王 欣,劉曉永,王盼盼(.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 604;.大連益網(wǎng)科技有限公司,遼寧 大連 603)

工程機(jī)械液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)綜述與發(fā)展

王 欣1,劉曉永1,王盼盼2
(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116024;2.大連益網(wǎng)科技有限公司,遼寧 大連 116023)

分析了液壓系統(tǒng)的能耗問題,從降低系統(tǒng)能量損耗和可回收能量的回收再利用兩個(gè)角度出發(fā),介紹了幾種提高液壓系統(tǒng)能量利用率的節(jié)能措施.指出工程機(jī)械液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)目前存在的難點(diǎn)和問題,以及未來的發(fā)展趨勢.

液壓系統(tǒng); 能耗分析; 節(jié)能措施; 能量回收

在能源日益緊缺的今天,節(jié)能減排已經(jīng)滲透到各行各業(yè).工程機(jī)械作為高能耗機(jī)械設(shè)備,節(jié)能減排顯得尤為重要.液壓傳動(dòng)憑借其功率密度大、調(diào)速范圍寬等優(yōu)勢,在工程機(jī)械等工業(yè)設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用.但同時(shí)液壓系統(tǒng)在工作時(shí)會(huì)伴隨一定的能量損失,而這些損失的能量將以熱能的形式散發(fā)出去,使系統(tǒng)溫度升高,由此加速工作液老化,誘發(fā)各種故障,降低液壓元件的使用壽命和系統(tǒng)工作的可靠性.縱觀液壓系統(tǒng)的發(fā)展歷程,從定量系統(tǒng)到變量系統(tǒng),從閥控系統(tǒng)到泵控系統(tǒng),再到閥控和泵控相結(jié)合的負(fù)載傳感控制系統(tǒng)等新型液壓系統(tǒng),液壓系統(tǒng)不僅在負(fù)載速度控制和載荷傳遞方面有了改善,在能量利用效率方面也有了提高.在工程機(jī)械領(lǐng)域,隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展,基于能量回收再利用的液壓系統(tǒng)混合動(dòng)力技術(shù)等新型液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)不斷涌現(xiàn),使得工程機(jī)械節(jié)能減排取得了良好的效果.

1 液壓系統(tǒng)的能耗分析

一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)包含5大基本組成部分[1]:① 液壓動(dòng)力元件;② 液壓執(zhí)行元件;③ 液壓控制元件;④ 液壓輔助元件;⑤ 工作介質(zhì).其工作原理是液壓動(dòng)力元件將動(dòng)力源所輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?再由液壓執(zhí)行元件轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,實(shí)現(xiàn)能量的傳遞.在能量轉(zhuǎn)換過程中,每一個(gè)環(huán)節(jié)都存在有能量損失的可能.整個(gè)液壓系統(tǒng)的節(jié)能水平可用系統(tǒng)的能量利用率η來衡量,其計(jì)算公式如下:

(1)

式中:E0為發(fā)動(dòng)機(jī)向液壓系統(tǒng)輸入的總能量;E1為液壓系統(tǒng)所做有用功;E2為液壓系統(tǒng)能量傳輸過程中的能量損耗.

從式(1)可知,降低液壓系統(tǒng)能量傳輸過程中的能量損耗,即可提高液壓系統(tǒng)的能量利用率η.同時(shí),對液壓系統(tǒng)中可回收能量進(jìn)行回收再利用,實(shí)現(xiàn)在動(dòng)力源的相同能量輸入下克服更多負(fù)載做功,這也可提高液壓系統(tǒng)的能量利用率,實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)節(jié)能.

2 液壓系統(tǒng)減耗技術(shù)

液壓系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)能量傳遞做功的過程中,伴隨著一定的能量損耗.這些能量損耗包括油液流經(jīng)液壓元件時(shí)產(chǎn)生的流量、壓力損失,因液壓系統(tǒng)功率不匹配而造成的系統(tǒng)多余流量和壓力的損失等.液壓系統(tǒng)的能量損耗直接影響著液壓傳動(dòng)的效率,因此,諸多學(xué)者和企業(yè)開展了液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)方面的研究,并進(jìn)行推廣應(yīng)用.

2.1節(jié)能液壓元件的使用

液壓元件的能量損耗表現(xiàn)在液壓元件工作時(shí),油液泄漏、內(nèi)摩擦等導(dǎo)致的流量和壓力損失,其中以作為能量轉(zhuǎn)換元件的液壓泵、液壓馬達(dá)和液壓缸的能量損失最大,其次是各種閥和管道等液壓元件的能量損失.

對于液壓泵和液壓馬達(dá)而言,從齒輪式結(jié)構(gòu)到葉片式結(jié)構(gòu),再到柱塞式結(jié)構(gòu),從定量方式發(fā)展到變量方式,在滿足負(fù)載速度變化要求的同時(shí),容積效率和機(jī)械效率也在不斷提高.不同結(jié)構(gòu)液壓泵的效率如表1所示.

表1 不同結(jié)構(gòu)液壓泵的效率Tab.1 Efficiency of hydraulic pump with different structure

近年來,液壓泵的發(fā)展趨勢主要有兩方面:① 通過對柱塞泵中斜盤、柱塞和缸體等元件的不斷優(yōu)化設(shè)計(jì),研發(fā)出更高能量轉(zhuǎn)換效率的柱塞泵.如德國亞琛工業(yè)大學(xué)[2]在斜盤、柱塞、缸體等接觸面上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和涂覆特殊材料,降低了摩擦造成的能量損失.美國研究者[3]提出了波浪形柱塞結(jié)構(gòu),降低柱塞形狀對柱塞泵能量損失的影響,仿真表明:該結(jié)構(gòu)柱塞可以將液壓泵總能量損失降低68%.② 液壓泵變量控制的多樣化和控制方式的智能化.如日本川崎重工的K3V140變頻液壓泵、美國派克PV028R1K1比例柱塞泵、德國力士樂A10VO負(fù)載敏感式柱塞泵等,均具備多種控制功能的組合.另外,在控制方式上,除了采用微電子、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)外,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制已成為液壓泵智能控制的一個(gè)新分支.該控制方法能模擬人的部分特性,具有學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)性,可以解決復(fù)雜的非線性、不確定性系統(tǒng)的控制,其在液壓系統(tǒng)節(jié)能控制上的應(yīng)用將不斷普及[4-6].

對于液壓閥而言,其是通過調(diào)節(jié)閥口開閉、大小來滿足系統(tǒng)或回路對壓力和流量要求的,但這勢必會(huì)造成能量損耗.以流量控制閥為例,從節(jié)流閥到調(diào)速閥,再到電液比例流量閥,節(jié)流損失依次有所降低,但始終無法避免.基于此,人們提出了容積調(diào)速的思想,即系統(tǒng)流量控制由閥控向泵控轉(zhuǎn)變,避免了節(jié)流閥能量損失,從而提高了系統(tǒng)效率[7-8].采用變量泵-定量馬達(dá)的容積調(diào)速回路如圖1所示.

圖1 變量泵-定量馬達(dá)調(diào)速回路Fig.1 Speed control circuit of variablepump-quantitative motor

再以多路閥為例,多路閥作為工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的核心控制元件,滿足著工程機(jī)械對多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制的要求.但傳統(tǒng)整體式多路閥存在因內(nèi)部流道復(fù)雜,而導(dǎo)致流阻大的缺點(diǎn).所以在未來的發(fā)展中,多路閥可能會(huì)朝著非鑄造法形成閥內(nèi)流道方向發(fā)展,如德國Linde公司嘗試在數(shù)片金屬薄板上進(jìn)行激光切割,再將薄板組合在一起形成流道形狀,該方法有效降低了流阻,減少了能量損失[9].

2.2液壓系統(tǒng)的功率匹配技術(shù)

液壓系統(tǒng)功率匹配技術(shù),即實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)輸出功率與負(fù)載特性曲線相適應(yīng),減少液壓系統(tǒng)中多余的流量或壓力造成的能量損失,以此提高液壓系統(tǒng)的能量利用率[10].雖然并不存在完全理想化的功率匹配系統(tǒng),但通過采取相應(yīng)技術(shù)可以獲得盡可能接近功率匹配的液壓系統(tǒng).

2.2.1正流量和負(fù)流量控制技術(shù)

20世紀(jì)70—80年代,為解決恒功率控制系統(tǒng)采用雙泵供油而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)體積和重量很大的問題,出現(xiàn)了以正流量和負(fù)流量控制系統(tǒng)為代表的單泵多回路液壓控制系統(tǒng)[11].

正流量和負(fù)流量控制系統(tǒng)的不同點(diǎn)在于控制壓力信號的采集點(diǎn)不同,前者是主控閥閥芯先導(dǎo)控制壓力,后者是回油節(jié)流閥前端壓力信號.但無論正流量,還是負(fù)流量控制系統(tǒng)都是通過采集控制壓力信號,通過變量泵的變量機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)液壓泵排量,以達(dá)到液壓泵輸出流量與負(fù)載所需流量相匹配的目的,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能.正流量和負(fù)流量控制系統(tǒng)液壓原理圖如圖2所示.

圖2 正流量和負(fù)流量控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Positive flow and negative flowcontrol system schematic

在技術(shù)應(yīng)用方面,正流量控制系統(tǒng)在國外比較典型的產(chǎn)品是日立建機(jī)的EX400液壓挖掘機(jī),國內(nèi)比較典型的產(chǎn)品是四川長江挖掘機(jī)廠的WY403型全液壓挖掘機(jī)和三一重工的SY系列液壓挖掘機(jī)等[12].負(fù)流量控制系統(tǒng)在國外主要應(yīng)用于日本小松的PC-5及之前系列的挖掘機(jī),在國內(nèi)則是貴州詹陽機(jī)械工業(yè)有限公司的JY320型液壓挖掘機(jī).雖目前正流量和負(fù)流量控制系統(tǒng)在液壓挖掘機(jī)等工程機(jī)械上有著較為廣泛的應(yīng)用,但因無法做到流量分配與負(fù)載壓力無關(guān),而呈現(xiàn)出有被負(fù)載傳感控制系統(tǒng)(如LUDV負(fù)載傳感控制系統(tǒng))所取代的趨勢.

2.2.2負(fù)載傳感控制系統(tǒng)

負(fù)載傳感控制系統(tǒng)源于20世紀(jì)80年代的歐洲,該系統(tǒng)的提出解決了多路換向閥的微調(diào)性能和復(fù)合操作性能不足的問題[13].負(fù)載傳感控制系統(tǒng)能自動(dòng)將負(fù)載所需壓力和流量,以電液信號的形式反饋到敏感控制閥或泵變量控制機(jī)構(gòu),從而控制泵的排量,使其幾乎僅向回路提供負(fù)載所需要的流量,做到負(fù)載壓力與系統(tǒng)流量自適應(yīng).負(fù)載傳感控制系統(tǒng)能夠有效地減少液壓系統(tǒng)因壓力和流量變化而造成的溢流損失,提高系統(tǒng)的能量利用率,實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)節(jié)能[14-15].

目前,世界范圍內(nèi)各個(gè)廠家研發(fā)的負(fù)載傳感液壓控制系統(tǒng)已有許多,且各有特點(diǎn).例如德國博世力士樂研發(fā)的LS負(fù)載傳感系統(tǒng)和LUDV負(fù)載傳感系統(tǒng),如圖3所示,兩者都可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載傳感的功能,但前者只在最高負(fù)載回路起作用.當(dāng)工作系統(tǒng)要求的流量超過泵的供油能力極限時(shí),最高負(fù)載回路上的執(zhí)行元件因得不到足夠的流量,而出現(xiàn)速度迅速降低直至停止,從而導(dǎo)致機(jī)器失去復(fù)合動(dòng)作的協(xié)調(diào)能力.為此,德國博世力士樂公司又開發(fā)了后者LUDV負(fù)載傳感系統(tǒng),在系統(tǒng)中設(shè)置了負(fù)載傳感分流器,以保證在供油不足時(shí)所有執(zhí)行元件的工作速度按比例下降,從而獲得與負(fù)載壓力無關(guān)的控制.

圖3 負(fù)載傳感控制系統(tǒng)液壓原理圖Fig.3 Load sensing control system hydraulicschematic diagram

除了德國博世力士樂的負(fù)載傳感控制系統(tǒng),還有德國林德公司的負(fù)載傳感同步控制系統(tǒng)(LSC系統(tǒng))和日本小松公司的閉式中心負(fù)載傳感系統(tǒng)(CLSS系統(tǒng))等.國內(nèi)則以引進(jìn)國外技術(shù)為主,如三一重工采用林德公司的LSC系統(tǒng),湖南山河智能采用博世力士樂的LUDV系統(tǒng)等.從實(shí)際使用情況來看,負(fù)載傳感控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液壓泵輸出功率與負(fù)載相適應(yīng),減少了系統(tǒng)能量損失.隨著負(fù)載敏感控制技術(shù)的日益發(fā)展和完善,其在挖掘機(jī)等其他工程機(jī)械液壓設(shè)備上將會(huì)得到廣泛應(yīng)用.

2.2.3柴油機(jī)電噴控制

工程機(jī)械液壓系統(tǒng)常用柴油機(jī)作為動(dòng)力源,但實(shí)際使用中柴油機(jī)常因不能保持最佳工作狀態(tài),導(dǎo)致輸出功率與系統(tǒng)所需功率不匹配,造成較大能量損耗.借鑒汽車行業(yè)中已經(jīng)成熟應(yīng)用的柴油機(jī)電控噴射技術(shù),可以減少工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的能量損失[16].

柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)由傳感器、控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成,通過控制噴油時(shí)間來調(diào)節(jié)負(fù)荷的大小[17].采用轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等傳感器,將實(shí)時(shí)檢測的參數(shù)同步輸入計(jì)算機(jī),與控制單元中儲(chǔ)存的參數(shù)值進(jìn)行比較,經(jīng)過處理計(jì)算,按照最佳值對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,驅(qū)動(dòng)噴油系統(tǒng),使柴油機(jī)運(yùn)作狀態(tài)達(dá)到最佳.

工程機(jī)械用柴油機(jī)若采用電噴控制技術(shù),可以使噴油泵的循環(huán)供油量和噴油提前角不再受轉(zhuǎn)速的影響,而一直工作在最佳狀態(tài),提高功率利用率.工程機(jī)械用柴油機(jī)采用電噴控制技術(shù)是節(jié)能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)和發(fā)展趨勢,目前處于剛剛起步階段,正在逐步發(fā)展和推廣.

2.2.4全局功率匹配系統(tǒng)

在工程機(jī)械中,液壓系統(tǒng)動(dòng)力傳遞是一個(gè)以發(fā)動(dòng)機(jī)—液壓泵—負(fù)載為主線的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵和負(fù)載三者之間的全局功率匹配,對于系統(tǒng)的節(jié)能有重大的意義.因此,國內(nèi)外學(xué)者對全局功率匹配也正在進(jìn)行一定的研究.圖4為一種典型的全局功率匹配流程圖,其利用負(fù)載敏感系統(tǒng)中變量泵對負(fù)載壓力和流量的自適應(yīng)性,實(shí)現(xiàn)變量泵與負(fù)載的匹配.然后根據(jù)變量泵和負(fù)載匹配功率,確定發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作點(diǎn),利用發(fā)動(dòng)機(jī)油門的自動(dòng)調(diào)節(jié),使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)附近,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全局功率匹配.

圖4 全局功率匹配流程圖Fig.4 Global power matching flow chart

此外,浙江大學(xué)彭天好等[18]針對液壓挖掘機(jī)提出:先由轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)—液壓泵的局部功率匹配,再通過調(diào)節(jié)流量閥的開度,以改變執(zhí)行器的速度來調(diào)節(jié)負(fù)載吸收的功率,使得負(fù)載吸收的功率終接近發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全局功率匹配.長安大學(xué)張澤宇等[19]則針對旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)提出一種全局功率匹配控制策略,通過調(diào)速器轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制和分工況控制來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的油門開度,變量泵的流量則通過變量泵轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制和極限負(fù)荷控制共同調(diào)節(jié),并且加入了發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制、壓力切斷控制、恒功率控制,以此來實(shí)現(xiàn)全局功率匹配控制.

3 能量的回收再利用技術(shù)

能量回收再利用技術(shù),是從回收再利用發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的多余能量和運(yùn)動(dòng)負(fù)載的機(jī)械能入手,對能量進(jìn)行回收再利用[20].該技術(shù)不僅降低系統(tǒng)裝機(jī)功率,同時(shí)還可減少負(fù)載機(jī)械能以負(fù)功率的形式輸入到液壓系統(tǒng),避免系統(tǒng)升溫過高而損壞發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵等元件,可謂一舉多得.

目前從所回收再利用的能量來源來看,主要有發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的多余動(dòng)能、負(fù)載勢能和動(dòng)能,而發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的多余動(dòng)能的回收再利用通常與后兩者相結(jié)合.

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)多余動(dòng)能和負(fù)載勢能的回收再利用

對發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的多余動(dòng)能的回收再利用,主要應(yīng)用在負(fù)載波動(dòng)較大,負(fù)載所需能量與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量頻繁不匹配的液壓系統(tǒng)中.對負(fù)載勢能的回收再利用,主要集中在負(fù)載為直線負(fù)載的液壓系統(tǒng)中,如起重機(jī)、液壓電梯、液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂等.圖5為德國利勃海爾公司的Pactronic能量回收再利用技術(shù)示意圖[21].

圖5 利勃海爾Pactronic能量回收再利用技術(shù)示意圖Fig.5 Pactronic energy recovery and reusetechnology diagram

由圖5可見:在系統(tǒng)工作過程中,當(dāng)負(fù)載所需能量小于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵旋轉(zhuǎn),將輸出的多余動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液壓能儲(chǔ)存在蓄能器中;當(dāng)負(fù)載所需能量大于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量時(shí),蓄能器釋放液壓能,與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載.同時(shí),利用二次元件既可工作在泵工況,又可工作在馬達(dá)工況的特性,實(shí)現(xiàn)負(fù)載下落勢能與蓄能器中液壓能之間的轉(zhuǎn)化.目前該技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用在利勃海爾HS8300 HD重載循環(huán)作業(yè)履帶起重機(jī)和LHM系列港口移動(dòng)式高架起重機(jī)等產(chǎn)品上.官方數(shù)據(jù)顯示：前者可將發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率由1 250 kW降至725 kW,后者可實(shí)現(xiàn)燃料消耗降低30%.

此外,國內(nèi)外諸多企業(yè)和高校也都在開展發(fā)動(dòng)機(jī)多余動(dòng)能和負(fù)載勢能回收再利用技術(shù)的研究工作,并取得了不少成果.企業(yè)方面,早在2004年,日本小松公司便研制出了世界上第1臺(tái)混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)的試驗(yàn)機(jī),利用蓄電池儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)輸出的多余能量和挖掘機(jī)動(dòng)臂勢能的回收再利用.2008年沃爾沃公司推出L220F型混合動(dòng)力裝載機(jī),2014年山河智能研發(fā)出SWE350ES混合動(dòng)力挖掘機(jī)等.在高校方面,美國普渡大學(xué)Ivantysynova教授團(tuán)隊(duì)[22-23]提出一種液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī)系統(tǒng),利用系統(tǒng)中的高低壓蓄能器完成能量回收再利用,實(shí)驗(yàn)研究表明：可節(jié)省燃料40%.武漢理工大學(xué)唐靜[24]以輪胎起重機(jī)為應(yīng)用對象,提出了基于共軸雙樞變矩電機(jī)混合動(dòng)力節(jié)能方案,實(shí)現(xiàn)對負(fù)載勢能的回收再利用,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：節(jié)能效率高達(dá)30%以上.大連理工大學(xué)李楓[25]以動(dòng)臂塔機(jī)為應(yīng)用對象,提出一種可應(yīng)用于起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的閉式能量再生液壓系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對負(fù)載勢能的回收再利用,仿真數(shù)據(jù)顯示：節(jié)能效率達(dá)到43.3%.

3.2負(fù)載動(dòng)能的回收再利用

對負(fù)載動(dòng)能的回收再利用,主要集中在負(fù)載為轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載的行走機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上,如工程機(jī)械領(lǐng)域中挖掘機(jī)等在回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能.圖6為浙江大學(xué)管成等[26]設(shè)計(jì)的液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)動(dòng)能回收再利用液壓系統(tǒng)原理圖.

該液壓控制系統(tǒng)采用左右對稱設(shè)計(jì),以正轉(zhuǎn)為例說明其工作原理.當(dāng)挖掘機(jī)處于回轉(zhuǎn)減速制動(dòng)階段,此時(shí)功率需求較小,轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為高壓油液儲(chǔ)存在蓄能器中,實(shí)現(xiàn)能量回收;當(dāng)挖掘機(jī)處于回轉(zhuǎn)啟動(dòng)加速階段時(shí),蓄能器處于能量釋放狀態(tài),與發(fā)動(dòng)機(jī)共同供能來保證回轉(zhuǎn)的順利進(jìn)行.如此一來,便實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)能量的回收再利用,提高了液壓系統(tǒng)的能量利用率,實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)節(jié)能.

在實(shí)際應(yīng)用方面,國內(nèi)外諸多工程機(jī)械廠家亦進(jìn)行了很多研究.2008年,日本小松公司率先推出世界首臺(tái)20 t級PC200-8型混合動(dòng)力挖掘機(jī),采用電驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)技術(shù),以超級電容為儲(chǔ)能元件,實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)動(dòng)能進(jìn)行回收再利用,據(jù)報(bào)道其節(jié)能效果可達(dá)25%.2009年,三一重工推出SY215C Hybrid混合動(dòng)力挖掘機(jī),比傳統(tǒng)挖掘機(jī)節(jié)能30%以上.2015年,卡特彼勒推出首款液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī)Cat336D2-XE,可減少高達(dá)25%的燃油消耗.2016年日立建機(jī)ZH200-5A混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)正式面向中國市場上市,相比與ZX200-5A液壓挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)油耗降低15%,燃油效率提高18%.

圖6 具有制動(dòng)能量回收的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic of hydraulic swing system withbraking energy recovery

4 工程機(jī)械液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)難點(diǎn)與趨勢

綜上所述,提高液壓系統(tǒng)節(jié)能水平,可以從降低液壓系統(tǒng)能量損耗和可回收能量的回收再利用兩個(gè)角度入手,包括節(jié)能液壓元件的使用、液壓系統(tǒng)功率匹配技術(shù)和能量回收再利用技術(shù).但目前,液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)存在的發(fā)展難點(diǎn),主要有以下3個(gè)方面.

(1) 在節(jié)能液壓元件的使用方面,節(jié)能效果的提高相對較小,并且發(fā)展相對較為緩慢.

(2) 在液壓系統(tǒng)的功率匹配方面,目前工程機(jī)械采用更多的還是局部功率匹配,如2.2.1～2.2.3節(jié)介紹的控制系統(tǒng),均實(shí)現(xiàn)液壓泵—負(fù)載的局部功率匹配.此外,美國卡特彼勒公司研發(fā)出Maestro系統(tǒng)和韓國大宇公司研發(fā)的EPOS電子功率優(yōu)化系統(tǒng)等,也都實(shí)現(xiàn)了液壓挖掘機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)—液壓泵的功率匹配.而目前全局功率匹配技術(shù)仍不成熟,存在的主要難點(diǎn)在于,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)—液壓泵和液壓泵—負(fù)載兩個(gè)環(huán)節(jié)之間功率匹配與協(xié)調(diào)的原理和方法.

(3) 在能量回收再利用技術(shù)方面,則存在兩方面關(guān)鍵難點(diǎn):① 元件方面,主要是泵/馬達(dá)二次元件和能量儲(chǔ)存元件.目前,國內(nèi)還沒有能夠生產(chǎn)泵/馬達(dá)二次元件的廠家,國外雖有德國力士樂的A4VSO-DS1軸向柱塞泵和美國派克的P1系列泵能夠滿足要求.但這些泵/馬達(dá)二次元件在低頻能量回收再利用系統(tǒng)中尚可正常使用,在港口移動(dòng)式高架起重機(jī)等需要二次元件在泵和馬達(dá)兩種工況之間相對高頻切換使用時(shí),其可靠性和壽命將會(huì)大大降低.此外,能量回收再利用液壓系統(tǒng)中常用的能量儲(chǔ)能元件包括蓄能器、電池和電容,仍存在諸多缺點(diǎn).如蓄能器存在能量密度低導(dǎo)致體積較大,且儲(chǔ)放能過程受溫度影響等;電池存在功率密度低、壽命短、污染環(huán)境、能量轉(zhuǎn)換效率低以及價(jià)格昂貴等;超級電容則存在功率密度低、能量轉(zhuǎn)換效率低和續(xù)航時(shí)間較短等.② 系統(tǒng)控制方面,目前已有能量回收再利用液壓系統(tǒng)的控制策略較為單一,導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩需求在馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的分配比例有待優(yōu)化,以適應(yīng)工程機(jī)械復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和工況,最小化燃油消耗,實(shí)現(xiàn)合理的能量管理.

因此,未來工程機(jī)械液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢,主要有以下3個(gè)方面.

(1) 在節(jié)能液壓元件的使用方面,雖然節(jié)能效果的提高相對較小且發(fā)展相對較為緩慢,但諸如液壓泵、液壓缸和多路閥等作為液壓系統(tǒng)的組成部分,人們?nèi)詴?huì)不斷對其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,以減少能量損耗.

(2) 在液壓系統(tǒng)功率匹配技術(shù)方面,諸如負(fù)載傳感控制系統(tǒng)等局部功率匹配技術(shù),在一段時(shí)間內(nèi)應(yīng)該還是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)功率匹配的主流技術(shù).但僅依靠局部功率匹配,并不能把發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率經(jīng)過液壓系統(tǒng)和機(jī)械機(jī)構(gòu)完全施加在負(fù)載上,仍存在著一定的功率損失.所以未來全局功率匹配技術(shù)將會(huì)愈加受到人們的重視,隨著全局功率匹配技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,將會(huì)普及應(yīng)用于工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中.

(3) 在能量回收再利用技術(shù)方面,該技術(shù)現(xiàn)已成為世界各大工程機(jī)械廠商在節(jié)能減排領(lǐng)域競爭最為激烈、發(fā)展最為迅速的技術(shù),展示著其巨大的研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景.未來發(fā)展將會(huì)著重在以下兩方面:① 元件方面,泵/馬達(dá)二次元件和能量儲(chǔ)存元件的性能將不斷改善,包括可靠性、負(fù)載適應(yīng)性及能量轉(zhuǎn)換效率等,且有可能研發(fā)出新型儲(chǔ)能元件.② 系統(tǒng)控制方面,控制策略的優(yōu)化是改善能量回收再利用液壓系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)手段,目前應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的油電混合動(dòng)力技術(shù)控制策略已發(fā)展得較為完善,可以借鑒學(xué)習(xí),以針對特定工程機(jī)械的工況特點(diǎn),設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制策略.比如門限值控制策略,即根據(jù)設(shè)置的臨界工作點(diǎn)的值來判斷工程機(jī)械所處的工況,從而采取相應(yīng)的控制方式;還有模糊控制策略和優(yōu)化控制策略等[27].

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Developmentofenergy-savinginhydraulicsystemofconstructionmachinery

WANGXin1,LIUXiaoyong1,WANGPanpan2
(1.School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning, China; 2.Dalian Yiwang Technology Co.,Ltd.,Dalian 116023,Liaoning, China)

Based on analyzing the reasons of energy loss,some energy-saving measures of hydraulic system of construction machinery are introduced in detailed from reducing energy consumption of system and recycling recyclable energy.The problems and development of energy-saving in hydraulic system of construction machinery are pointed.

hydraulic system; energy loss; saving-energy means; energy-saving

TH 137.7

： A

： 1672-5581(2017)03-0232-07

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAF07B01)

王 欣(1972—),女,副教授.E-mail:wangxbd21@163.com