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                  微挖掘機去中心化水力學

                  來源:上海自動化儀表四廠作者:發表時間:2017-08-22 08:48:56

                  環境限制和經濟壓力促使人們對混合動力和電動越野移動機械產生了更大的興趣。根據Tatiana Minav、Tatiana Minav和Tatiana Minav在芬蘭埃斯波大學的Tatiana Minav和Shuzhong Zhang的研究,除了在液壓系統中節能的方法外,一個有前景的概念是z區域性的或分散的液壓系統,這是在飛機工業中首先開創的方法。

                  研究人員在一臺類似于JCB微挖掘機的機器上檢查了分散的液壓系統。(照片由JCB)

                  在今年6月在瑞典的年會上舉行的第15屆北歐國際流體動力會議上,他們描述了一個完全分散的系統,可以提高生產力,減少能源消耗,并確保在不同環境下運行的移動設備的性能良好。

                  研究人員說,在傳統的挖掘機中,與最大工作負荷對應的液壓動力總是由水泵提供,而過量的電力則會隨著熱量消散。即使在低工作負荷的情況下,也很難降低輸入功率,因為執行機構的聯合控制需要分布式流量。此外,在降低和旋轉剎車時的勢能和動能也會隨著熱量消散。

                  多動機構的施工機械通常配備有負載感應(LS)系統。在LS系統中,泵的供給壓力被調整以適應最高的負載壓力和恒定壓力的偏移量。當多個執行機構同時運行時,低負荷執行機構的功率損耗特別大。通過在一個典型的挖掘周期中移除控制閥門,可以避免在工作周期中出現相當大的能量損失,并且可以回收一部分能量。

                  研究人員注意到,混合動力系統已經被開發出來用于建筑機械,例如系列和并聯的混合液壓挖掘機?;旌舷到y將通常需要的發動機的功率峰值降至最低,這樣可以顯著降低燃料消耗,延長發動機壽命,降低維護成本。例子包括一個小松20噸的平行混合挖掘機,日立ZH200和Logset 12H GTE混合林業收獲機。該行業的其他趨勢包括無閥或位移控制和普通壓力-軌方法。

                  相比之下,Aalto的工程師們的工作是用直接驅動的液壓(DDH)來進行分散的液壓系統。在一個完全分散的系統中,液壓泵與發動機斷開連接,并在整個系統中分布的液壓動力包中更換。

                  DDH結合了傳統液壓和電氣智能的優點,并提供了諸如:簡單的施工機械的電氣化;與傳統機器相比,效率更高;少潛在泄漏點;平滑和精確的運動;控制power-on-demand;和能源再生。

                  在這項研究中,一噸重的JCB微型挖掘機用10千瓦的電動機和鋰鈦酸電池取代了14千瓦的柴油發動機。摘要采用傳統的閥門控制,電動機運行的起止邏輯系統提高了能源效率。

                  摘要針對典型的挖掘周期,采用DDH的挖掘機液壓系統,對其節能效果進行了研究。首先,他們在Matlab仿真中開發了一種耦合多體動力學模型。摘要為了獲得致動器的動力響應和能量消耗分布,本研究在matlab/simulink中建立了一種特殊的模型,該模型集成了微型挖掘機的力學、液壓、電氣和控制系統。仿真結果驗證了微挖掘機的簡化模型。

                  在微型挖掘機中,采用了內部齒輪馬達(即泵/電機),在泵和電機之間進行了操作模式切換。用于膨脹、臂和桶的原始閥門控制系統分別被3個DDH單元取代。在DDH裝置中,一種固定的排量泵/電動機,具有轉速控制的電動伺服馬達,直接控制泵進和出出系統的油量。液壓泵/電機根據伺服電機的轉速,產生一個流量。此外,一個液壓蓄能器取代了傳統的坦克。

                  在模擬中,典型的挖掘周期代表著挖掘機挖土,旋轉,將負載釋放到樁上,然后回到初始位置。桶容量為20公斤。

                  一個關鍵的目標是在一個典型的運行周期中計算DDH單元的能量效率和總體效率,并確定能量恢復的潛力。結果表明,在工作周期中,熱膨脹DDH、arm DDH和桶DDH的能量效率分別為67.5%、75.4%和77.5%。3個DDH單位的前附件的整體效率大約是73.3%這比一種典型的5噸級挖掘機的效率高了很多。此外,繁榮DDH的潛在能源復蘇估計為1.54 kJ。

                  Logset 12H GTE收割機是混合動力移動設備的一個例子。

                  為簡單起見,模擬結果使用了一個獨立的DDH電源組,代表一個桶或一個臂柱,同樣需要的泵/電機的位移比。相對于仿真,位置、速度和壓力的測量結果顯示了可接受的精度。

                  研究人員警告說,這個模型需要進行一系列的簡化。氣缸摩擦的模型沒有考慮溫度和壓力的變化。泵泄漏模型只考慮壓力差,而不考慮速度和溫度變化。在這個模型中不包括開/關閥門,管道被認為是靜態流體。同樣地,沒有研究空化問題。他們說,在最初的研究階段,這些簡化被認為是可以接受的,盡管它們應該在將來被考慮。

                  對DDH和分散水力學的系統控制并不是該研究的重點,也沒有對其進行詳細的研究。一種自調節的模糊PID控制,控制電機的轉速控制,采用固定PID控制作為電流控制和氣缸位置控制,以響應液壓系統的負載力矩擾動。因為分散的液壓系統不使用比例控制閥,系統阻尼比傳統系統低,這導致了一些振蕩。因此,未來的DDH的控制策略可以得到改進。

                  與DDH的能量再生可以提供額外的好處。例如,繁榮DDH的潛在能量回收可以轉化為電能。在本研究中,在此研究中,不考慮能量存儲、逆變器和電力電子的逆變器的逆變器。能量可以通過電池或超級電容器來儲存,盡管這需要額外的組件,并影響成本、效率和維護。

                  盡管如此,該研究表明,在微挖機中,效率增益、典型的循環控制和潛在的能量回收是可行的。因此,在未來的建筑設備設計中,可以采用分散式方法。


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