工程机械液压系统节能技术综述与发展

王 欣,刘晓永,王盼盼(.大连理工大学 机械工程学院,辽宁 大连 604;.大连益网科技有限公司,辽宁 大连 603)

工程机械液压系统节能技术综述与发展

王 欣1,刘晓永1,王盼盼2
(1.大连理工大学 机械工程学院,辽宁 大连 116024;2.大连益网科技有限公司,辽宁 大连 116023)

分析了液压系统的能耗问题,从降低系统能量损耗和可回收能量的回收再利用两个角度出发,介绍了几种提高液压系统能量利用率的节能措施.指出工程机械液压系统节能技术目前存在的难点和问题,以及未来的发展趋势.

液压系统; 能耗分析; 节能措施; 能量回收

在能源日益紧缺的今天,节能减排已经渗透到各行各业.工程机械作为高能耗机械设备,节能减排显得尤为重要.液压传动凭借其功率密度大、调速范围宽等优势,在工程机械等工业设备中得到广泛应用.但同时液压系统在工作时会伴随一定的能量损失,而这些损失的能量将以热能的形式散发出去,使系统温度升高,由此加速工作液老化,诱发各种故障,降低液压元件的使用寿命和系统工作的可靠性.纵观液压系统的发展历程,从定量系统到变量系统,从阀控系统到泵控系统,再到阀控和泵控相结合的负载传感控制系统等新型液压系统,液压系统不仅在负载速度控制和载荷传递方面有了改善,在能量利用效率方面也有了提高.在工程机械领域,随着液压技术的不断发展,基于能量回收再利用的液压系统混合动力技术等新型液压系统节能技术不断涌现,使得工程机械节能减排取得了良好的效果.

1 液压系统的能耗分析

一个完整的液压系统包含5大基本组成部分[1]:① 液压动力元件;② 液压执行元件;③ 液压控制元件;④ 液压辅助元件;⑤ 工作介质.其工作原理是液压动力元件将动力源所输出的机械能转变为液压能,再由液压执行元件转变为机械能,实现能量的传递.在能量转换过程中,每一个环节都存在有能量损失的可能.整个液压系统的节能水平可用系统的能量利用率η来衡量,其计算公式如下:

(1)

式中:E0为发动机向液压系统输入的总能量;E1为液压系统所做有用功;E2为液压系统能量传输过程中的能量损耗.

从式(1)可知,降低液压系统能量传输过程中的能量损耗,即可提高液压系统的能量利用率η.同时,对液压系统中可回收能量进行回收再利用,实现在动力源的相同能量输入下克服更多负载做功,这也可提高液压系统的能量利用率,实现液压系统节能.

2 液压系统减耗技术

液压系统在实现能量传递做功的过程中,伴随着一定的能量损耗.这些能量损耗包括油液流经液压元件时产生的流量、压力损失,因液压系统功率不匹配而造成的系统多余流量和压力的损失等.液压系统的能量损耗直接影响着液压传动的效率,因此,诸多学者和企业开展了液压系统节能技术方面的研究,并进行推广应用.

2.1节能液压元件的使用

液压元件的能量损耗表现在液压元件工作时,油液泄漏、内摩擦等导致的流量和压力损失,其中以作为能量转换元件的液压泵、液压马达和液压缸的能量损失最大,其次是各种阀和管道等液压元件的能量损失.

对于液压泵和液压马达而言,从齿轮式结构到叶片式结构,再到柱塞式结构,从定量方式发展到变量方式,在满足负载速度变化要求的同时,容积效率和机械效率也在不断提高.不同结构液压泵的效率如表1所示.

表1 不同结构液压泵的效率Tab.1 Efficiency of hydraulic pump with different structure

近年来,液压泵的发展趋势主要有两方面:① 通过对柱塞泵中斜盘、柱塞和缸体等元件的不断优化设计,研发出更高能量转换效率的柱塞泵.如德国亚琛工业大学[2]在斜盘、柱塞、缸体等接触面上进行结构优化和涂覆特殊材料,降低了摩擦造成的能量损失.美国研究者[3]提出了波浪形柱塞结构,降低柱塞形状对柱塞泵能量损失的影响,仿真表明:该结构柱塞可以将液压泵总能量损失降低68%.② 液压泵变量控制的多样化和控制方式的智能化.如日本川崎重工的K3V140变频液压泵、美国派克PV028R1K1比例柱塞泵、德国力士乐A10VO负载敏感式柱塞泵等,均具备多种控制功能的组合.另外,在控制方式上,除了采用微电子、计算机控制技术外,BP神经网络控制已成为液压泵智能控制的一个新分支.该控制方法能模拟人的部分特性,具有学习能力和自适应性,可以解决复杂的非线性、不确定性系统的控制,其在液压系统节能控制上的应用将不断普及[4-6].

对于液压阀而言,其是通过调节阀口开闭、大小来满足系统或回路对压力和流量要求的,但这势必会造成能量损耗.以流量控制阀为例,从节流阀到调速阀,再到电液比例流量阀,节流损失依次有所降低,但始终无法避免.基于此,人们提出了容积调速的思想,即系统流量控制由阀控向泵控转变,避免了节流阀能量损失,从而提高了系统效率[7-8].采用变量泵-定量马达的容积调速回路如图1所示.

图1 变量泵-定量马达调速回路Fig.1 Speed control circuit of variablepump-quantitative motor

再以多路阀为例,多路阀作为工程机械液压系统的核心控制元件,满足着工程机械对多个执行机构运动控制的要求.但传统整体式多路阀存在因内部流道复杂,而导致流阻大的缺点.所以在未来的发展中,多路阀可能会朝着非铸造法形成阀内流道方向发展,如德国Linde公司尝试在数片金属薄板上进行激光切割,再将薄板组合在一起形成流道形状,该方法有效降低了流阻,减少了能量损失[9].

2.2液压系统的功率匹配技术

液压系统功率匹配技术,即实现液压系统输出功率与负载特性曲线相适应,减少液压系统中多余的流量或压力造成的能量损失,以此提高液压系统的能量利用率[10].虽然并不存在完全理想化的功率匹配系统,但通过采取相应技术可以获得尽可能接近功率匹配的液压系统.

2.2.1正流量和负流量控制技术

20世纪70—80年代,为解决恒功率控制系统采用双泵供油而导致液压系统体积和重量很大的问题,出现了以正流量和负流量控制系统为代表的单泵多回路液压控制系统[11].

正流量和负流量控制系统的不同点在于控制压力信号的采集点不同,前者是主控阀阀芯先导控制压力,后者是回油节流阀前端压力信号.但无论正流量,还是负流量控制系统都是通过采集控制压力信号,通过变量泵的变量机构来调节液压泵排量,以达到液压泵输出流量与负载所需流量相匹配的目的,从而实现系统节能.正流量和负流量控制系统液压原理图如图2所示.

图2 正流量和负流量控制系统原理图Fig.2 Positive flow and negative flowcontrol system schematic

在技术应用方面,正流量控制系统在国外比较典型的产品是日立建机的EX400液压挖掘机,国内比较典型的产品是四川长江挖掘机厂的WY403型全液压挖掘机和三一重工的SY系列液压挖掘机等[12].负流量控制系统在国外主要应用于日本小松的PC-5及之前系列的挖掘机,在国内则是贵州詹阳机械工业有限公司的JY320型液压挖掘机.虽目前正流量和负流量控制系统在液压挖掘机等工程机械上有着较为广泛的应用,但因无法做到流量分配与负载压力无关,而呈现出有被负载传感控制系统(如LUDV负载传感控制系统)所取代的趋势.

2.2.2负载传感控制系统

负载传感控制系统源于20世纪80年代的欧洲,该系统的提出解决了多路换向阀的微调性能和复合操作性能不足的问题[13].负载传感控制系统能自动将负载所需压力和流量,以电液信号的形式反馈到敏感控制阀或泵变量控制机构,从而控制泵的排量,使其几乎仅向回路提供负载所需要的流量,做到负载压力与系统流量自适应.负载传感控制系统能够有效地减少液压系统因压力和流量变化而造成的溢流损失,提高系统的能量利用率,实现液压系统节能[14-15].

目前,世界范围内各个厂家研发的负载传感液压控制系统已有许多,且各有特点.例如德国博世力士乐研发的LS负载传感系统和LUDV负载传感系统,如图3所示,两者都可以实现负载传感的功能,但前者只在最高负载回路起作用.当工作系统要求的流量超过泵的供油能力极限时,最高负载回路上的执行元件因得不到足够的流量,而出现速度迅速降低直至停止,从而导致机器失去复合动作的协调能力.为此,德国博世力士乐公司又开发了后者LUDV负载传感系统,在系统中设置了负载传感分流器,以保证在供油不足时所有执行元件的工作速度按比例下降,从而获得与负载压力无关的控制.

图3 负载传感控制系统液压原理图Fig.3 Load sensing control system hydraulicschematic diagram

除了德国博世力士乐的负载传感控制系统,还有德国林德公司的负载传感同步控制系统(LSC系统)和日本小松公司的闭式中心负载传感系统(CLSS系统)等.国内则以引进国外技术为主,如三一重工采用林德公司的LSC系统,湖南山河智能采用博世力士乐的LUDV系统等.从实际使用情况来看,负载传感控制系统实现液压泵输出功率与负载相适应,减少了系统能量损失.随着负载敏感控制技术的日益发展和完善,其在挖掘机等其他工程机械液压设备上将会得到广泛应用.

2.2.3柴油机电喷控制

工程机械液压系统常用柴油机作为动力源,但实际使用中柴油机常因不能保持最佳工作状态,导致输出功率与系统所需功率不匹配,造成较大能量损耗.借鉴汽车行业中已经成熟应用的柴油机电控喷射技术,可以减少工程机械液压系统的能量损失[16].

柴油机电控喷射系统由传感器、控制单元和执行机构3部分组成,通过控制喷油时间来调节负荷的大小[17].采用转速、温度、压力等传感器,将实时检测的参数同步输入计算机,与控制单元中储存的参数值进行比较,经过处理计算,按照最佳值对执行机构进行控制,驱动喷油系统,使柴油机运作状态达到最佳.

工程机械用柴油机若采用电喷控制技术,可以使喷油泵的循环供油量和喷油提前角不再受转速的影响,而一直工作在最佳状态,提高功率利用率.工程机械用柴油机采用电喷控制技术是节能的一个重要环节和发展趋势,目前处于刚刚起步阶段,正在逐步发展和推广.

2.2.4全局功率匹配系统

在工程机械中,液压系统动力传递是一个以发动机—液压泵—负载为主线的驱动系统,实现发动机、液压泵和负载三者之间的全局功率匹配,对于系统的节能有重大的意义.因此,国内外学者对全局功率匹配也正在进行一定的研究.图4为一种典型的全局功率匹配流程图,其利用负载敏感系统中变量泵对负载压力和流量的自适应性,实现变量泵与负载的匹配.然后根据变量泵和负载匹配功率,确定发动机的最佳工作点,利用发动机油门的自动调节,使发动机工作在最佳工作点附近,进而实现全局功率匹配.

图4 全局功率匹配流程图Fig.4 Global power matching flow chart

此外,浙江大学彭天好等[18]针对液压挖掘机提出:先由转速感应控制实现发动机—液压泵的局部功率匹配,再通过调节流量阀的开度,以改变执行器的速度来调节负载吸收的功率,使得负载吸收的功率终接近发动机的输出功率,进而实现全局功率匹配.长安大学张泽宇等[19]则针对旋挖钻机动力头液压系统提出一种全局功率匹配控制策略,通过调速器转速感应控制和分工况控制来调节发动机的油门开度,变量泵的流量则通过变量泵转速感应控制和极限负荷控制共同调节,并且加入了发动机的调速控制、压力切断控制、恒功率控制,以此来实现全局功率匹配控制.

3 能量的回收再利用技术

能量回收再利用技术,是从回收再利用发动机输出的多余能量和运动负载的机械能入手,对能量进行回收再利用[20].该技术不仅降低系统装机功率,同时还可减少负载机械能以负功率的形式输入到液压系统,避免系统升温过高而损坏发动机和液压泵等元件,可谓一举多得.

目前从所回收再利用的能量来源来看,主要有发动机输出的多余动能、负载势能和动能,而发动机输出的多余动能的回收再利用通常与后两者相结合.

3.1发动机多余动能和负载势能的回收再利用

对发动机输出的多余动能的回收再利用,主要应用在负载波动较大,负载所需能量与发动机输出能量频繁不匹配的液压系统中.对负载势能的回收再利用,主要集中在负载为直线负载的液压系统中,如起重机、液压电梯、液压挖掘机动臂等.图5为德国利勃海尔公司的Pactronic能量回收再利用技术示意图[21].

图5 利勃海尔Pactronic能量回收再利用技术示意图Fig.5 Pactronic energy recovery and reusetechnology diagram

由图5可见:在系统工作过程中,当负载所需能量小于发动机输出能量时,发动机带动液压泵旋转,将输出的多余动能转化为液压能储存在蓄能器中;当负载所需能量大于发动机输出能量时,蓄能器释放液压能,与发动机共同驱动负载.同时,利用二次元件既可工作在泵工况,又可工作在马达工况的特性,实现负载下落势能与蓄能器中液压能之间的转化.目前该技术已经运用在利勃海尔HS8300 HD重载循环作业履带起重机和LHM系列港口移动式高架起重机等产品上.官方数据显示：前者可将发动机装机功率由1 250 kW降至725 kW,后者可实现燃料消耗降低30%.

此外,国内外诸多企业和高校也都在开展发动机多余动能和负载势能回收再利用技术的研究工作,并取得了不少成果.企业方面,早在2004年,日本小松公司便研制出了世界上第1台混合动力液压挖掘机的试验机,利用蓄电池储能实现对柴油机输出的多余能量和挖掘机动臂势能的回收再利用.2008年沃尔沃公司推出L220F型混合动力装载机,2014年山河智能研发出SWE350ES混合动力挖掘机等.在高校方面,美国普渡大学Ivantysynova教授团队[22-23]提出一种液压混合动力挖掘机系统,利用系统中的高低压蓄能器完成能量回收再利用,实验研究表明：可节省燃料40%.武汉理工大学唐静[24]以轮胎起重机为应用对象,提出了基于共轴双枢变矩电机混合动力节能方案,实现对负载势能的回收再利用,实验数据表明：节能效率高达30%以上.大连理工大学李枫[25]以动臂塔机为应用对象,提出一种可应用于起重机起升机构的闭式能量再生液压系统,实现对负载势能的回收再利用,仿真数据显示：节能效率达到43.3%.

3.2负载动能的回收再利用

对负载动能的回收再利用,主要集中在负载为转动负载的行走机构和回转机构上,如工程机械领域中挖掘机等在回转制动时的动能.图6为浙江大学管成等[26]设计的液压挖掘机回转制动时动能回收再利用液压系统原理图.

该液压控制系统采用左右对称设计,以正转为例说明其工作原理.当挖掘机处于回转减速制动阶段,此时功率需求较小,转台动能转化为高压油液储存在蓄能器中,实现能量回收;当挖掘机处于回转启动加速阶段时,蓄能器处于能量释放状态,与发动机共同供能来保证回转的顺利进行.如此一来,便实现回转制动时能量的回收再利用,提高了液压系统的能量利用率,实现液压系统节能.

在实际应用方面,国内外诸多工程机械厂家亦进行了很多研究.2008年,日本小松公司率先推出世界首台20 t级PC200-8型混合动力挖掘机,采用电驱动回转技术,以超级电容为储能元件,实现回转制动时动能进行回收再利用,据报道其节能效果可达25%.2009年,三一重工推出SY215C Hybrid混合动力挖掘机,比传统挖掘机节能30%以上.2015年,卡特彼勒推出首款液压混合动力挖掘机Cat336D2-XE,可减少高达25%的燃油消耗.2016年日立建机ZH200-5A混合动力液压挖掘机正式面向中国市场上市,相比与ZX200-5A液压挖掘机实现油耗降低15%,燃油效率提高18%.

图6 具有制动能量回收的回转液压系统原理图Fig.6 Schematic of hydraulic swing system withbraking energy recovery

4 工程机械液压系统节能技术难点与趋势

综上所述,提高液压系统节能水平,可以从降低液压系统能量损耗和可回收能量的回收再利用两个角度入手,包括节能液压元件的使用、液压系统功率匹配技术和能量回收再利用技术.但目前,液压系统节能技术存在的发展难点,主要有以下3个方面.

(1) 在节能液压元件的使用方面,节能效果的提高相对较小,并且发展相对较为缓慢.

(2) 在液压系统的功率匹配方面,目前工程机械采用更多的还是局部功率匹配,如2.2.1～2.2.3节介绍的控制系统,均实现液压泵—负载的局部功率匹配.此外,美国卡特彼勒公司研发出Maestro系统和韩国大宇公司研发的EPOS电子功率优化系统等,也都实现了液压挖掘机上发动机—液压泵的功率匹配.而目前全局功率匹配技术仍不成熟,存在的主要难点在于,实现发动机—液压泵和液压泵—负载两个环节之间功率匹配与协调的原理和方法.

(3) 在能量回收再利用技术方面,则存在两方面关键难点:① 元件方面,主要是泵/马达二次元件和能量储存元件.目前,国内还没有能够生产泵/马达二次元件的厂家,国外虽有德国力士乐的A4VSO-DS1轴向柱塞泵和美国派克的P1系列泵能够满足要求.但这些泵/马达二次元件在低频能量回收再利用系统中尚可正常使用,在港口移动式高架起重机等需要二次元件在泵和马达两种工况之间相对高频切换使用时,其可靠性和寿命将会大大降低.此外,能量回收再利用液压系统中常用的能量储能元件包括蓄能器、电池和电容,仍存在诸多缺点.如蓄能器存在能量密度低导致体积较大,且储放能过程受温度影响等;电池存在功率密度低、寿命短、污染环境、能量转换效率低以及价格昂贵等;超级电容则存在功率密度低、能量转换效率低和续航时间较短等.② 系统控制方面,目前已有能量回收再利用液压系统的控制策略较为单一,导致系统转矩需求在马达和发动机之间的分配比例有待优化,以适应工程机械复杂的结构和工况,最小化燃油消耗,实现合理的能量管理.

因此,未来工程机械液压系统节能技术的发展趋势,主要有以下3个方面.

(1) 在节能液压元件的使用方面,虽然节能效果的提高相对较小且发展相对较为缓慢,但诸如液压泵、液压缸和多路阀等作为液压系统的组成部分,人们仍会不断对其进行改进和优化,以减少能量损耗.

(2) 在液压系统功率匹配技术方面,诸如负载传感控制系统等局部功率匹配技术,在一段时间内应该还是工程机械液压系统功率匹配的主流技术.但仅依靠局部功率匹配,并不能把发动机的输出功率经过液压系统和机械机构完全施加在负载上,仍存在着一定的功率损失.所以未来全局功率匹配技术将会愈加受到人们的重视,随着全局功率匹配技术的不断发展和成熟,将会普及应用于工程机械液压系统中.

(3) 在能量回收再利用技术方面,该技术现已成为世界各大工程机械厂商在节能减排领域竞争最为激烈、发展最为迅速的技术,展示着其巨大的研究价值和广阔的应用前景.未来发展将会着重在以下两方面:① 元件方面,泵/马达二次元件和能量储存元件的性能将不断改善,包括可靠性、负载适应性及能量转换效率等,且有可能研发出新型储能元件.② 系统控制方面,控制策略的优化是改善能量回收再利用液压系统燃油经济性的重要技术手段,目前应用于混合动力汽车的油电混合动力技术控制策略已发展得较为完善,可以借鉴学习,以针对特定工程机械的工况特点,设计出相应的控制策略.比如门限值控制策略,即根据设置的临界工作点的值来判断工程机械所处的工况,从而采取相应的控制方式;还有模糊控制策略和优化控制策略等[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

国家科技支撑计划资助项目(2015BAF07B01)

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