分析并聯式混合動力液壓挖掘機能量回收與動力匹配技術

董永平

摘要：目前液壓挖掘機已經被廣泛應用于工程和礦產領域，其作為施工現場的主要設備，性能直接影響機械工程的效率和成本。本文主要研究液壓挖掘機工作過程中動臂下降和整車回轉的能量回收問題，希望能夠降低液壓挖掘機的使用功率，科學高效的節省能量消耗。

關鍵詞：液壓挖掘機;能量回收;動力匹配;動臂

前言：近年來，混合動力技術的迅速發展令傳統液壓挖掘機朝著新的方向開始發展，目前在液壓挖掘機的系統機構以及控制策略等方面都取得了較大的進步，能夠顯著降低液壓挖掘機的能耗，提高作業效率。

一、液壓挖掘機可回收能量分析

（一）動臂能量回收技術的工作原理

并聯式混合動力液壓挖掘機主要采用發動機以及發電機并聯的方式進行驅動液壓泵，其中發動機的動能直接傳輸給液壓泵和馬達。而液壓挖掘機工作裝置主要由三部分構成，即動臂、斗桿以及鏟斗，由于其具有頻繁往返運動以及慣性較大等特點，經常導致液壓挖掘機在下放的過程中，勢能與動能完全轉變為熱能，同時液壓系統迅速升溫，令系統內密封元件受損，影響其使用壽命，導致液壓系統發生頻繁故障，降低系統工作效率。如果對液壓系統采取冷卻處理，則會導致系統內部能耗增加，因此在液壓機下降工作時，如果在其前端安置能量回收裝置，能夠有效地降低整個系統的溫度，避免設備發生故障，同時還可以回收利用系統產生的能量，降低內燃機的輸出功率，減少液壓系統的能源消耗。動臂系統的主要工作原理，首先是令其動臂下降，進行挖掘工作，在鏟斗負載之后提升動臂，然后鏟斗卸載負荷，動臂下降，最后動臂回復原位，對于液壓挖掘機而言，主要以控制動臂達到控制系統的目的，利用傳感器監測動臂實際位移與理論位移之間的差值，將兩者之間的差值作為控制路閥的開口，令實際位移與理論位移保持一致，因此動臂能夠回收較多能量，回收價值較高，約占全部能量的二分之一。另外，混合動力液壓挖掘機安裝了能夠進行能量回收的再生動臂，與傳統的動臂系統相比較，能量回收更高效。由于動臂系統工作中會產生能量浪費，因此必須加強提高挖掘機的效率，將動臂下降工作過程中產生的勢能，進行回收再次利用[2]。例如，當挖掘機中液壓缸的運行方向與其承載的重力方向一致時，油液將從高壓腔傳送至低壓腔，令主泵輸出流量幾乎為零，同時，由于負載較低，導致出口的高壓油液其液壓被浪費，因此液壓挖掘機能將能量回收后再利用。目前動臂系統再生功能已經是我國混合動力挖掘機中應用最廣泛的。

（二）回轉制動能量回收技術的應用研究

由于液壓挖掘機回轉系統工作效率低、工作時間較長等缺陷，因此為了提高回轉系統的效率，必須縮短制動間距，液壓挖掘機其設備安裝中存在補油的單向閥門，因此無需動臂進行能量再生，其自身就可以回收油液。同時回轉系統中的蓄能器具有能量大、密度高、能量回收轉化環節少、效率高等特點，因此其較適合回收回轉系統的能量，其與動臂回收系統的原理類似，但最主要的區別在于儲存能量的元件不同，混合動能通常采取超級電容作為儲能元件，而普通的油液混合則使用蓄電器作為儲能元件，利用馬達作為系統內部的能量轉換元件，因此有效的避免了機械能向電能的轉換，提高了挖掘機的效率，減少了能量的損失，而回轉系統工作時，其蓄電池和液壓泵驅使馬達運行，通過變速箱帶動系統內部的轉臺，使其正常轉動，同時角位移傳器檢測工作裝置的回轉位移，通過控制器運算出的數據，控制蓄電器以及馬達輸出的能力，確保能量數值一致，避免造成能量浪費。除此之外，液壓馬達在不同的載荷方式下，其回收能量的能力不同，但是在同一個模式下，制造的能量基本是一個固定值，例如，回轉制動時，系統內部所有能量沖擊馬達，使馬達轉動，而當液壓馬達與液壓泵相連時，在忽略效率的背景下進行計算，可以看出兩者之間的速度和扭矩是一致的，因此可以通過調節馬達的排量改變液壓泵輸出的壓力，在壓力不超過安全閥設定的壓力時，馬達排量越小，其輸出的壓力越大，從而有助于蓄能器回收系統內部的能量。

二、液壓挖掘機動力匹配技術

（一）單泵恒功率控制技術的應用研究

液壓挖掘機動力匹配技術本質上屬于機電一體化，能連接液壓系統、PLC以及發動機，同時將三者組成一個完整的系統，有助于機械作業環節中系統安全穩定運轉。當前工程施工中，大型機械設備往往單日作業時間長，因此這種動力匹配技術，能最大限度的減少技術人員的工作量，提高其工作效率，同時避免人為失誤的可能，基于上述優勢，目前動力匹配技術在液壓挖掘機設備中廣泛應用。其工作原理主要是通過單泵恒功率控制技術，即通過變量系統中的PLC系統，控制變量泵的排量，當挖掘機進行挖掘作業時，改變系統內部彈簧的彈力進而調節變量的數值，這種方式能夠有效的控制變量泵輸出的流量，產生不同的流量，一旦系統中的壓力數值達到彈簧壓力設定值時，變量泵數值相應的進行調整，開始變小，當系統的壓力值與第二根彈簧的壓力值相同時，排量變化的函數圖像呈現曲線的變化趨勢，由此可以觀察出，當曲線值最大時，常數與系統內部的離散值保持一致，不僅有效的避免了液壓挖掘機超載導致的熄火問題，同時能夠提高發動機的功率，有效的減少能量的損失，有利于能量的回收再利用。

（二）定量泵控制技術的應用研究

在傳統的液壓挖掘機設計中，尤其是小型挖掘機，通常采用定量泵的設計方式，定量泵主要的工作原理是通過推拉膜片，進行控制定量泵中液體的排出，如如果向后拉膜片時，出口閥就會下降，則其與球座之間可以連接的更加緊密，而當隔膜被拉回時，隔膜與泵頭之間處于真空狀態，進口球閥上升，液體則被吸走，如果向前推動膜片時，由于入口閥門與球座之間密封良好，液體無法通過，而當向前推出口隔膜時，液體則會被排出。而對于大型挖掘機在液壓系統中安裝定量泵，容易導致系統中的機械泵性能受損，降低挖掘機的功率，導致整個挖掘機的性能受損，因此定量泵控制技術不適用于大型的液壓挖掘機。液壓挖掘機動力匹配技術應用愈加廣泛，但是該技術當前仍舊存在較多的技術問題，即當前機械一體化技術在液壓技術、發動機的配置、控制系統等技術應用上發展不夠成熟，需要企業加強資金投入，促進技術人員不斷進行科技創新，還有液壓挖掘機動力匹配技術在實際應用中缺乏條件，因此工程領域的技術人員，應主動借助國內外先進的技術，攻克液壓挖掘機的技術難題，液壓挖掘機的能量回收及其動力匹配控制技術，是我國當前工程領域的核心技術，能提高機械設備的工作效率。

結束語：總而言之，由于工程機械設備中往往采用內燃機將熱能轉化成動能的能量輸送方式，容易導致其對自然環境污染較重，因此節能減排技術的研究和應用勢在必行，本文研究并聯式混合動力液壓挖掘機的工作原理以及其能量回收特點，希望對液壓挖掘機的研究人員具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]龐琳娜.液壓挖掘機的節能技術分析[J].內燃機與配件，2020（05）：215-216.

[2]閆磊，聶陽文，胡星.基于液壓挖掘機動臂勢能回收的動臂降速控制仿真研究[J].工程機械，2020，51（03）：29-33+6-7.