DOI:10.13436/j.mkjx.2011.12.024 第 32 卷第 12 期 2011 年 12 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.32No.12 Dec. 2011 基于 Recurdyn 与 Simulink 的混合动力挖掘机仿真平台 刘新娜 1， 代 鑫 2 （1. 哈尔滨理工大学 荣成分院 ， 山东 荣城 264000； 2. 北京理工大学 电动车辆国家工程实验室， 北京 100081） 摘 要： 旨在搭建新型混合动力挖掘机能量回收关键技术研究的仿真平台， 基于 22 t 挖掘机 用多体动力学软件 Recurdyn 建立挖掘机复杂执行机构 1:1 模型，在 Matlab/Simulink 中建立混合动 力挖掘机液压泵、电机、储能系统的模型，通过两软件联合仿真 ，共同精确仿真混合动力挖掘机能 量回收的动态过程。 关键词： 仿真平台； 混合动力； 挖掘机； Simulink； Recurdyn 中图分类号： U415.51; TP391.9 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2011）12 － 0083 － 03 Simulation Platform of Hybrid Excavator Based on Recurdyn and Simulink LIU Xin-na1， DAI Xin2 （1. Harbin Polytechnic University Rongcheng Academy, Rongcheng 264000， China； 2. National Engineering Laboratory for Electric Vehicle， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081，China） Abstract: Aims to build simulation platform of new hybrid excavator energy recovery key technology research, based on 22 tons excavator, 1:1 Virtual prototype of hybrid excavator is established in multibody dynamics software Recurdyn. In Matlab/Simulink model, hybrid excavator engine, motor, energy storage system models are established, accurate simulation of hybrid excavator working dynamic process can be studied through two software co-simulation. Key words: simulation platform; hybrid; excavator; Simulink; Recurdyn 0 引言 由 于 混 合 动 力 技 术 在 节 能 减 排 方 面 所 做 的 巨 大贡献，世界各大工程机械制造厂商也想对混合动 力技术运用到工程机械领域。 液压挖掘机是工程机 械中最为普遍使用的工程机械。 据有关资料报道 ， 世界上各种土方工程有 65%~70%是由工程机械来 完成 的 ，且 传 统 挖 掘 机 的 功 率 利 用 率 非 常 低 ，从 燃 料到最终的执行机构的效率低于 30%。 由此可见在 应用广泛的挖掘机上，存在着很大的节能空间。 对 混 合 动 力 挖 掘 机 展 开 节 能 研 究 有 着 重 要 的 意义。 为了减小节能研究的成本，需要进行前期仿 真研究。 对于仿真研究而言，需要仿真模型具有较 高的精确度。 因此，拟基于混合动力挖掘机的工作 原理，建立其仿真模拟平台。 1 工作原理 并联式结构采用发动机-电机双动力耦合供给 系统驱动液压泵工作，当需求功率低于发动机输出 功率时 ，电 机 作 为 发 电 机 给 储 能 装 置 供 电 ；当 需 求 功率高于发动机输出功率时，电机作为电动机共同 驱动液压泵工作，以达到所需的功率需求。 另外，回 转机构也是由电动泵取代液压泵，既可以起到驱动 回转平台的作用，也可以对回转平台的巨大惯性动 能进行能量回收。 图 1 为并联式混合动力系统的结 构图。 Engine G G N Hydraulic pump C/V DC/DC CONV Super Capacitor PWM CONV INV Boom，Arm， Bucket Cylinders Hydraulic Motor Left-Rright Traveling Electrical Motor Swing 图 1 并联式结构形式 并联式结构能量回收关键部件模型包括：液压 系统模型、电机模型、储能系统模型。 2 整机模型的建立 （1）工作装置模型 混合动力挖掘机的工作装置比较复杂，包括动 臂 、 斗 杆 、 铲 斗 3 个 工 作 执 行 机 构 ， 还 包 括 回 转 平 台 。 工 作 过 程 包 括 执 行 机 构 和 回 转 平 台 的 复 合 运 动 ，而 且 其 工 作 过 程 随 机 性 比 较 强 ，因 此 通 过 数 学 表 达 式 准 确 得 出 相 关 的 工 作 装 置 状 态 是 一 件 比 较 复杂的过程。 那么在对工作装置建模时选用多体动 力学软件 Recurdyn 来 完成虚拟样 机工作装置 动 力 学建模，一方面可以精确描述工作装置的动力学过 程，另一方面可以对混合动力挖掘机的仿真过程进 行可视化监控， 通过对虚拟样机直观视图的观察， 可 以 很 方 便 地 对 混 合 动 力 挖 掘 机 的 工 作 过 程 进 行 分析。 并联式混合动力挖掘机性能研究的主要对象 83 

Vol.31 No.10 基于 Recurdyn 与 Simulink 的混合动力挖掘机仿真平台———刘新娜，等 为回转平台以上的部分，行走机构与传统液压挖掘 机的工作原理一致，因此行走机构不在研究范围之 内，采用平台取代。 图 2 为混合动力挖掘机虚拟样 机模型及 Recurdyn 仿真窗口。 该样机是基于目前市 面上应用最 为广泛的 22 t 级 挖 掘 机 的 工 作 装 置 所 建立的 1:1 的虚拟样机模型。 s·kg-1。 V1、V2———泵的吸油腔和排油腔的容积，m3； k———油液体积弹性模量，MPa。 第 32 卷第 12 期 Δp——进出油口的压差，Pa； k1、k2———泵泄漏系数，m4·s·kg-1； C1、C2———泵的吸油腔和排油腔的液容，m4· 通过对虚拟样机添加符合其运动规律的约束， 最终完成虚拟样机模型的建立，工作装置的约束如 图 3 所示。 图 2 虚拟样机工作装置模型及仿真窗口 4 5 2 3 6 7 1 X Z 液压泵的输出扭矩方程为 M=Mt-Mz-Md= Vt 2π Δp-b0n-2πJ dn dt -Tf （5） 式中 b0———泵回转的黏性阻尼； J———泵发电机系统回转的总转动惯量； Tf———液压泵的摩擦转矩。 （3）电机模型 电机建模有试验建模和理论建模 2 种方法。 理 论建模法可以较好地反应电机的动态特性，但是其 模型较为复杂，而且理论建模方法的诸多参数不易 测得 ，而 试 验 建 模 法 简 单 有 效 ，可 以 很 好 地 反 应 电 机输入输出的稳态特性，电机模型所需的数据可以 通过台架试验获得，所以电机及驱动系统采用试验 建 模 方 法 。 将 使 用 的 电 机 及 驱 动 系 统 看 成 一 个 整 体，通过台架试验的方法得出其 MAP 图。 在模型中 通过查表方式查出输入、输出及转换效率然后建立 模型 图 3 虚拟样机工作装置约束 1. 回转平台 2. 斗杆油缸 3. 铲斗油缸 4. 铲斗 5. 斗杆 6. 动臂 7. 动臂油缸 姨 Pg-out=Pg-in·ηg 姨 姨 姨姨 Pg-in=Pm-out=Tn 姨 姨 姨 姨姨 I=Pg-out/ 姨 U （6） （2）液压系统模型 液压系统关键部件为液压泵和液压马达，前者 是将机械能转化为液压能的部件，后者是将液压能 转化为机械能的关键部件。 因此该模型为液压系 统模型的关键。 液压泵和液压马达有着相似的工 作原理，因此只需详细描述液压泵模型。 设液压泵 进油口和出油口的流量和压力分别为 Q1、p1 和 Q2、 p2。 液压泵的进油、出油的流量连续方程为 dp1 dt Q1=Qt+Qz+Qd=nVt+k1Δp+k2 Δp姨 +C1 （1） Q2=Qt+Qz－Qd=nVt+k1Δp+k2 Δp姨 －C2 dp2 dt 式中 C1＝ 1 k C2＝ 1 k （ Vt 2 （ Vt 2 ＋V1） ＋V2） Qt———泵理论流量，m3/s； Qz———泵泄漏流量，m3/s； Qd———泵压缩性流量，m3/s； n———泵的转速； Vt———泵的排量，m3/r； （2） （3） （4） 84 式中 Pg-in———电机的输入功率； Pg-out———电机的输出功率； ηg———发电机效率； Pm-ou———泵的输出功率； I———电机控制器直流电流。 （4）储能装置模型 混 合 动 力 挖 掘 机 的 储 能 装 置 需 根 据 其 特 殊 的 工作情况予以选定。 挖掘机在进行挖掘时呈现出很 强的周期性，通常 15~20 s 为一个周期，在这个周期 内回转平台要完成 2 次电机驱动与制动能量回收， 分别为满斗回转和空斗回转回位，那么这些电能都 是通过储能装置进行电能的输入输出。 由此看出， 储 能 装 置 在 混 合 动 力 挖 掘 机 工 作 的 时 候 是 处 于 一 个频繁充放电的过程。 目前用作混合动力设备的储 能系统常见的为电化学电池和超级电容，电化学电 池现在尚未突破循环寿命的瓶颈，而超级电容具有 循环寿命高的特点， 可达上百万次的充放电寿命。 因此针对混合动力挖掘机这一特殊工作情况，选择 超级电容作为其储能装置。 超级电容可 以等效为一 个理想电容 器 C 和较 小阻值的电阻 Res（等效串联阻抗）串联，同时与一个 

U0=U-IRes U0= 1 乙 I0d C t （7） 设 工 作 范 围 为 ［Vmin，Vmax］，则 在 工 作 电 压 V 下 的 超 级电容 SOV= V-Vmin Vmax-Vmin Res I Rep U0 I0 C U （8） 图 4 超级电容等效模型 3 联合仿真模型 根据并联式混合动力挖掘机的功率流向，最终 在 Simulink 中 搭 建 的 Recurdyn 与 Simulink 联 合 仿 真模型如图 5 所示。 模型主要包括了发动机模型、 液压系统模型、超级电容模型、电机控制模型。 其中 两软件联合仿真接口如图 6 所示。 图 5 混合动力挖掘机联合仿真模型 Mux 1 force 2 touque RecurDyn _inputs U To Workspace Dynamic Model RecurDyn _outputs 1 Velocity Demux 2 v_huizhuan Mux Y To Workspace Demux 图 6 Recurdyn 与 Simulink 的接口模型 可以看出联合仿真模型的成功建立。 W k / 率 功 6 4 2 0 0 -2 -2 -4 0 2 3 1 0.5 1.0 1.5 时间/s 2.0 2.5 3.0 图 7 联合仿真部分试验结果 1. 发电机 2. 超级电容 3. 回转电机 4 结语 （1）简单分析了挖掘机节能减排研究的重要意 义，对比分析了混合动力挖掘机串联式结构和并联 式结构的优缺点，选择了并联式结构混合动力挖掘 机作为研究对象； （2）根 据 并 联 式 混 合 动 力 挖 掘 机 的 工 作 原 理 ， 建立基于 Recurdyn 与 Simulink 的联合仿真模型，其 中 工 作 装 置 模 型 是 基 于 22 t 挖 掘 机 1:1 实 物 在 Recurdyn 中建立的虚拟样机模型，可以方便地对混 合动力挖掘机进行动力学仿真，并达到可视化仿真 过程的目的；其余性能部件的模型则在 Simulink 中 建立，最终通过两软件联合仿真来共同完成对混合 动力挖掘机的分析研究，打下了基础。 参考文献： ［1］孔德文. 液压挖掘机［M］. 北京：化学工业出版社，2006. ［2］蔡廷文. 液压系统现代建模方法［M］. 北京：中国标准出版社，2002. ［3］黄援军. 前后双离合器式并联混合动力城市公交车控制策略研究［D］. 上海：上海交通大学, 2009. ［4］强 国 斌 ，李 忠 学 ，陈 杰. 混 合 电 动 车 用 超 级 电 容 能 量 源 建 模 ［J］. 能源技术, 2005（26）：58-60. ［5］邓 隆 阳, 黄 海 燕, 卢 兰 光. 超 级 电 容 性 能 试 验 与 建 模 研 究 ［J］. 车 基于 Recurdyn 与 Simulink 的混合动力挖掘机仿真平台———刘新娜，等 Vol.32No.12 第 32 卷第 12 期 较大阻值的电阻 Rep（等效并联阻抗）并联，如图 4 所 示，其中 通过 Recurdyn 与 Simulink 的联合仿真，对混合 动 力 挖 掘 机 的 部 分 工 作 性 能 进 行 了 验 证 ， 其 发 电 机 、回 转 电 机 及 超 级 电 容 的 功 率 如 图 7 所 示 ，由 此 乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙 用发动机, 2010（3）: 28-30. 作者简介： 刘新娜（1980-），女，河北深泽人，硕士 生 ，2008 年 毕 业 于 太 原 理 工 大 学 ， 研 究 方 向 ： 有 限 元 分 析 与 仿 真 ， 电 子 信 箱 ： 66145357@qq.com. 责任编辑：卢盛春 收稿日期：2011－09－02 供热网补水设备技术改造 兖州矿业（集团）公司济东新村煤矸石热电厂供暖面积的逐步递增。 该厂热网南区、北区和辅助企业 3 个独立单元的供暖补水系统是由软化水箱通过化学水补水母管静压进入相应的南区、北区和辅助企业暖水 系统中。 这种补水系统易造成 3 台补水泵出现互相抢水，使补水泵效率降低、泵体出现汽化，造成系统长时 间补不上水。 为此，决定改变补水泵的补水方式。 通过计算 3 台补水泵的扬程及流量，出力远未达到其额定运行状态。 在补水量高峰期，3 个区域共需补 水 70 m3/h，而补水泵的流量为 43.5 m3/h，2 台补水泵的流量即可达到 87 m3/h；在供暖运行稳定状态下，3 个 区域共需补水 40 m3/h，1 台补水泵的流量就可满足 3 个区域供暖系统的补水需求。 将单元 制补水方式 改 为集中母管分段制补水方式。 改造后，补水系统的正常运行方式为一大一小定压补水泵搭配运行，2 台备 用 ，3 个区域都 安装了分段 调节阀门 ，克 服了 3 台补水 泵同时运行 的抢水现 象 ，既节约了 设备又节约 了 厂 内用电 。 （李剑峰） 85