液壓挖掘機動臂勢能回收技術現狀及展望*

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(1.貴州電子信息職業技術學院，貴州凱里556000；2貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

0 引言

液壓挖掘機在采礦、清理河道、基礎設施建設等方面有著非常廣泛的應用，但是其存在能耗高，能量利用率低的問題。挖掘機工作裝置(動臂、斗桿、鏟斗)在下落的過程中其重力勢能都消耗在控制閥上，轉化為熱能。對其進行重力勢能回收再利用研究，對于節能減排、保護環境具有重要意義[1-4]。

隨著節能技術的發展，液壓挖掘機動臂勢能回收技術有了一定的進展，國內外學者也提出了很多勢能回收方案，這些方案各有特點，回收的效率也不同，回路的結構和控制復雜程度不同也就導致了成本的不同。為了讓勢能回收技術更好的應用于實際產品，本文總結了近年來國內外動臂勢能回收技術的發展現狀，分析了各種不同回收方法的特點，最后對勢能回收技術進行展望，為以后的研究和應用提供參考。

1 典型工況可回收勢能分析

圖1 工作裝置典型工況起始位置

為得到挖掘工作裝置總的可回收勢能，以某應急救援排障工程車的挖掘工作裝置為對象，在典型的挖掘裝載作業中對其勢能回收原理進行分析。以某型號工程車為例工作裝置在卸載位置時動臂油缸的長度為1.488 m，工作裝置在最低的挖掘位置時動臂油缸的長度為1.906 m，動臂油缸伸長0.418 m[5]。

將建好的挖掘工作裝置三維模型導入到Adams軟件中，在Adams軟件中添加運動副和驅動函數進行仿真分析。

從圖2可以看出動臂下落過程先加速到一定值后減速到零，比較符合真實的挖掘作業過程，能更好地反應挖掘機動臂油缸的受力狀況。

圖2 加速減速運動時速度曲線 圖3 動臂油缸的受力曲線

從圖3可以看出動臂在下落的過程中，動臂油缸的受力變化不大，最大最小力出現在加速減速的運動過程，最大值為58020.19 N，最小值為40043.71 N有利于勢能的回收。

由功的計算公式得：

1)勻速下落

式中：F(t)為圖2中動臂油缸的受力；V為動臂油缸速度；t為時間。

2)加速減速下落

式中：a為動臂運動的加速度。

圖4 動臂油缸可回收能量

由以上公式可以得到可回收的能量(圖4)。

在勻速下落的過程中最大可回收的能量為23.88 kJ，在加速減速下落過程中最大可回收的能量為23.96 kJ，可以看出無論動臂油缸的運動過程如何，總的可回收的能量是相同的。上面計算的為普通5 t挖掘機一個工作循環中動臂可回收的能量，對于中大型液壓挖掘機回收的能量會更多，每一個工作循環可能有幾百千焦。

從以上分析可以看出動臂勢能回收的能量是很可觀的，應該重視動臂勢能回收技術的研究與應用。

2 勢能回收系統的種類

勢能回收技術已經經過了很長時間的發展，許多勢能回收技術被用于不同的場合，如：電梯重力勢能的回收，升降機重力勢能的回收等。最早應用勢能回收技術的時間可以追溯到西德柏林技術大學把公共汽車制動能通過液力制動裝置將制動能存儲在蓄能器中，作為下一個加速過程的能量[6]。但是其他場合的勢能回收技術并不適用于挖掘機的勢能回收，所以有必要針對挖掘機動臂勢能回收技術進行研究。

根據能量存儲的方式可以分為：機械式能量回收系統，液壓式能量回收系統，電氣式能量回收系統。機械式能量回收系統主要為飛輪儲能，由于飛輪安裝尺寸，時效性等問題，這種方式并不適合挖掘機動臂勢能的回收，在此不做討論。

3 液壓式能量回收系統的特點及其發展

3.1 液壓式能量回收系統的特點

液壓式能量回收系統與電氣式能量回收系統相比其優點是：能量轉換環節少，效率高。而電氣式能量回收系統中能量轉換存在液壓泵、電動/發電機、儲能原件等多個環節，變頻整流環節的效率為90%，儲能原件的效率僅為78%～97%[7]。

液壓式能量回收系統最常用的儲能原件是蓄能器，蓄能器是一種能把液壓能儲存在耐壓容器里，待需要時又將其釋放出來的能量儲存裝置[8]。蓄能器可以實現液壓油的快速充放，并且可以吸收液壓沖擊，消除脈動、噪聲，所以蓄能器被廣泛應用于各種不同的液壓系統。優點是：功率密度高，使用壽命長。蓄能器在同質量情況下，比超級電容、蓄電池、飛輪等元件儲存的能量高。

圖5 新型常壓蓄能器

圖6 液壓式能量回收系統原理圖

蓄能器的缺點是安裝空間較大，所以蓄能器更適合于中小型的液壓挖掘機系統。隨著蓄能器技術的發展，新的蓄能器被研究出來，文獻[8]提出了一種恒壓能量密度高的新型蓄能器如圖5，這種新型的蓄能器可以保持壓力的穩定，但是結構比普通蓄能器復雜。

圖6所示為液壓式能量回收系統的工作原理，蓄能器作為儲能裝置，通過換向閥，將油缸中的高壓液壓油儲存在蓄能器中，儲存的能量用于其他的回路。

3.2 液壓式能量回收系統的發展

1)基于液壓變壓器勢能回收系統

圖7 基于液壓變壓器的勢能回收系統原理圖

當挖掘機動臂下降時，在重力的作用下動臂無桿腔的液壓油通過液壓變壓器后壓力升高，液壓能儲存在蓄能器中，然后直接將蓄能器的高壓油用于驅動動臂的提升，工作原理如圖7所示。

動臂的下落速度通過調節變量泵/馬達的排量來實現，與閥控制系統相比減少了節流損失，具有節能的特點。當動臂提升時，首先由蓄能器提供液壓油來克服負載力提升動臂油缸，當蓄能器的壓力下降到不能克服負載力時，主泵會提供額外的壓力來提升動臂缸負載。

圖8 基于液壓變壓器勢能回收系統Ⅰ

圖8為2010年張樹忠等人提出的一種基于液壓變壓器原理的能量回收系統，動臂下降時不僅實現了勢能回收，還實現了流量再生，降低了主泵的供油量，使節能效果得到進一步提升。通過仿真分析，這種勢能回收回路回收利用的能量占總可回收能量的54%左右[10]。

圖9為2017年齊秀麗等提出的基于液壓變壓器原理的勢能回收系統，此系統主要利用多路閥進行控制[11]。文獻[12]也提出了相似的勢能回收系統。

圖9 基于液壓變壓器勢能回收系統Ⅱ

2)蓄能器為主泵進油口輔助供油

液壓馬達的理論輸入功率為ΔP×qt，輸出功率為2πTtn，考慮到機械效率ηm，根據能量守恒可得泵的扭矩計算公式為：

T=ΔP×V×ηm/(2π)

式中：ΔP為液壓泵的進出口壓力差，V為排量ΔP=P2-P1，P2、P1分別為液壓泵出、進油口壓力。

圖10 蓄能器為主泵進油口輔助供油

由此可以得當蓄能器為液壓泵進油口輔助供油時，可以使ΔP值減小，也就使得泵的輸入扭矩減小，消耗的功率減少。蓄能器主泵進油口輔助供油的原理如圖10所示。

蓄能器儲存液壓油缸的液壓能，當主泵工作時，與蓄能器相連的閥門打開，先由蓄能器向主泵的進油口供油，當蓄能器的液壓油不足時，主泵再從油箱吸油。這種方法的節能效果較好，但為了調節油缸的速度在蓄能器充液的過程中會有一定的節流損失。這種回路適用于回收壓力不高的系統中，因為許多的油泵不能承受過高的進油口壓力。

2015年夏連鵬提出了一種基于這種原理的動臂勢能節能回路，該回路的結構如圖11所示[13]。

圖11 基于蓄能器勢能回收原理圖

美國卡特彼勒Lars Bruun提出了一種基于該原理的液壓式能量回收系統[14]，并將其成功應用于一臺50噸級液壓挖掘機上，其系統原理如圖12所示。當挖掘機動臂下降時，液壓油經過控制閥、液壓馬達/泵和一油缸為蓄能器充能，將動臂勢能轉化為液壓能，當動臂上升時，蓄能器釋放高壓油輔助液壓馬達/泵向動臂油缸供油，減少了發動機的部分負荷，減少了能量消耗。據報道，與傳統液壓挖掘機相比，該系統動臂上升過程的平均油耗降低了37%，被認為是近十年來最成功的動臂節能系統之一[15]。

圖12 卡特彼勒動臂勢能回收系統

圖13 利勃海爾動臂勢能回收系統原圖

利勃海爾公司提出了一種閉式勢能回收回路如圖13所示[16]，該回路是一種泵控系統，控制更加簡便且沒有節流和溢流損失，該回路不僅實現了勢能的回收，還實現了流量的再生。通過對樣機的試驗表明，該系統可以使發動機的裝機容量減少25%，動臂的運動速度可以提高80%。

3)蓄能器-液壓馬達為主泵提供輔助動力

平行軸液壓混合動力挖掘機原理圖如圖14所示，當動臂下降時，動臂油缸無桿腔液壓油部分流向動臂有桿腔，部分儲存在蓄能器中，在動臂提升時，蓄能器能量通過液壓馬達為主泵提供輔助動力[17]。

圖14 蓄能器-液壓馬達為主泵提供輔助動力

圖15 蓄能器-液壓馬達為主泵提供輔助動力原理圖

當動臂下降時，液壓油一部分通過液壓馬達為液壓泵提供額外的輔助動力，另一部分通過儲存在蓄能器中，動臂勢能同時被轉化為機械能和液壓能。當動臂提升時儲存在蓄能器中的壓力油通過液壓馬達為液壓泵提供輔助動力，起到節能的效果。

4)基于平衡油缸勢能回收系統

圖16 基于平衡油缸勢能回收原理圖

圖16為基于平衡油缸的勢能回收系統原理圖，動臂工作時，動臂的重力勢能與蓄能器的液壓能相互轉化，起到節能效果。

2013年，陳欠根等提出了一種基于平衡油缸的勢能回收系統[18]，該系統的原理為：動臂下降時，主泵的液壓油一路進入主液壓缸5的有桿腔，一路進入輔助油缸6、7的有缸腔，主液壓缸5的無桿腔液壓油與油箱相連，輔助油缸6、7的無桿腔液壓油連接蓄能器8，動臂上升時主泵液壓油進入主液壓缸5的無桿腔，其無桿腔液壓油流回油箱，蓄能器中的液壓油流入輔助油缸6、7，用于平衡動臂的重力，起到節能效果。

圖17 基于平衡油缸勢能回收系統Ⅰ

2017年任好玲等也提出一種基于平衡油缸的勢能回收系統，提出了一種基于該原理的動臂勢能回收系統如圖18所示[19]。

圖18 基于平衡油缸勢能回收系統Ⅱ

該系統的液壓驅動單元以3個比例節流閥和1個比例溢流閥代替原有的多路閥，并且在平衡油缸和蓄能器之間引入了平衡單元，有利于動臂的運動控制。在動臂運動的過程中平衡油缸8不需要主泵供油。在動臂的一個工作周期內，有平衡系統的能量消耗比無平衡系統時降低29.0%，具有較好的能量回收效率[19]。

4 電氣式能量回收系統的特點及其發展

圖19 能量回收流程圖

能量回收流程圖如圖19所示。

日立建機是世界上第一個采用電氣式能量回收系統對挖掘機動臂勢能進行回收的企業[20]，系統原理圖如圖20所示。

圖20 日立建機電氣式能量回收系統

該系統既可以回收動臂的重力勢能也可以回收挖掘機回轉制動能。動臂、斗桿和鏟斗油缸的液壓油通過液壓馬達和發電機將重力勢能轉化為電能，回轉機構通過電動/發電機轉化為電能。

2006年神鋼工程機械，新能源工業技術開發組織和神戶鋼鐵推出了6噸級原型系列混合動力挖掘機，通過實驗驗證該挖掘機燃油消耗量可以減少40%以上[21]。執行系統由六個獨立的執行器構成，由電動機和液壓泵來驅動，動臂下落時，動臂的重力勢能轉化為電能。

圖21 電氣式勢能回收系統Ⅰ

2011年林添良等提出一種基于液壓馬達、發電機、電容器、電動機的勢能回收回路[22-23]，回路中有節流閥調速回路，使得動臂的可操控性好，動臂下落時，動臂的液壓能通過液壓馬達和發電機轉化為電能儲存在電容中，在下一個工作過程中，儲存在電容器里的電能通過電動機轉化為液壓泵的扭矩，使得液壓泵在啟動時減少從發動機獲得的功率，達到動臂勢能回收的目的。通過仿真分析，這種回路回收的能量占總可回收能量的35%左右。

圖22為KYB提出的一種電液勢能回收系統[24-25]，該系統的優勢是動臂的重力勢能一部分通過液壓馬達直接驅動液壓泵，另一部分通過勢能回收系統被回收。實驗結果表明，該系統可以節能約為10%～30%。

圖22 電氣式勢能回收系統Ⅱ

2012年周宏兵等提出一種復合式勢能回收系統[26]，動臂下降時重力勢能一部分轉化為蓄能器的液壓能，一部分通過液壓馬達和發電機轉化為電能。在動臂提升時，蓄能器中的液壓能為主泵組進油口提供輔助壓力，電容中的電能通過電機為主泵提供扭矩。兩種方式優勢互補，提高了系統的動態響應，以及能量回收效率。

圖23 復合式勢能回收系統

2015張路豪等提出了一種勢能回收系統[27]，以蓄電池為儲能原件，該系統的優點是，在動臂控制多路閥和液壓馬達之間增加了一個控制閥，這可以提高動臂的操縱性能。

圖24 電氣式勢能回收系統Ⅲ

與普通的節流閥控制系統相比，電氣式勢能回收系統會導致動臂的運動性能不理想，基于這種考慮，文獻[17-18]提出用節流閥和電氣式勢能回收系統聯合控制系統來提高動臂運動的平穩性，控制原理圖如圖25。

應用壓力補償的原則，發電機的電磁扭矩與載荷相適應。通過調節節流閥的開口改變動臂油缸運動速度，提高了動臂運動操控性，并且動臂的重力勢能通過發電機得到部分的回收與利用。

圖25 控制原理圖

5 動臂勢能回收系統的發展趨勢

通過以上分析知，動臂勢能回收技術是未來挖掘機液壓系統的發展趨勢。但是現有的動臂勢能回收系統還存在一些不足，未來的發展趨勢就是克服現有技術的不足，使動臂勢能回收系統更好地應用于實際產品。

1)勢能回收系統操控性問題

與普通的挖掘機系統相比，勢能回收系統中的操控性有待提高，傳統的挖掘機系統是通過節流閥、溢流閥等控制閥來調節動臂運動的速度，結合遠程先導閥使駕駛員的操縱簡單，不易疲勞。但是在勢能回收回路中，動臂的下落過程中會受到來自勢能回收元件如蓄能器、液壓馬達和發電機的阻力，并且這種阻力是不斷變化的，如何使動臂的運動得到想要的結果是目前需要解決的問題。目前的研究都是關于勢能回收回路的研究，只是實現了動臂勢能回收的功能，但是有的回路結構復雜，操控性能低，不利于在實際的產品中進行應用和推廣。未來的勢能回收系統最好是和傳統的挖掘機操控性相近。

2)勢能回收效率問題

在實現勢能回收功能的基礎上盡量提高勢能回收的效率，動臂在下落的過程中總的可回收的能量是不變的，這在第一節中通過仿真進行了說明。提高勢能的回收效率，就可以節省更多的能源，是未來努力的方向，為提高效率首先應該減少能量轉換的環節，轉換的環節多也就意味著能量轉換的效率就會降低，其次應該減少回路中不必要的節流和溢流損失。

液壓挖掘機所有的執行元件都是靠液壓進行傳動的，所以液壓式勢能回收回路更加適合，也更容易集成在傳統的液壓回路中，混合動力挖掘機則可以選擇電氣式勢能回收系統。動臂下落的時間通常只有3 s～4 s的時間，因為蓄電池在充電的過程中要經過化學反應，所以在短時間內完成能量的儲存需要很大的挑戰，相比之下，超級電容更加適合作為儲能元件，但是電容的壽命問題也是挑戰之一。

綜上所述，如何提高勢能回收的效率和可靠性，使其在經濟上比增加勢能回收系統的成本更有優勢是一種挑戰，這也利于該技術的應用與推廣。

3)勢能回收系統集成問題

勢能回收系統的集成度低，現有的勢能回收系統是簡單元器件的組成，沒有開發專用的器件如：液壓泵、發電機和控制器一體的器件等，系統的集成度低，在液壓挖掘機上要有足夠的安裝空間。蓄能器是勢能回收系統中經常使用的元件，但是其能量密度低，不適合大量能量的儲存。在選擇蓄能器時還要考慮過載的情況，這就使得蓄能器的體積更大，需要更大的安裝空間。

6 結論

為降低挖掘機等工程機械的能耗，國內外展開了對挖掘機動臂勢能回收技術的研究，并取得了一定的研究成果，國外對該技術的研究較早，國內雖起步晚但最近幾年的研究較多，提出了不同的勢能回收方法，但是研究還不成熟，尤其是控制技術和相應元器件的發展。本文總結了目前勢能回收技術的類型和各自的特點，并進行了分類總結，展望了該技術未來發展的趨勢和亟需解決的問題，為以后該技術的研究與應用提供了參考。