混合動力工程機械動力系統的構成理論現狀及研究進展

張帆

（無錫商業職業技術學院，江蘇 無錫 214153）

混合動力工程機械動力系統的構成理論現狀及研究進展

張帆

（無錫商業職業技術學院，江蘇 無錫 214153）

文章從力學的角度分析了曲軸兩種耦合振動產生的機理，根據牛頓定律得到軸系耦合振動相互作用的關系表達式，然后針對混合動力工程機械系統的結構特殊性，通過對混合動力系統軸系的簡化。對于實際的混合動力系統，由于存在多動力元件給系統主軸結構帶來更多的復雜性，軸系因此而產生的振動情況要復雜的多，而且針對上述建立的耦合方程的求解也十分不便。由此，建立實際軸系的幾何模型，運用有限元技術和多體動力學方法具體分析混合動力軸系的振動性。

混合動力；工程機械；動力系統；機電一體化

1 混合動力工程機械研究進展

伴隨著世界化石能源面臨枯竭，對于經濟發展的需求，研究節能環保的新型產品和創新性技術已經成了全球工業化發展急需解決的問題。在汽車方面，泥合動力技術已經成功應用并推廣，這給工程機械的開發設計和運用新型混合動力技術提供了很好的借鑒作用，以前已有不少工程機械生產廠家和科研機構開展了對混合動力工程機械方面的技術性研究。國內外各工程機械行業都在進行對于混合動力技術的應用研究，對于如何利用Hybrid系統減小燃油的消耗量、減少廢氣的排放更是作為重點問題研究。大多數工程機械行業廠家都開始了將混合動力技術應用于工程機械方面的研究但是由于工程機械特殊的工作環境，作業的不確定性，負載可能出現的劇烈波動等特點，混合動力技術在工程機械方面的應用推廣還將面臨許多重要問題，如混合動力系統動力元件參數優化匹配研究，動力總成控制器的開發，系統的能量快速回收儲存問題。面對混合動力技術應用于工程機械的眾多問題，項目中采用實際施工過程中運用最多、工作環境最為復雜、對設備的要求最好的液壓挖掘機作為此課題的研究對象，重點對如何配置混合動力系統的動力元件、工作模式識別控制、控制器設計研發和對于可回收能量的利用存儲問題進行研究，旨在減小工程機械的廢氣排放污染，有效提高機械的燃油利用率，提高我國混合動力工程機械的研發能力和增加其市場占有率。

2 軸系耦合振動建模研究

軸系運轉時由結構變形引起的振動一般是通過產生扭振等方式表現出來，軸系如果產生振動將會對機械的可靠性和安全性以及使用壽命造成非常大的影響，對于如何減小軸系結構振動進行的研究非常多，但大多數都只是注重于單一振動形式的分析，只有極少部分人對于因為各種振動干擾引起的耦合做了研究分析混合動力工程機械系統中的驅動系統元件主要由發動機和電機組成，發動機曲軸系統在受到氣虹壓力時，會產生周期性高速旋轉，此時和軸系一起轉動的運動元件將會產生附加的慣性力作用在曲軸上，運轉的同時將產生各種形式的振動，包括各自的單一振動和相互耦合產生的振動。由于內燃機的結構特點和受力形式，軸系的主要振動方式為扭振，而當曲軸受力發生扭轉振動時曲拐會產生收縮變形，軸系會出現張、合運動現象，從而引起曲軸的彎曲振動和縱向振動，并激勵機體產生彎曲和扭轉振動。此外由于混合動力系統中多了電機的加入，系統主軸軸系的剛度、阻尼、支撐方式和振動激勵方式都將會發生變化。當混合動力工程機械動力系統軸系旋轉時，發動機曲軸受到周期性循環的激勵作用時就會產生相應的振動，而電機轉子因為受到振動的影響又會造成轉子與定子之間的氣隙發生變化，而當氣隙不對稱時，電機轉子會產生干擾激勵，反過來軸系受到電機轉子的不平衡干擾力時又將產生振動，系統中的機電耦合振動從此而來。這些振動將給發動機和電機帶來非常大的危害曲軸的扭轉振動，可能導致它的疲勞失效破壞，而發動機的橫向振動則會使油箱受到擠壓，嚴重時會造成郵箱底部出現裂紋，縱向振動會使整個系統發生搖擺，曲軸的活塞組件在氣缸中碰撞，促使與氣缸壁的加速磨損，縮短使用壽命。此外，曲軸的振動破壞了軸系原有的平衡狀態還將引起機體額外的振動和噪音；產生附加載荷，是曲軸連接件發生疲勞失效。對于電機而言，軸系的振動也將引起電機不可估計的損失。為了更好的分析軸系的機電耦合振動問題，必須了解為何軸系會產生機電振動耦合以及振動的機理特性，首先選取單位曲柄作為研究對象分析了曲軸的彎扭耦合振動，然后再對機電耦合作用做了分析。

3 軸系機電耦合振動多體動力學仿真分析

（1）研究進展。關于發電機組軸系機電耦合振動特性問題的研究方面，國內外學者進行了大量的研究，對于如此眾多的研究，研究者大多數都僅僅從機械動力元件對系統產生的干擾方面入手，而忽略了電氣控制系統對于系統耦合振動造成的影響。岳東鵬等人對混合動力汽車軸系的動力學特性進行了研究，他認為電動機工作時由于電磁轉矩的存在給軸系施加了附加的約束，電機電動時作用在軸系上的電磁力矩具有加劇軸系振動的趨勢，而充當發電作用時對于動力軸系相當于安裝了一個扭振減振器，將有助于減小軸系的扭振。與混合動力汽車相比，并聯式混合動力工程機械系統動力軸系在相關技術方面的研究還比較少見，現有關于混合動力工程機械動力系統的研究成果大多集中在發動機。

與電動機的功率匹配和協調控制策略方面，基本沒有關于混合動力系統軸系機電耦合振動機理的研究。對此，可以采用與混合動力汽車軸系機電耦合相類似的方法進行研究?；旌蟿恿こ虣C械軸系與內燃機的曲軸系統相類似，唯一不同的是多了一個電機，可以按照內燃機軸系的研究思路進行振動特性分析。曲軸對于內燃機而言非常重要，在整個軸系中處于“中樞”地位，一般來說要分析內燃機主軸的振動特性有三種方法，一種是離散系統法，一種是有限元法，或者是通過建立軸系在時間和空間坐標系下的運動微分方程來表達。這些方法都僅僅是對曲軸進行建模，曲軸上面的其他運動件通過等效轉動慣量作為激勵施加到曲軸上。多體動力學是一門新起的研究方法，由于研究由剛性體和柔性體構成的系統在空間運動過程中的動力學特性，根據此方法可以建立曲軸系統、帶輪、飛輪、電機軸和液壓栗主軸在內的整個動力軸系的模型，直接計算出個構件之間的相互作用力和運動關系，仿真軸系柔性體的變形，完成軸系的振動特性分析?；旌蟿恿ο到y軸系機電耦合振動研究不僅需要從純機械角度來分析，還需要考慮電機磁場作用以及控制系統的電氣參數對系統造成的影響。文章將主要采用多體系統動力學理論，并結合FEM技術，建立了某功率型號的混合動力挖掘機軸系運動機構的多柔性體系統模型，其中包括柴油機曲軸系統、飛輪、帶輪、電機主軸和液壓栗主軸，在系統模型中還引入了各主軸軸頸上軸承約束，以及施加前文計算的激勵載荷，通過聯合仿真分析動力軸系機電耦合振動特性。

（2）軸系振動多體動力學分析方法。在混合動力系統中，軸系一方面受到發動機的氣趕壓力，另一方面受到電機的電磁轉矩作用，軸系的振動會對系統的正常運行產生影響，對于這方面的研究需要從理論方面分析和試驗角度驗證。此處將結合FEM技術和多體動力學方法，對于混合動力工程機械系統在幾種主要工作形態下的耦合振動進行建模仿真研究。發動機是整個混合動力系統運動機構中一個典型的多體動力學系統，包括活塞組件、曲柄連桿、飛輪、帶輪等運動部件，而當系統運行時，主軸承的反作用力、氣趕循環壓力、活塞運動敲擊桿體都會帶來振動和噪聲研究發動機主軸的振動規律需要從兩個方面進行考慮，一是主軸宏觀的剛體運動，一是微觀的結構振動，單獨的多體系統動力學分析或者有限元法想要解決此類問題都比較困難，而將有限元法與多體系統動力學相結合在一起來解決HEV系統軸系的振動特性是非常好的，這已成為發動機虛擬研究的主流方法。研究HEV工程機械系統動力軸系的振動問題，可以結合CAD、FEM分析軟件、數值計算軟件MATLAB和機械系統動力學仿真軟件，它們之間相關的數據傳遞關系以及所用的軟件。

4 結語

混合動力系統由于存在軸系的振動，一方面主軸或主軸連接件受到扭轉振動的長期影響可能產生疲勞，嚴重時可能發生主軸斷裂損壞，使機體停止工作；另一方面，軸系產生的振動將帶來而外的噪聲和機械傳遞效率，嚴重影響了工程機械的使用性能，增大了機體的維修成本?；旌蟿恿ο到y軸系的振動性能測試，一方面可以在工程機械工作過程中及時反映軸系的工作狀態，對于軸系的異常振動實時停機，以避免異常振動對軸系帶來破壞；另一方面，可以在混合動力工程機械的研發階段指導軸系的設計和生產，對軸系的振動性能提供實驗依據，從本質上增加軸系的強度，防止意外產生。混合動力系統由于存在發動機和電機兩者之間的相互耦合作用，軸系不論是在激勵方面還是在由此引發的振動特性都有所改變。尤其在考慮電磁因素的情況下，由于混合動力系統本身的復雜性，需要考慮的機電因素很多想要通過實驗手段得到與理論模擬分析的結果相同是不現實的，但是要是兩者達到相似的一致性還是可行的。那么，實驗結果與理論分析到底有多大的差別，而且實際情況中機電作用對于發動機機體表面的振動又有什么影響以及電機的轉矩變化對于系統的振動有多大的影響，這就需要通過實驗研究來分析。將針對混合動力工程機械系統在工作過程中軸系所產生的振動及其影響，在混合動力系統實驗平臺上對軸系的振動特性進行測試。

［1］李志和，李正光，孫維鵬.不平衡磁拉力作用下偏心轉子的非線性振動［J］.吉林大學學報（理學版），2011，（3）.

［2］龔俊，龔進，張大慶，等.基于AMEsim的混合動力液壓挖掘機系統建模及控制策略研究［J］.現代制造工程，2011，（1）.

［3］岳東鵬，吳玉，王韜.電磁作用對輕度混合動力系統振動和噪聲的影響［J］.車用發動機，2010，（5）.

Theory and Research Progress of Com position Theory of Hybrid Power M achinery

ZHANG Fan
（Wuxi Vocational and Technical College of Technology，Wuxi，Jiangsu 214153，China）

In this paper，themechanism of the coupling vibration of two crankshafts isanalyzed from the angle ofmechanics. According to Newton's law，the relationship between the coupling interaction of the shaftsystem isobtained.Then，according to the structuralspecificity of the hybrid engineeringmachinery system，the shaft is simplified.For the actualhybrid system，due tomore complexity caused by themulti-power components to the system spindle structure，the vibration situation of shaft ismuchmore complex,and the equation for the establishmentof the coupling is also very inconvenient.In this paper，the geometricalmodel of theactualshafting isestablished，and thevibration of thehybrid shaftisanalyzed by using the finiteelementmethod and themulti -body dynamicsmethod.

hybrid；engineeringmachinery；dynamic system；electromechanical integration

F426.4

A

2095-980X（2017）05-0104-02

2017-04-23

張帆，主要研究方向：機械設計。