高频次作业机构驱动及动势能回收一体化理论与方法

With the continuous growth of production and ownership, construction machinery following car is main energy consumption. To mechanism with high frequency, large quality or moment of inertia, a lot of kinetic and potential energy are usually consumed in the hydraulic valve port. Recycling the kinetic and potential energy is an effective energy saving measures to construction machinery. Aiming at the problem of recover and utilization of construction machinery, the project proposes the integrative idea for drive of operating mechanism and recovery of the kinetic and potential energy, including integrative recovery of the kinetic and potential energy as well as the drive and energy. Linear actuator adopt the asymmetric piston pump with three flow window and flow rate the automatically balanced differential cylinder asymmetric to directly recycle the kinetic and potential energy. The slewing mechanism use four-coordinated flow window piston motor to drive. Master chamber out of the oil port independent control, auxiliary control chamber and accumulator recovery dynamic potential energy of the slewing mechanism, and when the slewing mechanism is boot auxiliary master chamber can provide enough driving force to complete utilization of recycle energy. Research idea builds the drive and energy recovery integration test bench to test and verify in basis on theories analysis and simulation calculation. According to the test results, constantly improved the simulation model and analysis theory. Through this research, for the engineering mechanical work mechanism drive and energy recovery integration provide new theoretical basis、realization method and experimental data.

随产量和保有量的不断增长，工程机械成为继汽车之后又一大的能源消耗主体。对作业频次高、质量或转动惯量大的作业机构，大量动势能通常消耗在液压阀口上，进行动势能回收是工程机械节能降耗的有效措施。针对目前工程机械能量回收利用存在的问题，本项目提出作业机构驱动与动、势能回收一体化的思想，包括动能和势能回收一体化以及驱动和能量回收一体化。液压差动缸采用三配流窗口非对称柱塞泵自动平衡不对称流量并进行动势能直接回收利用。回转机构采用四配流窗口柱塞马达驱动，主控腔用进出油口独立控制减小节流损失，辅控腔和蓄能器回收回转机构的动势能，辅助主控腔在回转机构启动时提供足够大的驱动力，完成回收能量的利用。在理论分析和仿真计算基础上，搭建驱动和能量回收一体化试验台，进行试验测试和验证。以试验结果不断完善仿真模型和分析理论。通过本研究，为工程机械高频次作业机构驱动和能量回收一体化提供新的理论依据、实现方法和实验数据。

面对当前石化能源日益枯竭、全球环境污染问题，降低能量损耗成为工程机械领域研究热点和前沿课题，单机能源效率成为体现工程机械市场竞争力的重要指标。研究低能耗、低排放的工程机械，对节能减排具有重要的社会、经济和环境意义。对大质量和转动惯量的高频次作业机构进行动势能回收是工程机械节能降耗的有效措施。本项目提出工程机械作业机构驱动与动势能回收一体化的方案, 不需要在原有的系统中另外增设回收装置,系统简单,无需能量多次转化,系统效率高。项目在实施过程中，对双向变量机构、非对称轴向柱塞泵、四配流窗口轴向柱塞马达(双控马达)关键元部件、驱动和能量回收一体化回路开展了理论分析、仿真建模、结果分析和试验测试研究。研究结果表明：(1) 采用伺服比例阀和与斜盘固定连接的角位移传感器组成闭环控制方式对非对称泵斜盘倾角进行控制，实现非对称泵的变量输出；B口和T口的油液流量均随着斜盘角度的增大而增大，响应速度也加快；通过减小液压缸活塞直径、增大负载刚度提高了系统固有频率，同时加快了系统响应速度；增大负载压力提高了阻尼比，提高了系统响应的稳定性。实验结果也表明，非对称柱塞泵的变排量控制系统响应较快且具有较高的稳定性。（2）采用机械和液压耦合模型相结合的方法，可以解决液压马达多柱塞输出力矩合成而产生运动干涉的问题,并使仿真模型在动力学特性上接近于物理样机；双向转动液压马达配流盘结构也应该对称，在配流窗口两端都设置卸荷槽可降低柱塞腔内的压力脉冲和噪音；由于卸荷槽和腰型槽过渡处有通流面积突变现象而还是容易产生局部的压力脉冲现象，且转速越高压力波动越大，通过优化卸荷槽结构型式和参数可以减小脉动冲击。(3) 通过与对称泵控单出杆液压缸系统相比，在负载力大小及方向发生变化时，非对称泵控单出杆液压缸速度不受影响，无速度波动，系统稳定性高，简化了斗杆液压缸闭式回路控制策略; 通过液控换向阀作用，非对称泵控单出杆缸系统低压回路压力能够始终维持在补油压力，高压回路无过高压力产生，系统损耗小，能量效率高。(4) 通过RecurDyn和Ameism的联合仿真，能实时的实现机械系统模型和液压系统模型之间的信息交换和传递，较逼真的展现四配流窗口轴向柱塞马达在实际工作过程中各工况下的力学特性和运动特性等; 四配流窗口轴向柱塞马达虚拟样机的建立，改进了设计和实验步骤，实现快速虚拟实验各种设计方案。