液压挖掘机动臂节能方案分析与新方案设计

杨晓磊，丁海港，李科锋，张振宇，费树辉

液压挖掘机工作过程中，动臂升降动作频繁，又由于工作装置质量大，在下降过程中会释放出大量的势能。该能量绝大部分消耗在主液压阀节流口并转换为热能，造成了能量浪费和系统发热，降低了液压元件的寿命。因此，研究挖掘机动臂势能回收与再利用问题，对延长挖掘机寿命，提高挖掘机液压系统的能量利用率和可靠性具有重要意义。目前，挖掘机动臂势能回收再利用方案主要有3种：电力式、液压式和流量再生式。

1 电力式动臂节能方案分析

电力式动臂节能方案是以蓄电池或超级电容为储能元件，以液压马达-发电机作为能量转换元件，属于油电混合动力方案。其工作原理为，通过液压马达-发电机回收动臂势能并转换为电能，存入蓄电池或超级电容中，以辅助发动机对外做功。日立建机是世界上第一个采用电力式能量回收方案对挖掘机动臂势能进行回收的企业［1，2］。如图1所示，当动臂下放时，其机械臂油缸的无杆腔的液压油驱动液压马达一发电机回收能量，动臂下降的速度靠发电机的速度来调节。为了改善动臂下降的操控性，同时延长能量回收时间，减小元件功率，浙江大学王庆丰教授提出了带蓄能器的电力式动臂势能回收系统［3-5］。如图2所示，在动臂下放过程中，将可回收能量部分转换成电能存储于超级电容，其余的先直接存储于液压蓄能器；当下放作业停止后，再将蓄能器的压力油释放出来继续驱动液压马达-发电机单元，从而实现回收过程的延续。试验结果表明，采用蓄能器-液压马达-发电机结构方案后，液压马达和发电机的装机功率可减小70%以上，并能够取得较好的动臂控制性能［6，7］。

由于电力式能量回收系统存在能量转换多、功率密度低、电池寿命短及成本高等问题，制约了其在挖掘机上的进一步发展和应用。

2 液压式动臂节能方案分析

图1 日立建机电力式动臂节能方案

图2 浙江大学动臂节能方案

液压式动臂节能方案是以变量泵/马达作为能量转换元件，以蓄能器为储能元件，属于油液混合动力系统。其工作原理为，当回收系统重力势能时，通过变量泵/马达回收动臂势能并为液压能，储存于液压蓄能器中，当系统用能时，储存能量释放出来辅助发动机对外做功。

美国卡特彼勒提出了一种新型液压式动臂势能回收方案［8］（见图3），并将其成功应用于1台50t级液压挖掘机上，节能效果明显。该方案的工作原理为，当动臂下降时，液压缸无杆腔回油驱动变量泵/马达后，经过渡油缸为蓄能器进行充油，以实现动臂下降势能的回收。

图3 卡特彼勒动臂节能方案

芬兰坦佩雷大学提出了一种更加直接的动臂节能方案［9］，即基于蓄能器-辅助油缸的平衡驱动方案。如图4所示，该方案是在动臂上增加蓄能器-辅助油缸装置，将蓄能器在动臂下降时回收到的动臂势能在动臂上升时直接充入辅助液压缸以驱动动臂上升，是一种新颖的能量回收再利用方案。中南大学的陈欠根教授研究了该方案的节能特性［10］，仿真结果表明：该方案可有效回收再利用液压挖掘机的动臂势能，系统节能率达到27.2%，节能效果显著。与此类似，太原理工大学权龙教授等提出基于三腔液压缸的工作装置自重液气平衡势能回收利用方案［11］，三腔液压缸中一个油腔与液压蓄能器直接连通，以存储利用工作装置的势能。测试结果表明，增加液气储能容腔后，提高了系统运行的平稳性，动臂运行过程中的能耗降低48.5%，峰值功率降低64.7%，节能效果显著。

图4 平衡驱动动臂节能方案

蓄能器具有功率密度大、吸收系统压力脉动、寿命长及成本低等特点，更加适应挖掘机动臂下降时间短、作业条件恶劣的实际工况，这使得液压式能量回收系统比电力式能量回收系统更适合于挖掘动臂势能的回收与再利用。

3 流量再生式动臂节能方案分析

流量再生是目前大型挖掘机上普遍采用的一种动臂节能方案。如图5所示，当动臂下降时，通过流量再生回路将动臂油缸无杆腔（下腔）的流量返回到有杆腔（上腔），这样液压泵就可以对动臂油缸的上腔不供油或少供油，使液压泵有限的流量更多地分配到其他执行机构，以降低液压系统的能耗，提高工作效率，同时还可以减小压力冲击，加快动臂的速度。权龙教授等设计了超大型正铲矿用液压挖掘机的动臂再生方案，并在270t大型矿用液压挖掘机上进行了试验验证［12］。

图5 流量再生动臂节能方案

流量再生主要是通过减少泵对动臂有杆腔的输出流量来实现节能，虽节省的流量较大，但由于有杆腔压力一般较低（约1～2MPa），所以节省的该部分的能量不大；而动臂下降的势能却大部分消耗在流量再生阀的节流口上，造成了势能的大量浪费和系统发热，所以流量再生方案的节能效果有限。

4 动臂节能新方案设计

为进一步提高液压挖掘机动臂下降势能的能量利用率，本文将平衡驱动方案和流量再生方案结合，提出了平衡驱动-流量再生混合式动臂节能方案。如图6所示，平衡油缸和动臂油缸刚性连接，用于平衡挖掘机工作装置的部分自重，而动臂油缸无杆腔的压力由负载和蓄能器压力决定。具体工作过程如下：主控阀处于左位时，动臂下放，动臂油缸无杆腔油液经流量再生阀进入有杆腔，实现动臂流量再生，同时平衡油缸下行将油液压入蓄能器，以回收动臂下降势能；由于平衡油缸的支撑作用，降低了动臂油缸无杆腔的压力，这样可减少流量再生时消耗在流量再生阀的节流损失。当主控阀处于右位时，动臂上升，蓄能器回收的能量释放出来辅助驱动动臂油缸上升，实现了动臂势能的再利用，而且在平衡油缸的支撑力下，泵的输出压力将大大降低，这样既提高了系统效率，又扩大了斗容。

图6 平衡驱动-流量再生混合式动臂节能方案

平衡驱动-流量再生混合式动臂节能方案，兼具动臂流量再生方案和液压式能量回收方案的特点和优势。为充分发挥该混合式节能方案的优势，今后应重点研究平衡驱动与流量再生的耦合规律；研究该混合驱动方式对动臂的势能回收率、操控性以及工作效率的影响；优化匹配主控阀阀芯的进出口节流面积、流量再生阀的工作参数、蓄能器的工作参数，以提高动臂操控性和能量利用率。

5 结论

液压挖掘机的工作装置升降频繁，且质量巨大，动臂下降时产生巨大的势能，造成能量浪费并危及系统安全。本文综述和分析了目前电力式、液压式和流量再生式3种主要的动臂势能回收再利用方案，并提出了平衡驱动-流量再生混合式动臂节能方案，阐述了其工作原理，指出了该方案的重点研究方向。

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