研究,对于不同的混合动力模式,控制方法也是不同的。现在用于混合动力汽车的控制策略主要有以下几种方法: 1)适用于串联的控制方法:恒温控制、功率跟踪控制。 2)适用于并联的控制方法:电力辅助控制、全局优化控制、综合管理控制 对于混合动力的挖掘机来说,无论在混合动力布置方案的选择上,还是在控制方法上,目前一般都是直接借鉴了混合动力汽车的技术,如现在处于{lx1}地位的日本神钢公司等,具体针对挖掘机性能、工作特点的混合动力技术的研究才刚刚起步,目前在国内外还都没有进行深入的研究。 虽然同为混合动力驱动的挖掘机与汽车有一定的相似性,但是挖掘机与汽车相比不论在系统结构,还是工作特点上都有较大的差别。相对于汽车,挖掘机的工况更为复杂,外负载的变化幅度更大,变化更加频繁;其次,汽车的动力只输出到一个目标物,而挖掘机一般至少要驱动两个液压泵,有时不仅要驱动液压泵,还可能用电动机直接驱动机械系统,因此在研究动力控制问题时,相比于汽车,挖掘机的动力分配系统不仅包括动力源的分配问题,还包括动力输出的分配问题;另外挖掘机与汽车的动力传输方式不同,汽车的动力源直接驱动机械系统,而挖掘机一般是动力源驱动液压系统,然后再将液压能转化为机械能,因此和汽车相比,挖掘机增加了一个液压系统,因此在进行全局动力控制时,液压系统将是不可忽视的一部分,然而液压系统具有很强的非线性特性,且很多参数是不确定的,并且结构非常复杂,所有这些都使整车的动力控制系统变得更为困难;然而另一方面,由于液压系统本身可根据负载状况进行自我调节,且液压系统可控制的参数较多,如控制液压阀的开度可调节工作速度,调节液压泵的排量可直接控制所需要的扭矩等,因此由于液压系统本身的可控制性,也将在一定程度上会有助于整车的动力控制。 总之挖掘机与汽车的工作特点、系统结构以及动力传输的方式等方面都有很大的不同,如果不根据挖掘机的特点,直接采用混合动力汽车的混合动力布置方案、动力控制策略等技术将很难取得良好的效果。因此深入研究混合动力挖掘机的动力布置方案、控制策略以及能量分配等这些混合动力挖掘机的关键技术是非常必要的,也是进一步提高混合动力挖掘机的性能急待解决的技术难题。 主要参考文献
[1] 高峰,潘双夏:负流量负荷传感控制策略,《农业机械学报》,录用待发表 [2] 潘双夏,刘静等:挖掘机器人虚拟样机的机电液一体化建模与仿真,《中国机械工程学报》,2003.10 [3] 林锋,潘双夏:挖掘机器人的实时控制系统研究,《机电工程》,2004(4) [4] 刘 静,潘双夏,冯培恩:挖掘机器人虚拟样机建模策略与仿真技术研究,浙江大学学报(工学版),2004(11),EI 收录 [5] 冯培恩,高峰,高宇:液压挖掘机节能控制方案的组合优化,《农业机械学报》,2002年7 月 [6] 刘静,潘双夏等:基于Simulink 的挖掘机液压系统建模与仿真技术,《中国工程机械学报》,2003.10 [7] 高峰,冯培恩,高宇:挖掘机器人液压传动的伺服控制策略,《液压与气动》,2002 年1 月 [8] Sung-Uk Lee and Pyung Hun Chang, Control of a Heavy-duty Robotic Excavator using Time Delay Control with Switching Sction with Integral Sliding Surface, Proceedings of the 2001 IEEE, International Conference on Robotics & Automation , Seout, Korea, May 21-26, 2001 [9] Q.H. Nguyen, Q.P. Ha, D.C. [10] Kazuo Uehara and Hiroyoshi Tominaga, Energy Saving on Hydraulic Systems of Excavators, SAE paper, 821057 [11] James Rumbaugh, Ivar Jacobson, Grady Booch, The Unified Modeling Language Reference Manual, Addison-Wesley, 1999 [12] James Rumbaugh, Ivar Jacobson, Grady Booch, The Unified Software Development Precess,Addison-Wesley, 1999 [13] Jim Arlow, Ila Neustadt, UML and the Unified Process: Practical Object-Oriented Analysis & Design, Pearson Education Limited, 2002 [14] Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, John Vlissides, Design Patterns Elements of Reusable Object-Oriented Software, Addison-Wesley, 1995 [15] Bruce Powel Douglass, Real-Time UML: Developing Efficient Objects for Embedded Systems, Addison-Wesley, 2000 [16] 高峰,液压挖掘机节能控制技术的研究,浙江大学博士学位论文,2001.9 [17] Running combined multibody hydraulic system simulations within [18] Prof. S Liebeg, S Dronka, http://www.opal-rt.com/francais/downloads/docparapplications.html, [19] Peter Beater, Martin Otter. Multi-domain simulation: mechanics and hydraulics of an excavator. Proceedings of Modelica’s 2003 conference. pp.331-340 [20] S.Johnny Fu,Mark Liffring, Ishaque S.Mehdi. Integrated electro-hydraulic system modeling and analysis. IEEE AESS Systems Magazine, July 2002:4-8 [21] McConville J B. The application of the [22] Y H Zweiri, L D Seneviratne, K Althoefer. Model-based automation for heavy-duty mobile excavator. 2002 IEEE/RSJ Int. Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2002). pp.2967-2972, EPFL, [23] George S C, Burnham K J, Mahtani J. Modeling and simulation of hydraulic components for vehicle applications-a precursor to control system design. Int. Conf. On Simulation, IEE Conference Publication. 1998, 457:126-132 [24] Michael Hoffmann, Brian Cheung, Douglas Peterson. A framework to measure and improve your virtual prototyping process. 2002 Japanese MSC.ADAMS User Conference Proceedings |