工程机械多动力源复杂轴系扭振及其主动控制研究

The dynamic characteristics of hybrid construction machinery complex shafting are changed because of coaxial connection of engine, motor and pump. The torsinal vibration is more serious to generate a new torsinal vibration problem of multi-power sources complex shafting. Moreover, the frequent and intense load of hybrid construction machinery may causes the breakdown failure of motor shaft. And it is one of the main influences of regular function. The electro-mechanical coupling dynamic model of shaft torsinal vibration system of hybrid construction machnery is established. The torsinal vibration characteristics and rules of coaxial shafting which is made up of engine, motor and pump are analysed. The torsinal vibration design suggestions of mechanical structures and parameters of coaxial shafting are proposed, by analysing how the mechanical structures and parameters influence the torsinal vibration. The proper control method and control strategy are found to provide theoretical foundations and design references for torsinal vibration active control. The precision of torsional vibration model and validity of numerical calculation method are verified by experiment research. With this project,the mechanism and rules of caoxial shafting torsinal vibration, theoretical foundations and design references of coaxial shafting torsinal vibration design, and active control theory and method of multi-power sources coaxial shafting with frequent and intense load will be obtained.

发动机、电机、液压泵等多种动力源的共轴连接使得混合动力工程机械轴系动力学特性发生改变，轴系扭振更为严重，形成一个多动力源复杂轴系扭振的新问题。由于工程机械负载变化的频繁和剧烈，扭振还可能导致断轴等严重事故，从而成为影响其正常工作的重要因素。本申请课题建立混合动力工程机械轴系扭振系统的机电耦合动力学模型，分析发动机、电机、液压泵组成的动力轴系的扭振特性及规律；探明轴系机械结构、参数对轴系扭振的作用规律，提出轴系机械结构布局及系统参数的低扭振设计建议；寻求合适的扭振主动控制策略和方法，为轴系扭振主动控制提供理论基础和设计参考；通过实验研究验证数学模型的准确性以及数值计算方法的有效性。预期通过本项目研究，探明混合动力工程机械轴系扭振机理与规律，为轴系结构设计以及系统参数的低扭振设计提供理论基础和设计参考，在多动力源共轴连接、负载变化频率高幅度大系统的扭振主动控制方面丰富主动振动控制理论和方法。

发动机、电机、液压泵等多种动力源的共轴连接使得混合动力工程机械轴系动力学特性发生改变，负载的大幅度频繁变化使得轴系扭振更为严重，形成一个多动力源复杂轴系扭振的新问题。本项目以有限元法为基础，综合考虑通轴并联式混合动力挖掘机动力系统结构、模态分析、激励源和主轴变形，联合ANSYS、MATLAB和ADAMS建立了混合动力工程机械轴系柔性多体动力学仿真模型，进行了联合仿真研究，探明了不同工况下的扭振特性，结果表明，电机的引入改变了扭振特性，实际工况下由于工况的频繁切换导致扭振加剧；研究了轴系连接方式和结构参数对扭振的影响，结果表明，柔性连接和增加轴系的转动惯量有利于抑制扭振，因此轴系连接采用弹性联轴器，将电机做成圆盘状替代发动机飞轮盘以增加轴系转动惯量都是有利于抑制轴系扭振的；从电气控制角度出发，将电机转矩作为控制对象，电机转速作为控制输出，分别采用模糊PID控制和模糊滑模变结构控制方法来实现挖掘机动力平滑切换控制，仿真结果表明，该控制方法可有效抑制轴系扭振，实现动力平滑切换；搭建了混合动力系统实验平台，对不同油门开度和不同工作模式下的扭振进行了测试，测试结果的趋势与仿真结果相同。