提高工程机械能量利用率的技术现状及新进展

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

十-五”期间，我国工程机械行业有了巨大的发展，到 2011年底，我国工程机械各类产品保有量约为500万台，年产量将近 80万台，装载机、挖掘机、汽车起重机、压路机、叉车、推土机、混凝土机械等产品产量跃居世界首位，且有逐年增加趋势，工程机械行业成为我国的重要支柱产业之-。随着行业的发展和保有量的增长，工程机械燃油消耗量也迅速增加，年消耗燃油近7千万吨，成为继汽车之后又-石化能源消耗主体。

面对当前石化能源日益枯竭，全球气候变暖，环境污染日益严重的问题，降低能量损耗已成为工程机械领域的研究热点和前沿课题，单机能源效率成为评价工程收稿 日期 ：2013-03-152 液压与气动 2013年第4期机械产品市澈争力的重要指标。下面分别从提高元器件效率、降低液压系统能耗、动势能的回收再利用、整机能量管理、采用混合动力技术等方面的技术现状和方法进行论述。

1 提高元器件效率工程机械主要采用柱塞泵作为动力源，多路阀作为控制元件，液压缸和液压马达作为执行器。液压泵、液压阀、发动机以及液压管道等是影响工程机械能源效率的主要元器件，以负载敏感控制原理的挖掘机为例，阀及其回路的损失 占到工作能量的35%，液压泵消耗 33%，其他约 4%，真正用于做功的只有 31%多- 点 ，如果考虑发动机的效率，整机的能量利用率更低，所以提高各元器件自身效率是提高工程机械能源效率的有效措施。

引起容积损失的主要是轴向柱塞泵的柱塞副、配流副和柱塞与斜盘的接触副(滑靴)间隙之间的泄漏和油液的弹性；而引起机械损失的主要是柱塞泵各运动副的摩擦阻力和粘性油液在泵内流动时产生粘滞阻力。

降低容积损失的根本措施是减少运动副之间的泄漏量，同时兼顾机械效率和润滑，相关的研究工作-直是液压技术领域国内外的研究重点。美国普度大学和德国的Aachen工大都开展了轴向柱塞泵关键摩擦副润滑特性、泄漏特性、抗磨特性和减阻特性的研究工作，通过研究，已经在柱塞表面形状设计和配流盘表面的设计方面取得重要进展。图 1所示为美国普渡大学提出通过波浪形表面形状改善柱塞泵效率原理，同时提高了泵的容积效率和机械效率，研究工作使柱塞泵在低压工作的效率提高 10个百分点 J。德国 Aachen工大的液压研究所则通过对柱塞两端形状的修改，柱塞表面的微结构、柱塞和缸体、滑靴配合的研究，同样减小了柱塞T作中的载荷和摩擦损失，提高了泵的工作效率，采用的柱塞形状如图2所示 J。

圈图1 波浪形柱塞表面和配流盘表面图 2 两端锥形柱塞结构国内浙江大学液压研究所构建了柱塞泵配摩擦副的试验系统，并对轴向柱塞泵滑靴副的动力学进行分析，获得了滑靴副油膜特性的实时变化规律l5]。

参照电气技术中功率电子的开关控制模式，美国明尼苏达大学提出基于高速开关阀、定量液压泵的变量液压泵/马达控制原理(虚拟变量泵/马达原理)，图3是控制原理 。研究工作的目标是获得控制精度和响应相当于比例阀控系统、能量效率相当于变量泵的液压系统，相对于变量泵具有低的成本和简单的结构。

工作中，二位三通高速开关阀按脉宽调制方式工作，当其与液压蓄能器连通时，泵的流量输入到蓄能器，当其与油箱接通时，将泵输出的流量油排人到油箱，改变阀的占空比，就可连续地控制流入到蓄能器的流量，关系研究工作成败的关键因素是高速开关阀能达到的流量和响应时间，只有当开关速度足够高时，才能使泵输出的流量波动比较小，高速开关阀旁通油箱产生的功率损失也较校由于传统的锥形和滑阀型液压阀加速、减速需要长的时间和大的驱动功率，提出采用旋转型的控制方式，结构和原理如图4所示。该阀具有轴向和旋转两个 自由度，通过特殊的结构设计，油液沿切线方向作用在冲击式涡轮后流入阀腔，流出时再经过反冲式涡轮，产生使阀芯自动旋转的转矩，这-转速与阀芯圆周方向窗口个数的乘积就是阀的调制频率，阀的占空比通过改变阀芯沿轴向的位置调整，通过改变阀的结构可以有二位二通和二位四通型的功能。

图3 虚拟比例液压泵/马达回路原理2013年第4期 液压与气动 3去油箱5，5OVoJ量供负载 ]电去负载螽 VI 叶片 负载/油箱 ，- j油 滑阀 -，图 4 旋转 型二位三通高速开关 阀工作 原理及剖面图多路阀作为工程机械液压系统控制元件，具有结构紧凑、管路简单的特点，但存在较大的能量消耗，为了减小阀的损失，芬兰 Tampere大学提出数字控制的方式降低阀的通流阻力，就是用开关型的液压阀，替代连续控制的阀，同时达到连续控制元件具有的特性，实现液压系统的节能 J。图5所示是-个典型进出口独立阀控差动缸的回路 ，每-个控制阀采用 4或 5个开关阀组成的数字阀组成。

lO.5O图5 数字阀控差动缸回路、数字阀的组成、控 制特性及元件实物照片用-组低成本的开关阀代替高价、可靠性差的伺服和比例阀，这些开关阀并联连接，按液压 DA转换器的数字方式控制通过的流量，流量控制等级为2 。-般四个开关阀可具有-个比例阀的功能。比例阀的线性误差较大，采用数字控制虽然不能连续调节流量，但控制非常准确，控制效果撒于阀的数量。该种控制方法的优点是简单和低成本，控制电路简单，方便与计算机和 PLC连接，可靠性高，抗油液污染能力强，不需要阀芯位置反馈，无泄漏，较比例多路阀节能 36%，无需其他辅助阀就可以控制所有的负载工况，所有的信号故障都可以通过软件补偿，同时不影响工作性能，研究表明，与数字液压缸配合用于挖掘机，可降低能耗80% ，具有非常好的应用前景，生产该技术产品的芬兰 Norhydro公司已在我国常州建立生产工厂。

2 降低液压系统能耗工程机械-般为单泵或双泵供油多执行器并联运行系统，工作时负载的较大变化将影响速度控制的精度和稳定性 ，而多执行器负载的差别会造成系统效率低、能耗大。研究液压系统的集成方法是提高系统能量效率的方法之-，目前工程机械常用的液压系统有以下几种方案。

2.1 负载敏感技 术工程机械的液压系统属多执行器复合动作系统，为了降低节流损失和各执行器动作互不干涉，广泛采用负载敏感和负流量控制技术，其基本原理是利用负载变化引起的压力变化，调节泵的输出压力，使泵的压力始终比最大的负载压力高出约2 MPa，而输出流量适应系统的工作需求。传统的负载敏感方式为液压 -机械控制，通过梭阀阀组和压力检测管网选择出最高的负载压力，用选出的压力控制变量泵斜盘的摆角，为了使各个液压执行器的动作不受负载压力变化的影响，在每-联控制阀的进 口都装有压差补偿器以保证控制阀的压差恒定。液压 -机械方式，当压力检测管路较长时，管路的时间常数对系统动特性有负面影响的相移，引起负载压力检测信号的延迟，导致系统动态过程产生振荡，甚至不稳定，见图6中对应测试曲线。

j 100j 8060稍 4O碡2OOO0 0.5 1.O 1 5 2 0 2.5时间/s0 0 5 1.0 1.5 2.0 2.5时间/s图 6 流量匹配负载敏感控 制原 理及 压差控制和流量控制对 比试验测试 结果为了简化先导控制管路、消除先导控制管网引起的滞后，国外进-步发展了用电子比例阀代替液控减压阀的负载敏感技术，德国力士乐(Rexroth)公司进-步发展了称为 LUDV的抗流量饱和负载敏感控制原理，在需求流量大于动力源所能提供的最大流量时，所有执行器运动速度按相同的比例减小，保证速度的相对稳定性。但是由于挖掘机工作中各个执行器驱动的负载相差很大，而负载敏感和负流量控制只能和最高负载相匹配，所以仍然存在很大的能耗，研究表明，消耗在控制阀上的能耗超过 30% ，所以，降低液压系∞ ∞ 知 加 00∞耋Ⅲ/ 蟮4 液压与气动 2013年第4期统的能耗-直是该领域的重点研究课题。代表性的工作有，在液压负载敏感控制基础上，上世纪 90年代初德国研究者提出电液负载敏感控制原理，用压力传感器取代复杂的压力检测管网，通过阀口流量计算公式控制阀的流量，省掉了压差补偿器，简化了系统的机械结构、降低了能耗 。日本学者对应用高速开关阀控制压力电闭环比例泵组成的电液负载敏感系统作了研究，并提出用比例压力阀改变压差补偿器的补偿压差，实现抗流量饱和的流量分配控制 。冯培恩教授领导的课题组对正流量和负流量控制系统作了研究，提出了正负流量复合控制的方法对负流量系统进行改进 ㈦ 。

传统的负载敏感原理控制量是压差，可称为压力匹配型的负载敏感技术。这种技术的缺陷是存在较大的压差损失，最低也在2 MPa左右；系统的稳定性差较差，容易引发振动。为此，德国 Aachen工大的 Zaehe博士进-步提出无需压力传感器、按流量计算负载压差和按总流量控制多执行器的原理 ，德国 Braun。

schweig大学教授 Harms提出根据比例阀的流量设定值或阀芯位置确定出负载所需流量，对泵的流量进行控制的流量匹配控制原理 ，因这几种方法需要检测液压泵的转速和摆角，不便在移动设备中应用，当时并未引起足够重视。直到 2001年，Dresden工业大学液压研究所的Helduser教授，进-步提出了用位移传感器检测比例流量阀压差补偿器开口量、泵出口旁通压差补偿器开口量，不需要检测泵转速的流量匹配控制原理，这-技术才引起人们的关注，研究课题获得了德国国