多执行器系统能量高效转换分配液电复合一体化调控理论与方法

Hydraulic multi-actuator technology powered by centralized energy source is widely used in engineering equipment, with the advantages of high power density and good operability. But there exist a fatal disadvantage of low energy utilization efficiency. The three main reasons are pressure loss of control valve, the engine works for a long time in inefficient zone and kinetic and potential energy loss in conversion process. Among them, the energy dissipation caused by load difference is the most serious, and there is no good solution in the world so far. To solve this problem, the principle of hydro-electric composite energy storage and regulation by controlling the pressure of actuator non driving chamber is proposed innovatively. In addition, the integrated method is proposed to control the valve port pressure loss, engine power matching and actuator dynamic potential loss together by using the same set of hardware system and the same physical quantities. To achieve this goal, a new petrol electro-hydraulic hybrid mode with variety of rigid-flexible coupling and flexible coupling is developed to match the existed multi actuator system. The research aim is to solve the involved three key scientific problems, including distribution and transfer mechanism of fluid power low loss under different load conditions, the energy transfer, transfer and action law of rigid flexible coupling multi mode hybrid power system and integrated control theory of energy conversion and allocation for multi actuator system. Research work will provide a scientific basis for noticeably improving the energy efficiency of multi actuator system of engineering equipment, and the research results have wide application prospect.

工程装备普遍采用集中动力源供能的液压多执行器技术，特点是功率密度高、操控性好，但致命不足是能量利用率低。控制阀阀口压损、发动机长时间工作在低效区以及动势能转换过程的耗散，是三个最主要的原因，其中载荷差异造成控制阀产生的能量耗散最为严重，国际上至今没有好的解决方案。为此，创新性地采用执行器非驱动腔压力，液电复合储能调控原理解决这一问题，进一步提出在同一硬件基础上，基于同样的物理量，对控制阀阀口压损、发动机动力匹配和执行器动势能损耗，三个环节进行一体化调控。为实现这一目标，发明了多种刚柔和柔性耦合的油电液混合动力新模式，匹配现有多执行器系统。针对所涉及的关键科学问题，载荷差异工况流体动力低压损分配与传递机制、刚柔耦合多模式混合动力系统能量转换、传递与作用规律和多执行器系统能量高效转换分配一体化调控理论开展深入研究，为显著提升工程装备多执行器系统能量效率提供科学依据，成果具有广泛的推广应用前景。

工程机械等多执行器作业装备，普遍采用集中动力源供能，液压阀分配动力的作业模式。执行器载荷差异造成过大的节流损失，发动机长时间处于低效区以及工作装置高频次升降造成大量的动势能浪费，是制约工程装备高能效运行的主要原因，国际上至今没有好的解决方案。为此，本项目提出多执行器载荷均衡储能新原理，采用液电复合调控单元对执行器非驱动容腔进行调控，实现了载荷均衡、发动机工作点调控和动势能回收的一体化功能。.围绕载荷差异工况流体动力低压损分配与传递机制，提出了非驱动容腔压力控制策略，通过调控单元控制各执行器进油腔压力相等，将载荷差异造成的节流损失进行回收。以22 t液压挖掘机为研究对象，构建了载荷均衡储能系统液压挖掘机数字样机。研究表明在动臂铲斗复合动作时，与电液流量匹配系统相比，所提系统降低载荷差异造成的节流损失达56%，能量转换效率为51%。.围绕刚柔耦合多模式混合动力系统能量转换、传递与作用规律，以液压挖掘机动臂驱动系统为研究对象，对比分析多种混合动力驱动方案。研究表明，刚柔耦合混合动力具有更高节能潜力，相比纯发动机驱动和柔性耦合混合动力驱动系统分别降低燃油27%和18%。.围绕多执行器系统能量高效转换分配一体化调控理论与方法，设计了基于执行器载荷识别的主动驱动/能量回收控制策略，通过调控单元将执行器动势能储存在超级电容和蓄能器之中，研究表明回转动能和动臂势能的能量回收效率分别为54%和58%。.研究成果可应用工程机械等领域，对于推动我国大型装备的节能减排技术进步，具有重要的理论意义、经济价值和社会效益。.项目发表学术论文21篇，其中SCI收录期刊论文4篇，EI收录期刊5篇，其余期刊论文6篇；国际、国内学术会议论文6篇，其中4篇获最佳论文奖；授权国家发明专利6件，申请计算机软件著作权2件。出站博士后1名，培养博士研究生2名，硕士研究生7名，获评“山西省优秀博士学位论文”2篇。