混合动力挖掘机机电耦合特性研究

博士学位论文混合动力挖掘机轴系耦合特性研究学科专业：机械工程研究方向：学院（系、所）：机电一体化机电工程学院编号：043110015中南大学2015年6月分类号VDC密级博士学位论文混合动力挖掘机轴系耦合特性研究ResearchonCouplingCharacteristicoftheHybridExcavatorShaftsystem学科专业：机械工程研究方向：学院（系、所）：机电一体化机电工程学院编号：043110015论文答辩日期答辩委员会主席中南大学2015年6月原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：日期：年月日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：导师签名日期：年月日摘要降低能耗减少排放，开发研制环保节能型工程机械是我国工程机械行业的必由之路。混合动力工程机械以其动力和排放的综合优势现成为工程机械的发展趋势。混合动力工程机械的核心是混合动力驱动系统，由于发动机系统和电气系统对混合动力系统轴系的耦合作用改变了混合动力轴系的激励特性，将会使动力轴系振动和作用于各轴段的转矩及其机械应力发生改变，诱发轴系扭振，并造成扭转疲劳可使轴系损坏。因此，研究混合动力挖掘机的振动产生机理，以提高混合动力系统性能，优化混合动力能量分配，提高混合动力挖掘机的产品品质和使用寿命，并且具有重要的学术意义和实际应用价值。本文主要围绕发动机、液压泵和电动机之间的耦合作用规律及混合动力系统轴系的振动特性开展深入分析和研究，具体如下：1）对并联式混合动力系统的结构进行分析，并针对混合动力系统双动力的特点，设计了混合动力工作模式识别器，编写了控制策略，并建立了协调控制系统仿真模型，为并联式混合动力系统实际工作状态仿真分析做准备。2）利用MATLAB软件分别建立发动机压力重构仿真模型、电机仿真模型、蓄电池仿真模型、液压泵仿真模型，最后建立了通轴并联式混合动力系统仿真模型，仿真输出了发动机气缸压力、电机电磁转矩、液压泵负载转矩、蓄电池荷电状况等数据，既验证了仿真模型的可行性和可靠性又为后续混合动力轴系振动特性研究提供激励输入数据。3）基于多体动力学理论，建立了多刚体模型；以有限元法为基础，建立了混合动力轴系有限元模型，并进行了模态分析，定性分析出联轴器附近为“易断轴段”，并分别建立了刚性连接和柔性连接的混合动力轴系动力学仿真模型，仿真对比得出柔性连接有利于改善轴系振动特性，最后对柔性连接的混合动力系统进行不同油门开度、发动机、电机助推、电机发电、重载工况下五种工作模式仿真。仿真结果表明：电机助推模式下轴系的扭振和水平弯振幅值稍有减小，但垂直弯曲振动和纵向振动幅值均匀增加；电机发电工作模式下的扭振和弯曲振动振幅均有所减小，纵向振动幅值稍有增大；在混合动力重载真实工况下，轴系的扭振和弯振幅值均有大幅度减小，纵振稍有增加，从而获得电机的引入对于动力系统轴系振动特性是有益的，即混合动力工程机械系统相比传统工程机械系统的轴系振动特性有所改善的结论。4）从力学角度出发分析混合动力轴系耦合振动产生机理，推导出混合动力轴系机电耦合扭转振动的公式，为本文仿真结果提供理论支撑。5）设计与搭建了混合动力工程机械实验平台的，进行了三种工况下的机电耦合振动特性测试。得到以下结论：不同油门开度下，转速的增加时，混合动力轴系的扭转振动幅值也增加；电动机助推模式相比发动机模式下，混合动力轴系的振动幅值更大；电动机接入混合动力系统的周期越短，轴系的振动幅值更大，轴系振动也越严重。关键词：混合动力挖掘机，轴系，耦合特性，模型分析，耦合特性测试目录第一章绪论.............................................................................................................11.1研究背景及意义............................................................................................11.2国内外研究现状及发展趋势........................................................................21.3本文的主要研究内容....................................................................................6第2章并联式混合动力系统结构与工作过程.........................................................72.1并联式混合动力系统结构............................................................................72.2并联式混合动力系统控制策略....................................................................82.3混合动力系统动态协调控制原理................................................................92.3.1混合动力系统工作模式识别规则.......................................................92.3.2发动机油门控制方法.........................................................................102.3.3混合动力协调控制系统建模.............................................................112.4本章小结.....................................................................................................12第3章混合动力系统轴系振动激励分析...............................................................133.1概述..............................................................................................................133.2混合动力系统动力元件建模......................................................................133.2.1发动机仿真模型.................................................................................133.2.2电机仿真模型.....................................................................................183.2.3蓄电池仿真模型.................................................................................223.2.4液压泵仿真模型.................................................................................233.3混合动力系统激励建模仿真......................................................................243.3.1混合动力系统激励仿真模型.............................................................243.3.2混合动力系统激励仿真分析.............................................................253.4本章小结.....................................................................................................28第4章混合动力轴系动力学仿真分析...................................................................294.1概述..............................................................................................................294.2轴系振动多体动力学建模原理..................................................................294.2.1多刚体动力学理论.............................................................................304.2.2多柔体动力学理论.............................................................................304.2.3混合动力轴系振动多体动力学分析方法.........................................314.3混合动力系统轴系多体动力学建模.........................................................324.3.1混合动力系统轴系多刚体模型........................................................324.3.2发动机曲轴有限元模型....................................................................344.3.3电机转子有限元模型........................................................................354.3.4混合动力轴系有限元模型.................................................................354.3.5刚性连接的混合动力轴系柔性多体动力学仿真模型....................364.3.6柔性连接的混合动力轴系柔性多体动力学仿真模型....................384.4连接方式对混合动力轴系振动特性的影响分析.....................................414.4.1混合动力轴系多体动力学联合仿真模型的建立............................414.4.2刚性