混合动力挖掘机轴系扭振测试

黄中华，谢 雅，邓 奕，刘 质

（1.湖南工程学院 机械工程学院，湖南 湘潭 411104；2中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083）

面对全球性的能源危机和环境污染等重大问题，量大面广的挖掘机亟需应对节能环保和油价日益上涨的压力，努力在技术上寻求新的解决方案.混合动力系统在汽车领域的成功应用有力地推动了混合动力系统在挖掘机中的应用.并联式混合动力挖掘机是目前广泛研究的混合动力挖掘机，其动力系统通常由柴油机和电动机同轴连接而成.混合动力挖掘机工作时，通过控制电动机的工作状态实现“削峰填谷”，保持柴油机始终工作在高效区，从而实现节能和减排的目标［1－3］.

动力系统轴系的扭振会使动力轴内部产生疲劳应力，轻则对动力轴造成疲劳损伤，重则导致动力轴发生断轴事故［4－5］.与传统挖掘机动力系统相比，由于电动机的引入，导致混合动力系统轴系的刚度、阻尼和激励源发生了变化.获取混合动力系统轴系的扭振特性，对掌握轴系的扭振规律、提出扭振抑制方法具有重要作用［6－8］.为此，研制了混合动力系统轴系扭振测试实验台，并开展了轴系的扭振测试研究.

1 实验装置与实验方案

设计的混合动力系统轴系扭振特性实验装置的动力系统结构如图1所示.它主要由柴油机、电动机、液压泵和转速转矩传感器构成，其中液压泵用于对轴系施加转矩载荷，模拟动力系统的负载.

图1 实验装置动力系统结构Fig.1 Experimental table power system structure

实验装置以6t级混合动力挖掘机动力系统相关技术参数为设计依据，动力系统主要部件的选型及参数如表1所示.

混合动力系统轴系扭振测试实验方案如下：

（1）在柴油机的输出端安装磁电式编码器，并将编码器与扭振测试仪相连.

（2）启动柴油机，并把柴油机的油门开度固定至某一设定值.

（3）启动液压加载系统，并将加载功率设定至某一设定值.

（4）实时测量轴系的转速、转矩和扭振角.

表1 主要部件参数Tab.1 Main component parameters

2 实验结果与分析

实验时将混合动力系统的负载设定为80N·m，将柴油机的油门位置θ分别设定为55%，60%，70%，80%，88%，93%，98%，进行7组实验.每组实验重复3次，分别用a，b，c表示，用n表示混合动力轴系的工作转速，f0表示混合动力轴系的工作转频，m表示工作转频的倍数.

油门位置为55%时，轴系的扭振谱如图2所示.从图2可以看出：3次测量结果非常接近，表明轴系的扭振谱稳定；扭振角最大值发生在2f0处，表明引起轴系振动的主要激励频率为2f0；扭振的激励频率主要集中在0.5f0～2.0f0，表明高频激励对轴系的扭振贡献很小.

图2 轴系扭振谱（θ＝55%）Fig.2 Shafting torsional vibration spectrum （θ＝55%）

表2是不同油门开度θ下轴系的转速测量结果，从表2可以看出：随着油门开度的增加，轴系的工作转速相应增加.

不同油门开度和不同倍频下轴系的最大扭振角测量结果如表3所示，对应的扭振谱曲线如图3所示.从图3可以看出：不同转速下轴系的扭振谱曲线变化规律一致，表明扭振是轴系的固有特性；不同转速下轴系的最大扭转角均发生在2f0处，表明引起轴系扭振的激励频率为2f0；不同转速下轴系扭振的激励频率主要集中在0.5f0～2.0f0，表明高频激励对轴系的扭振贡献很小.

表2 轴系转速测量结果Tab.2 Shafting rotate speed test result

表3 不同油门开度下轴系扭振测量结果（0.0001°）Tab.3 Shafting torsional vibration test result with different throttle angle（0.0001°）

实验中使用的柴油机为4缸柴油机，汽缸压力的变化频率为柴油机曲轴转频的2倍.由此可见，混合动力系统轴系扭振的产生原因是柴油机汽缸压力的周期性变化，电动机的引入对动力系统轴系的扭振特性影响不大.

图3 不同转速下轴系扭振频谱图Fig.3 Shafting torsional vibration spectrum with different throttle angle

3 结论

（1）不同转速下混合动力系统轴系的最大扭转角均发生在2f0处.不同转速下轴系扭振的激励频率主要集中在0.5f0～2.0f0.

（2）混合动力系统轴系扭振产生的主要激励源是柴油机，电动机的引入对混合动力系统轴系的扭振特性影响不大.

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