液压挖掘机节能措施及混合动力系统方案.pdf

Hv d r a u l i c s P ne u ma t i cs S e a l s ， NO． 9 ． 201 2 液压挖掘机节能措施及混合动力系统方案 姜继海， 于安才， 沈 伟 哈尔滨工业大学 机 电工程学 院， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 8 0 摘 要 针对挖掘机运行 过程 中所产生 的各种功率损失 ， 分析 了现有挖掘机系统的优缺点 ， 综述了挖掘机液压 系统节能措施的现状 。 根 据液压泵／ 马达 四象限的工 作特 性和液压变压器的特点 ，提出 了基于 回转装置 和基 于 C P R网络 的液压混合动力挖掘机系统 的设计方 案 ， 采用液压泵／ 马达 回收挖掘机 回转， 旋转运动制动动能 ， 采用液压变压器 回收挖掘机直线运 动势能 ， 实现发动机 液压泵负载 之间的合理匹配， 能够解决现有挖 掘机 的传动效率和能量利用率 低的问题 。 关键词 液压挖掘机 节能技术 ； 混合动力 ； 能量 回收 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 0 0 7 5 0 4 Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r s En e r g y - s a v i n g Me t h o d s a n d Hy b r i d S y s t e ms S c he me J I ANG J i h a i ， YU A17 , 一 c a i ， S HE N We C o l l e g e o f Me c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g ，Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， H a r b i n 1 5 0 0 8 0 ， C h i n a O前言 “ 十二五” 期间是我 国经济增 长和转型的一个关键 时期 ，如何通过发展低碳经济实现生产方式 的转变 已 成为社会各界的共识。近年来 ， 随着基础设施建设力度 在全 国各地 的 日益加大 。中国挖掘机市场进入蓬勃发 展阶段 。据统计 ， 目前全 国挖掘机拥有量近 1 0 0万台， 全国各地每天有 8 0万 台挖掘机 同时作业 ， 如果每台挖 掘机在原有基础上节油 1 0 ％就意味着每年至少节约 1 4 亿公升的燃油 ，相 当于减少 了 3 7 6万吨二氧化碳的排 放。目前我国挖掘机行业面临着能源转换效率较低 、 环 境污染严重等问题 ，这给工程机械行业 的节能降耗带 来 了严峻挑战。相关统计显示 ， 我国一次能源消费总量 已经达到 3 2亿多吨标准煤 ， 原油进 口对外依存度达到 5 5 ％左右 。石油消费主要领域是石油化工 。 交通运输和 工程机械等。工程机械 。 特别是挖掘机行业的原油消费 是不可忽视的一个重要方面。如何坚持节能 、 环保 、 低 碳工程 、 应用新的纯净绿色可再生能源系统 ． 已经成为 挖掘机行业发展必须面对的课题。 l 目前 国内外挖掘机液压 系统节能措施 众所周知 ， 挖掘机工作过程 中存在各种功率损失 ， 其 中占主导地位 的是功率匹配损失 ．国内外工程机械 基金项 目 国家 自然科学基金 资助项 目 5 0 3 7 5 0 3 3 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 1 9 作者简 介 姜继海 1 9 5 7 一 ， 男， 黑龙江嫩 江人， 教 授， 博士， 主要研 究方 向为 液 压传 动基础理论及应 用 、 液压流 体能量存储及转换 关键技术 、 液压混 合动力驱动理论及 应用和新 型液压元件及装置 等。 生产商开发了多种节能控制技术 ，较好地解决了这一 问题。功率匹配主要有两方面内容 基于发动机液 压泵匹配 的液压系统节能措施和基 于液压泵负载 匹配的液压系统节能措施。 1 ． 1 发 动机 液 压 泵 匹配 节能控 制 系统 基于发动机液压泵匹配的液压系统节能措施 是指通过调节控制液压泵和发动机 ，使发动机工作在 高效率区域 ， 使液压泵更充分地吸收发动机的功率。通 过合理地匹配发动机和液压泵 ，可 以有效地提高燃油 利用率 ， 实现节能的 目的。其节能措施主要包括恒功率 控制 、 自动怠速控制 、 分工况控制和转速感应控制等。 恒功率控 制f 中应用 比较多 的是交叉功率控制12 ] ， 可 以 充分利用发动机功率 ，又能像分功率系统那样根据每 一 个液压泵的负载状况调整输出流量。但仍然存在着 缺点 ， 液压泵的工作点被局限在几条 曲线上 。 与负载工 作点不能很好匹配 ， 不可避免地存在功率损失。当液压 系统 中位超过设定时间 ，实现 自动怠速 ，节省燃油消 耗 ， 降低噪音。分工况控制应用的情况 比较多 ， 根据作 业 工况和使用要求对发动机和液压泵进行优化设定 ． 控制发动机油门开度及液压泵 的排量 ，一般分为重载 荷情况 、 一般作业情况 、 轻载荷情况和低怠速情况 。工 况 的区分 ， 可以尽量避免发动机工作于高油耗状态。 功率 匹配损失是由于挖掘机工况复杂，负载变化 剧烈 ， 导致柴油机严重偏离经济工作区 。 造成燃油利用 率不高 ， 尤其是在高转速 、 小负载的情况下。为解决这 一 问题 ， 国外很早就展开了研究 ， 对发动机和液压泵采 取功率匹配控制 ，目的是控制柴油机在各种负载功率 75 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 9期 条件下都工作在经济工作区。到 目前为止 ， 几乎所有的 国外公司生产 的中型挖掘机都配备 了这一控制系统 ， 如小松公司的 P C系列挖掘机 ， 日立建机的 E X系列挖 掘机 ， 卡特彼勒公司的挖掘机等。为进一步提高功率匹 配控制效果 ， 国内一些学者也做 了大量的研究工作。这 些技术 曾经大幅度降低了液压挖掘机 的油耗 ，但 由于 挖掘机本身工作负载的特点 ，决定了在传统的功率匹 配技术下 ， 难以进一步提高节能效果。 目前 ， 在这一领 域 ， 国内和国外差别已经不大 ， 在 2 0 t 级 的液压挖掘机 上 ，国内普遍采用 了电控泵和国内自主研发的节能控 制器。 在传统的功率匹配控制中，只有在最大负载功率 下， 柴油机与液压泵的功率才能匹配得较好 ， 使柴油机 工作点位于经济工作区。由于负载的剧烈波动 ， 最大和 最小负载功率是交替变化的，因此柴油机输 出轴上 的 扭矩也剧烈波动 ，使柴油机在小负载时工作点严重偏 离经济工作区， 因此这种传统的功率匹配是不完全的。 另外 ， 为满足最大负载工况的要求 ， 在工程机械的设计 中必须按照工作过程 中的峰值功率来选择柴油机 ， 因 此柴油机功率普遍偏大， 燃油经济性较差。当选不到大 功率柴油机时 ， 很容易造成发动机过载 ， 会经常出现柴 油机过热现象。 1 ． 2液压泵负载匹配节能控制系统 基于液压泵负载 匹配的液压系统节 能措施 ， 是指采用这种措施 可 以使液压泵按负 载所需 提供能 量 ，尽量减少液压泵输 出的多余能量。 目前主要有负 流量控制 、 正流量控制和负载敏感控制等方法。负流 量系统[ 3 】 有助于消除多路 阀中产生的空流损失和节 流 损失 ， 但不足之处 在于多路阀调速范 围有 限 ， 受 负载 影响较大。正流量系统【4 1 只输 出与先导操纵压力相适 应 的流量 ， 因此能减 少旁路节流损失 ， 但不能完全 消 除 。而且梭阀组的存在一直是正流量控制系统中的不 足 ， 增加了系统的复杂性 ， 影响了系统的响应速度。负 载敏感系统【 】 功能虽然优越 ， 但是 ， 仍然存在许多不足 之处 。由于使用多传感器 和信号器 ， 当系统 中管道较 长 时 ， 会造成压力传递滞后而难以实现快速稳定控制 造 成 能量 损 失 。 2 混合动力挖掘机系统 为解 决传统挖 掘机无 法实现 的发动 机液压 泵负载完全匹配的问题 ， 国外各著名工程机械生产 厂家普遍将研究开发方向转 向了挖掘机的混合动力系 统 。2 0 0 3年，日立建机推出了世界上第一台轮式装载 机 ； 2 0 0 4年 5月 ， 小松公司则推出了世界上第一 台试验 76 型混合动力液压挖掘机嘲 。随后， 神户制钢 ， 卡特彼勒等 公司也推出了自己的混合动力挖掘机。 这些公司普遍采 用的是油 电混合的解决方案 ， 借助蓄电池 、 超级电容等 储能元件， 在小负载工况下由柴油机驱动发 电机向储能 元件蓄能， 在大负载工况下再将储存的能量释放出来驱 动电机 ， 作为辅助动力与柴油机一起满足峰值负载功率 的要求 ， 或者用电机直接驱动液压系统 。 实现柴油机输 出功率和扭矩的均衡控制。这样 ， 就可以在设计中按照 平均负载功率来选择柴油机 ， 用功率较小的柴油机来驱 动大吨位挖掘机 ， 而且柴油机的运行工况平稳 ． 始终处 于高效运行状态 ， 因此能大幅提高燃油效率。 油电混合动力【7 的优点是 ， 不但能对 内燃 机输出 扭矩进行均衡控制 ，使内燃机工作点始终位于经济工 作区， 而且可 以利用电机控制技术 ， 对每一个液压缸都 采用闭式传动方案 ， 从而取消了多路阀控制 ， 彻底消除 阀内的节流损失 ， 同时可以对 回转动能、 工作装置 的重 力势能等进行回收。小松 、 神钢等公司采用的就是这种 方案。这种方案的最大缺点是 ， 由于能量转换经历了柴 油 机一 发 电 机 一蓄 电池 ～ 电动 机 一 液压 泵 一 液 压 缸 、 液压马达等多个环节 ． 每一个环节都存在能量损失 ， 因 此导致整个转换过程中的能量损失较大 。从而在一定 程度上抵消了采用这种技术所能取得的节能效果。 这种系统的另一个缺点是 ， 由于能量转换环节多 ， 导致系统趋于复杂 ．技术要求也相应提高 ，如电池寿 命 、 电源转换效率 、 重量 、 可靠 性等 ， 都有 待进一步提 高 。此外 ， 油电混合动力技术使挖掘机动力系统从结构 上发生 了根本变化 ， 对整个挖掘机制造体系影响巨大 ， 从而造成生产成本的上升。这些缺点无疑严重制约了 油电混合动力技术在工程机械上的应用。 因为油电混合动力系统的缺点 ，一些公司将研发 方向转向液压解决方案 ，如美 国环境署支持研究的液 压混合动力装置。在这种方案中， 利用蓄能器作为储能 元件 ， 采用静压传动技术 ， 用来驱动以行走 、 回转等动 作为主的行走设备 ， 如汽车、 装载机 、 推土机等。 目前 。国内在液压挖掘机功率匹配节能控制方 面 的研究 比较多 ，但大多数都集中在传统的匹配控制方 案 ，也有为数不多的单位在研究混合动力在工程机械 方面的应用 。主要研究 内容 限于油电混合动力技术方 面。另外也有不少单位在研究液压混合动力技术 ， 但仅 限于在汽车领域的应用 。 这里提出两种挖掘机液压混合动力系统方案 ， 可 以很好地解决传统挖掘机功率 匹配不完善的问题 ， 同 时又能改善油电混合动力系统转换过程 中能量损失大 的问题 。 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．9 ． 2 0 1 2 2 ． 1 基于回转装置能量回收液压混合动力系统 该系统 见图 1 基于改造方案 ， 利用液压泵／ 马达 可回收能量 的特点 ，将 回转装置改造构成液压混合动 力系统配置到挖掘机中 ，发动机驱动变量泵为其他执 行机构提供油源 ，液压泵／ 马达通过变量泵以并联方式 配置在发动机一侧 ，通过回转液压泵／ 马达和减速机来 驱动回转装置 。液压蓄能器置于液压泵／ 马达与 回转液 压泵／ 马达之间，吸收发动机多余功率和回转装置的惯 性能． 同时通过减压阀为液压泵／ 马达的变量机构 变量 油缸 和控制阀 提供稳定 的控制油源。回转驱动时 ， 并 联在发动机一侧的液压泵马达工作于泵工况 ，为回转 装置提供稳定 的动力油源 ，通过控制回转驱动液压泵／ 马达 的排量来适应驾驶员对回转速度的要求及负载 的 变化 ； 回转制动时， 换 向阀 1 关闭 ， 换向阀 2开通 ， 驱 动 液压泵／ 马达工作于泵工况 ，在安全制动回转装置的同 时 。 将 回转惯性能转换为液压能存储于液压蓄能器 中； 非回转工况时，并联在发动机一侧的液压泵／ 马达根据 整机的负载情况 。吸收和补偿发动机 的输出功率与负 荷功率的差值 ， 达到负荷平均化 的目的 ， 保证发动机工 作于最佳燃油工作点或工作 区。 图 1 液压 混 合 动 力 挖 掘 机 回 转 装 置原 理 图 2 ． 2 基于 CP R网络混合动力系统 这里提 出一种基 于 C P R网络混合动力挖掘机 系 统 ， 如图 2所示。C P R C o m mo n P r e s s u r e R a i l 是指压 力共轨系统 ，压力共轨系统是指将液压系统分为两个 管路 ， 一个高压管路和一个低压管路 ， 在高压管路上连 接上液压蓄能器 ，由恒压变量泵供油并调节设定压力 值 ， 系统中各个负载并连到压力共轨系统上 ． 具有相同 的压力 ，负载工作时相互影 响较小 。由于有液压蓄能 器 ， 液压泵输出的流量 与各负载之间没有直接关 系。 并 能够削弱压力峰值 ，各负载回馈的能量可进到液压共 轨系统的高压管路 ，并在需要时供给其他负载或存储 在液压蓄能器 中。这样可以按一个工作循环设置系统 的平均功率 ， 减小液压系统的装机功率 ， 与流量耦联液 压 系统相比， C P R网络是压力耦联系统 ， 更适用于多负 载的工程机械 。可以用来解决现有挖掘机燃油消耗高、 系统效率低的问题。 1 一 恒压变量泵2 一 安全阀3 一 高压蓄能器4 一 液压泵／ 马达控 制组件 5 一 左行走液压泵， 马达6 一 左行走液压泵／ 马达 7 一回转机构液压泵／ 马达8 一 液压变压器9 -回转接头 1 0 一 油箱 图 2 基于 CP R网络二次调节静液传动 混合动力挖掘机 系统原理图 该 系统可以实现发动机液压泵负载之间 的合理匹配， 利用容积调速代替现有的容积节流调速系 统 ． 理论上实现功率无耗损作业 ， 同时可回收制动动能 和势能， 解决现有混合动力系统传动效率 、 能量 回收率 和再利用率偏低的问题。制动时， 液压泵／ 马达工作于液 压泵工况 ， 回收挖掘机的制动动能 ， 并存储于高压液压 蓄能器中。 动臂缸下降的工况． 通过液压变压器⋯ 4 】 改变 压力 ， 将液压能存储于高压蓄能器中。 在车辆的起动 、 回 转 、 动臂缸上升过程中 ， 回收 的液压能为挖掘机提供辅 助动力。 液压泵的主动冲压功能能调节发动机的运行工 况 ， 使其工作于最佳经济区 ， 同时弥补了液压蓄能器能 量密度低的缺点。 简化 了液压系统 ， 其结构紧凑重量轻、 制造成本低 ， 系统不易被污染。该系统适用于挖掘机等 多液压执行元件并具有周期性工作特征的工程机械． 不 但适合于对现有挖掘机进行加装改造， 更适合对新挖掘 机液压系统的匹配设计 ， 不但明显提高挖掘机的燃油经 济性 ， 减少尾气的排放 ， 而且提高整机的动力性能 ． 延长 了发动机和系统工作元件的使用寿命。 3 结束语 基于回转装置能量 回收的液压混合动力挖掘机系 统可以平均发动机功率 ， 回收回转制动动能 ， 具有改造 简单、 操作方便 、 节能环保等特点 。基于 C P R网络混合 动力挖掘机系统 ，能够使发动机始终工作在高效区或 怠速区 ， 从而提高了发动机的燃油经济性 ， 达到低排放 和低油耗的 目标 ， 在工作机构部分包括行走装置 、 回转 机构及动臂、 斗杆 、 铲斗油缸都安装或改装可回收能量 的液压元件 ，保证了系统在工作过程中使系统工作在 能量利用最优状态 。 7 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 O 1 2年 第 9期 压路机典型液压驱动系统的研究 荆宝德 ， 林栋冰 ， 徐 晨 1 ， 杨晓健 1 ． 浙江师范大学 工学院， 浙江 金华3 2 1 0 0 4 2 ． 徐工集团工程机械股份有限公司 科技分公司 ， 江苏 徐州2 2 1 0 0 4 摘要 该文首先介绍 了液压传动的技术优势 ， 然后结合 目前压路机的结构特点 ，介绍 了三轮行走和串联行走两种结构型式压 路机 的 几种不 同方式的液压驱动系统 ， 最后还对液压系统的几种辅件进行了论述 。 通过对压路机典型系统的研究 ，得 出了一些重要结论 。 对从 事压路机液压系统设计人员及大专院校 师生有一定的参考 价值 关键词 压路机 ； 液压 驱动 系统 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 ～ 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 0 0 7 8 0 3 Re s e a r c h o n Ty p i c a l Ro a d Ro l l e r Hy d r a u l i c Dr i v i n g S y s t e m J I NG Bo o - d e 1 , L I N Do n g - b i n g ， XU C h e n ， Y ANG m 1 ． Z h e j i a n g N o r ma l U n i v e r s i t y ， J i n h u a 3 2 1 0 0 4 ， C h i n a ； 2 ． Xu g o n g Gr o u p E n g i n e e r i n g Ma c h i n e r y C o ． ，L T D． ，T e c h n o l o g y B r a n c h ， Xu z h o u 2 2 1 0 0 4， C h i n a Ab s t r a c t T e c h n i c a l a d v a n t a g e s o f h y d r a u l i c d ri v i n g a r e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ． C o mb i n e d wi t h c h a r a c t e ris t i c s o f s t r u c t u r e o f c u r r e n t r o a d rol l e r s ， we p r e s e n t s e v e r a l d i ff e r e n t h y d r a u l i c - d ri v e n s y s t e ms o f r o a d rol l e r s w h i c h h a v e t wo s t r u c t u r e t y p e s o f t h r e e- wh e e l mo v e me n t a n d s e ri a l mo v e me n t ． F i n all y ， a f e w a u x i l i a r i e s o f h y d r a u l i c s y s t e ms a r e d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s r o a d r o l l e r ； h y d r a u l i c s y s t e m O 引言 随着液压技术的不断发展和液压元件可靠性的不 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 8 作者简 介 荆宝德 1 9 6 2 一 ， 男 ， 辽 宁人 ， 副教授 ， 博 士， 研究方向为流体传 动与控 制。 一 - 断提高，压路机的传动系统已愈来愈多的采用液压传 动技术。在上世纪 7 0年代仅有一些大吨位的振动压路 机上采用了全液压传动 ，但到上世纪 8 0年代中期 以 后 ，许 多的中小型振动压路机 以及静碾压路机都开始 采用了全液压传动技术。 压路机的液压传动系统与其他的液压传动 系统一 参考文献 『 1 】 黄宗益， 李兴 华， 陈明． 液压挖 掘机节能措 施【 J 】 ． 建 筑机械 化， 2 0 0 4 ， 8 ． 【 2 ] 高峰， 冯培恩， 潘双夏， 高宇． 液压挖掘机节能控制[ J 】 ． 工程机 械 与维修，2 0 0 1 ， 1 2 ． 【 3 】 宋世鹏， 朱新 云， 赵磊． 液压挖掘机功率损失 分析及节能控 制 技术研究【 J 】 ． 机床与液压， 2 0 0 5 ， 1 1 ． [ 4 1 赵波， 刘杰， 戴丽， 邓子龙． 挖掘机液压系统 的节能技术分析[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 7 ， 4 ． [ 5 】 路甬祥． 流体传动与控制技术的历史进展与展望[ J ] ． 机械工程 学报． 2 0 0 1 ， 1 o 】 ． 【 6 】 沈黎． 混合动力挖掘机[ J 】 ． 交通世界， 2 0 0 9 ， 1 5 ． 【 7 】 E n d o H． ， I t o M． ， O z e k i T ． D e v e l o p m e n t o f T o y o t a ’ S t r a n s a x l e f o r m i n i - v a n h y b ri d v e h i c l e s [ J ] ．J S A E R e v i e w ， 2 0 0 3 ， 2 4 1 0 9 - 1 1 6 ． 78 【 8 】 C h a u K ． T ，Wo n g Y ．S ．O v e r v i e w o f P o w e r M a n a g e me n t i n H y b ri d E l e c t r i c V e h i c l e s 【 J 】 ．E n e r g y C o n v e rsi o n a n d Ma n a g e m e n t ，2 0 0 2 ， 4 3 ． 【 9 1 姜继海． 二次调节静液传 动系统及其控制技 术的研究[ D 】 ． 哈 尔滨 哈尔滨工业大学， 1 9 9 8 ． [ 1 0 】 路 甬祥， 俞 浙青， 吴 根茂． 功率 回收型液压抽 油机的设计原 理 [ J 】 ． 石油机械． 1 9 9 5 ， 2 ． 【 1 】 】 欧 阳小平， 徐兵， 杨华勇， 等． 液压变压器在液压 电梯 系统 中的 节能应用[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 3 ， 1 9 ． f 1 2 】 姜继海， 刘宇辉． 二次调节静液传动技术在矿井提升机 中的应 用『 J 1 ． 机床与液压， 1 9 9 9 ， 4 ． [ 1 3 】 欧阳小平． 液压变压器研究[ D ] ． 杭 州 浙江大学， 2 0 0 5 ． 【 1 4 ] 杨文华． 液控原理【 M] - | t 京 学术书刊出版社， 1 9 9 0 ． 【 1 5 】 贾文华 ， 等． 挖掘机正流量泵控液压系统 的特 性分析l J 】 ． 南京 工业大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 6 ．