液压挖掘机动臂势能回收技术现状及展望*

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(1.贵州电子信息职业技术学院，贵州凯里556000；2贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)

0 引言

液压挖掘机在采矿、清理河道、基础设施建设等方面有着非常广泛的应用，但是其存在能耗高，能量利用率低的问题。挖掘机工作装置(动臂、斗杆、铲斗)在下落的过程中其重力势能都消耗在控制阀上，转化为热能。对其进行重力势能回收再利用研究，对于节能减排、保护环境具有重要意义[1-4]。

随着节能技术的发展，液压挖掘机动臂势能回收技术有了一定的进展，国内外学者也提出了很多势能回收方案，这些方案各有特点，回收的效率也不同，回路的结构和控制复杂程度不同也就导致了成本的不同。为了让势能回收技术更好的应用于实际产品，本文总结了近年来国内外动臂势能回收技术的发展现状，分析了各种不同回收方法的特点，最后对势能回收技术进行展望，为以后的研究和应用提供参考。

1 典型工况可回收势能分析

图1 工作装置典型工况起始位置

为得到挖掘工作装置总的可回收势能，以某应急救援排障工程车的挖掘工作装置为对象，在典型的挖掘装载作业中对其势能回收原理进行分析。以某型号工程车为例工作装置在卸载位置时动臂油缸的长度为1.488 m，工作装置在最低的挖掘位置时动臂油缸的长度为1.906 m，动臂油缸伸长0.418 m[5]。

将建好的挖掘工作装置三维模型导入到Adams软件中，在Adams软件中添加运动副和驱动函数进行仿真分析。

从图2可以看出动臂下落过程先加速到一定值后减速到零，比较符合真实的挖掘作业过程，能更好地反应挖掘机动臂油缸的受力状况。

图2 加速减速运动时速度曲线 图3 动臂油缸的受力曲线

从图3可以看出动臂在下落的过程中，动臂油缸的受力变化不大，最大最小力出现在加速减速的运动过程，最大值为58020.19 N，最小值为40043.71 N有利于势能的回收。

由功的计算公式得：

1)匀速下落

式中：F(t)为图2中动臂油缸的受力；V为动臂油缸速度；t为时间。

2)加速减速下落

式中：a为动臂运动的加速度。

图4 动臂油缸可回收能量

由以上公式可以得到可回收的能量(图4)。

在匀速下落的过程中最大可回收的能量为23.88 kJ，在加速减速下落过程中最大可回收的能量为23.96 kJ，可以看出无论动臂油缸的运动过程如何，总的可回收的能量是相同的。上面计算的为普通5 t挖掘机一个工作循环中动臂可回收的能量，对于中大型液压挖掘机回收的能量会更多，每一个工作循环可能有几百千焦。

从以上分析可以看出动臂势能回收的能量是很可观的，应该重视动臂势能回收技术的研究与应用。

2 势能回收系统的种类

势能回收技术已经经过了很长时间的发展，许多势能回收技术被用于不同的场合，如：电梯重力势能的回收，升降机重力势能的回收等。最早应用势能回收技术的时间可以追溯到西德柏林技术大学把公共汽车制动能通过液力制动装置将制动能存储在蓄能器中，作为下一个加速过程的能量[6]。但是其他场合的势能回收技术并不适用于挖掘机的势能回收，所以有必要针对挖掘机动臂势能回收技术进行研究。

根据能量存储的方式可以分为：机械式能量回收系统，液压式能量回收系统，电气式能量回收系统。机械式能量回收系统主要为飞轮储能，由于飞轮安装尺寸，时效性等问题，这种方式并不适合挖掘机动臂势能的回收，在此不做讨论。

3 液压式能量回收系统的特点及其发展

3.1 液压式能量回收系统的特点

液压式能量回收系统与电气式能量回收系统相比其优点是：能量转换环节少，效率高。而电气式能量回收系统中能量转换存在液压泵、电动/发电机、储能原件等多个环节，变频整流环节的效率为90%，储能原件的效率仅为78%～97%[7]。

液压式能量回收系统最常用的储能原件是蓄能器，蓄能器是一种能把液压能储存在耐压容器里，待需要时又将其释放出来的能量储存装置[8]。蓄能器可以实现液压油的快速充放，并且可以吸收液压冲击，消除脉动、噪声，所以蓄能器被广泛应用于各种不同的液压系统。优点是：功率密度高，使用寿命长。蓄能器在同质量情况下，比超级电容、蓄电池、飞轮等元件储存的能量高。

图5 新型常压蓄能器

图6 液压式能量回收系统原理图

蓄能器的缺点是安装空间较大，所以蓄能器更适合于中小型的液压挖掘机系统。随着蓄能器技术的发展，新的蓄能器被研究出来，文献[8]提出了一种恒压能量密度高的新型蓄能器如图5，这种新型的蓄能器可以保持压力的稳定，但是结构比普通蓄能器复杂。

图6所示为液压式能量回收系统的工作原理，蓄能器作为储能装置，通过换向阀，将油缸中的高压液压油储存在蓄能器中，储存的能量用于其他的回路。

3.2 液压式能量回收系统的发展

1)基于液压变压器势能回收系统

图7 基于液压变压器的势能回收系统原理图

当挖掘机动臂下降时，在重力的作用下动臂无杆腔的液压油通过液压变压器后压力升高，液压能储存在蓄能器中，然后直接将蓄能器的高压油用于驱动动臂的提升，工作原理如图7所示。

动臂的下落速度通过调节变量泵/马达的排量来实现，与阀控制系统相比减少了节流损失，具有节能的特点。当动臂提升时，首先由蓄能器提供液压油来克服负载力提升动臂油缸，当蓄能器的压力下降到不能克服负载力时，主泵会提供额外的压力来提升动臂缸负载。

图8 基于液压变压器势能回收系统Ⅰ

图8为2010年张树忠等人提出的一种基于液压变压器原理的能量回收系统，动臂下降时不仅实现了势能回收，还实现了流量再生，降低了主泵的供油量，使节能效果得到进一步提升。通过仿真分析，这种势能回收回路回收利用的能量占总可回收能量的54%左右[10]。

图9为2017年齐秀丽等提出的基于液压变压器原理的势能回收系统，此系统主要利用多路阀进行控制[11]。文献[12]也提出了相似的势能回收系统。

图9 基于液压变压器势能回收系统Ⅱ

2)蓄能器为主泵进油口辅助供油

液压马达的理论输入功率为ΔP×qt，输出功率为2πTtn，考虑到机械效率ηm，根据能量守恒可得泵的扭矩计算公式为：

T=ΔP×V×ηm/(2π)

式中：ΔP为液压泵的进出口压力差，V为排量ΔP=P2-P1，P2、P1分别为液压泵出、进油口压力。

图10 蓄能器为主泵进油口辅助供油

由此可以得当蓄能器为液压泵进油口辅助供油时，可以使ΔP值减小，也就使得泵的输入扭矩减小，消耗的功率减少。蓄能器主泵进油口辅助供油的原理如图10所示。

蓄能器储存液压油缸的液压能，当主泵工作时，与蓄能器相连的阀门打开，先由蓄能器向主泵的进油口供油，当蓄能器的液压油不足时，主泵再从油箱吸油。这种方法的节能效果较好，但为了调节油缸的速度在蓄能器充液的过程中会有一定的节流损失。这种回路适用于回收压力不高的系统中，因为许多的油泵不能承受过高的进油口压力。

2015年夏连鹏提出了一种基于这种原理的动臂势能节能回路，该回路的结构如图11所示[13]。

图11 基于蓄能器势能回收原理图

美国卡特彼勒Lars Bruun提出了一种基于该原理的液压式能量回收系统[14]，并将其成功应用于一台50吨级液压挖掘机上，其系统原理如图12所示。当挖掘机动臂下降时，液压油经过控制阀、液压马达/泵和一油缸为蓄能器充能，将动臂势能转化为液压能，当动臂上升时，蓄能器释放高压油辅助液压马达/泵向动臂油缸供油，减少了发动机的部分负荷，减少了能量消耗。据报道，与传统液压挖掘机相比，该系统动臂上升过程的平均油耗降低了37%，被认为是近十年来最成功的动臂节能系统之一[15]。

图12 卡特彼勒动臂势能回收系统

图13 利勃海尔动臂势能回收系统原图

利勃海尔公司提出了一种闭式势能回收回路如图13所示[16]，该回路是一种泵控系统，控制更加简便且没有节流和溢流损失，该回路不仅实现了势能的回收，还实现了流量的再生。通过对样机的试验表明，该系统可以使发动机的装机容量减少25%，动臂的运动速度可以提高80%。

3)蓄能器-液压马达为主泵提供辅助动力

平行轴液压混合动力挖掘机原理图如图14所示，当动臂下降时，动臂油缸无杆腔液压油部分流向动臂有杆腔，部分储存在蓄能器中，在动臂提升时，蓄能器能量通过液压马达为主泵提供辅助动力[17]。

图14 蓄能器-液压马达为主泵提供辅助动力

图15 蓄能器-液压马达为主泵提供辅助动力原理图

当动臂下降时，液压油一部分通过液压马达为液压泵提供额外的辅助动力，另一部分通过储存在蓄能器中，动臂势能同时被转化为机械能和液压能。当动臂提升时储存在蓄能器中的压力油通过液压马达为液压泵提供辅助动力，起到节能的效果。

4)基于平衡油缸势能回收系统

图16 基于平衡油缸势能回收原理图

图16为基于平衡油缸的势能回收系统原理图，动臂工作时，动臂的重力势能与蓄能器的液压能相互转化，起到节能效果。

2013年，陈欠根等提出了一种基于平衡油缸的势能回收系统[18]，该系统的原理为：动臂下降时，主泵的液压油一路进入主液压缸5的有杆腔，一路进入辅助油缸6、7的有缸腔，主液压缸5的无杆腔液压油与油箱相连，辅助油缸6、7的无杆腔液压油连接蓄能器8，动臂上升时主泵液压油进入主液压缸5的无杆腔，其无杆腔液压油流回油箱，蓄能器中的液压油流入辅助油缸6、7，用于平衡动臂的重力，起到节能效果。

图17 基于平衡油缸势能回收系统Ⅰ

2017年任好玲等也提出一种基于平衡油缸的势能回收系统，提出了一种基于该原理的动臂势能回收系统如图18所示[19]。

图18 基于平衡油缸势能回收系统Ⅱ

该系统的液压驱动单元以3个比例节流阀和1个比例溢流阀代替原有的多路阀，并且在平衡油缸和蓄能器之间引入了平衡单元，有利于动臂的运动控制。在动臂运动的过程中平衡油缸8不需要主泵供油。在动臂的一个工作周期内，有平衡系统的能量消耗比无平衡系统时降低29.0%，具有较好的能量回收效率[19]。

4 电气式能量回收系统的特点及其发展

图19 能量回收流程图

能量回收流程图如图19所示。

日立建机是世界上第一个采用电气式能量回收系统对挖掘机动臂势能进行回收的企业[20]，系统原理图如图20所示。

图20 日立建机电气式能量回收系统

该系统既可以回收动臂的重力势能也可以回收挖掘机回转制动能。动臂、斗杆和铲斗油缸的液压油通过液压马达和发电机将重力势能转化为电能，回转机构通过电动/发电机转化为电能。

2006年神钢工程机械，新能源工业技术开发组织和神户钢铁推出了6吨级原型系列混合动力挖掘机，通过实验验证该挖掘机燃油消耗量可以减少40%以上[21]。执行系统由六个独立的执行器构成，由电动机和液压泵来驱动，动臂下落时，动臂的重力势能转化为电能。

图21 电气式势能回收系统Ⅰ

2011年林添良等提出一种基于液压马达、发电机、电容器、电动机的势能回收回路[22-23]，回路中有节流阀调速回路，使得动臂的可操控性好，动臂下落时，动臂的液压能通过液压马达和发电机转化为电能储存在电容中，在下一个工作过程中，储存在电容器里的电能通过电动机转化为液压泵的扭矩，使得液压泵在启动时减少从发动机获得的功率，达到动臂势能回收的目的。通过仿真分析，这种回路回收的能量占总可回收能量的35%左右。

图22为KYB提出的一种电液势能回收系统[24-25]，该系统的优势是动臂的重力势能一部分通过液压马达直接驱动液压泵，另一部分通过势能回收系统被回收。实验结果表明，该系统可以节能约为10%～30%。

图22 电气式势能回收系统Ⅱ

2012年周宏兵等提出一种复合式势能回收系统[26]，动臂下降时重力势能一部分转化为蓄能器的液压能，一部分通过液压马达和发电机转化为电能。在动臂提升时，蓄能器中的液压能为主泵组进油口提供辅助压力，电容中的电能通过电机为主泵提供扭矩。两种方式优势互补，提高了系统的动态响应，以及能量回收效率。

图23 复合式势能回收系统

2015张路豪等提出了一种势能回收系统[27]，以蓄电池为储能原件，该系统的优点是，在动臂控制多路阀和液压马达之间增加了一个控制阀，这可以提高动臂的操纵性能。

图24 电气式势能回收系统Ⅲ

与普通的节流阀控制系统相比，电气式势能回收系统会导致动臂的运动性能不理想，基于这种考虑，文献[17-18]提出用节流阀和电气式势能回收系统联合控制系统来提高动臂运动的平稳性，控制原理图如图25。

应用压力补偿的原则，发电机的电磁扭矩与载荷相适应。通过调节节流阀的开口改变动臂油缸运动速度，提高了动臂运动操控性，并且动臂的重力势能通过发电机得到部分的回收与利用。

图25 控制原理图

5 动臂势能回收系统的发展趋势

通过以上分析知，动臂势能回收技术是未来挖掘机液压系统的发展趋势。但是现有的动臂势能回收系统还存在一些不足，未来的发展趋势就是克服现有技术的不足，使动臂势能回收系统更好地应用于实际产品。

1)势能回收系统操控性问题

与普通的挖掘机系统相比，势能回收系统中的操控性有待提高，传统的挖掘机系统是通过节流阀、溢流阀等控制阀来调节动臂运动的速度，结合远程先导阀使驾驶员的操纵简单，不易疲劳。但是在势能回收回路中，动臂的下落过程中会受到来自势能回收元件如蓄能器、液压马达和发电机的阻力，并且这种阻力是不断变化的，如何使动臂的运动得到想要的结果是目前需要解决的问题。目前的研究都是关于势能回收回路的研究，只是实现了动臂势能回收的功能，但是有的回路结构复杂，操控性能低，不利于在实际的产品中进行应用和推广。未来的势能回收系统最好是和传统的挖掘机操控性相近。

2)势能回收效率问题

在实现势能回收功能的基础上尽量提高势能回收的效率，动臂在下落的过程中总的可回收的能量是不变的，这在第一节中通过仿真进行了说明。提高势能的回收效率，就可以节省更多的能源，是未来努力的方向，为提高效率首先应该减少能量转换的环节，转换的环节多也就意味着能量转换的效率就会降低，其次应该减少回路中不必要的节流和溢流损失。

液压挖掘机所有的执行元件都是靠液压进行传动的，所以液压式势能回收回路更加适合，也更容易集成在传统的液压回路中，混合动力挖掘机则可以选择电气式势能回收系统。动臂下落的时间通常只有3 s～4 s的时间，因为蓄电池在充电的过程中要经过化学反应，所以在短时间内完成能量的储存需要很大的挑战，相比之下，超级电容更加适合作为储能元件，但是电容的寿命问题也是挑战之一。

综上所述，如何提高势能回收的效率和可靠性，使其在经济上比增加势能回收系统的成本更有优势是一种挑战，这也利于该技术的应用与推广。

3)势能回收系统集成问题

势能回收系统的集成度低，现有的势能回收系统是简单元器件的组成，没有开发专用的器件如：液压泵、发电机和控制器一体的器件等，系统的集成度低，在液压挖掘机上要有足够的安装空间。蓄能器是势能回收系统中经常使用的元件，但是其能量密度低，不适合大量能量的储存。在选择蓄能器时还要考虑过载的情况，这就使得蓄能器的体积更大，需要更大的安装空间。

6 结论

为降低挖掘机等工程机械的能耗，国内外展开了对挖掘机动臂势能回收技术的研究，并取得了一定的研究成果，国外对该技术的研究较早，国内虽起步晚但最近几年的研究较多，提出了不同的势能回收方法，但是研究还不成熟，尤其是控制技术和相应元器件的发展。本文总结了目前势能回收技术的类型和各自的特点，并进行了分类总结，展望了该技术未来发展的趋势和亟需解决的问题，为以后该技术的研究与应用提供了参考。