挖掘机液压混合动力技术特点及应用分析

费树辉，金月峰，王振兴，夏 炎

（徐州徐工挖掘机械有限公司，江苏 徐州 221004）

随着世界范围内工业技术的迅速发展，能源短缺和环境污染问题日趋严重，各国都已将降低能源损耗、保护环境提上日程。节能减排一直是工程机械技术发展的重要课题。液压挖掘机作为工程机械的典型代表，在工作过程中由于动臂、回转马达往复运动，存在动臂下降势能、回转制动能等能量损耗大的问题，如何有效回收再利用损耗能量成为行业研究的热点。本文主要对挖掘机工况和混合动力研究现状进行了分析，并介绍了一种新的混合动力系统结构。

1 挖掘机能量分析

以21t挖掘机为例，在典型试验工况下进行能量分析。

1.1 试验工况

挖掘机作业范围如图1所示，挖掘机吨位型号不同，挖掘范围参数不同。挖掘机作业区域长度为A，宽度为B，深度为H。挖掘机初始放置位置为：挖掘机工作装置与履带平行放置且与作业区域宽度方向B平行；挖掘机履带最前缘至作业区域距离为D。运输车辆可以横放或纵放，其中运输车辆箱体对称中心线一条与挖掘机履带方向平行放置，另一条与挖掘机靠近运输车辆一侧履带外缘的距离为C。

图1 挖掘机作业范围

1.2 能量利用分析

挖掘机在试验条件工况下作业过程中主要由挖掘、运输、卸料、返回4个阶段组成。下面分析1个工作循环下利用和可回收能量的情况。所用能量计算公式为

式中 E——液压系统能量，J；

P——油液压力，Pa；

Q——油液流量，m3/s；

t1——开始工作时间，s；

t2——结束工作时间，s。

通过数据采集和计算，可得出挖掘机液压系统能量利用和可回收能量情况，详见表1。

表1 挖掘机液压系统能量利用情况

据表1的计算结果，在1个装载工作循环中，执行元件利用的总能量为756kJ，执行元件利用能量约占主泵输出能量的80.6%。

1.3 可回收能量分析

目前能量回收基本为动臂势能和回转制动能回收。可回收能量与计算利用能量的方法相同。动臂势能通过动臂下降时油缸无杆腔的压力和流量乘积的积分求出，结果为166kJ，占主泵输出能量的17.7%。回转溢流能量可以通过溢流压力与溢流流量乘积的积分求出，计算3次马达溢流能量为86kJ，占主泵输出能量的9.2%。液压系统可回收能量占主泵输出能量的26.9%。对于动臂可回收能量，如果挖掘深度加深，动臂油缸位移增大，则可回收能量相应增加。本计算中动臂油缸位移约占总行程的50%。

2 挖掘机液压混合动力技术现状

从挖掘机能量分析可知，挖掘机可回收能量主要是动臂势能和回转制动能。下面简要介绍挖掘机液压混合动力技术原理、特点及应用。

2.1 亚琛工大液压混合动力系统

图2为德国亚琛工业大学研发的用于轮式挖掘机的液压混合动力技术原理简图。整个系统将液压泵与液压蓄能器耦合，使发动机输出能量通过液压泵转化为液压能存储于液压蓄能器中；将液压蓄能器与各执行元件（回转、动臂、斗杆）耦合，使蓄能器中液压能转换为各执行元件机械能；同时，发动机选型按照平均功率来匹配，发动机转速可以控制在1200rpm低转速下经济区工作；当蓄能器需要补充能量时启动液压泵，不需要补充能量时，液压泵卸荷，节约燃油消耗。

图2 亚琛工大液压混合动力系统简图

（1）回转能量回收利用。

采用泵马达二次元件驱动回转机构，回转启动压力或制动压力达到顺序阀压力时，经顺序阀将回转能量储存于HP高压蓄能器中；当回转运动时，HP高压蓄能器释放液压能驱动挖掘机回转机构；当HP高压蓄能器中能量不足时，启动液压泵为HP补充能量。

（2）势能回收利用。

蓄能器分高压和低压2种压力储存能量。每个油缸的2个工作油口分别与3个高速开关相连，1个开关接回油，1个开关接HP高压蓄能器，第3个开关接MP中压蓄能器，这样可以匹配出多种负载，减小蓄能器与负载压力损耗。以动臂势能回收利用为例，工作原理如下：动臂下降时，MP中压蓄能器液压能释放驱动油缸小腔，油缸大腔回收路经换向阀和高速开关阀，将动臂势能存储于HP高压蓄能器中。高压蓄能器HP和中压蓄能器MP中能量用于驱动各执行元件。当高压蓄能器HP和中压蓄能器MP中能量不足时，启动液压泵为蓄能器补充能量。

（3）技术特点及应用分析。

本系统能够直接回收利用回转制动能和工作装置势能，回收能量大。同时，发动机负载恒定，始终工作在低速最佳经济区，能够大幅节省燃油消耗。但这套系统对蓄能器依赖程度较高，若蓄能器工作异常，整个系统便无法工作。另外，系统为全新设计，成熟度较低，处于概念样机阶段。

2.2 卡特彼勒液压混合动力系统

2012年，卡特彼勒发布了336D2XE液压混合动力挖掘机，对回转进行能量回收再利用。系统原理简图如图3所示。

（1）回转能量回收利用。

传统挖掘机回转启动时，通常会达到回转马达溢流压力，产生溢流损耗；回转制动时，系统停止对马达供油，挖掘机上车旋转动能通过马达来消耗，旋转动能全部浪费掉了。卡特彼勒混合动力挖掘机通过回收释放阀将回转马达启动溢流能量和制动能量收集起来存储于液压蓄能器中，并在回转马达需要时进行释放。

此外，传统挖掘机回转制动时，马达低压变高压，溢流的流量通过溢流阀和单向阀补充给马达低压侧，但回收挖掘机回转制动能时，将原来溢流补油的流量回收存储起来了，所以需要进行马达补油设计。卡特彼勒利用已回收的存储于蓄能器中的液压能对马达补油，因为马达补油压力通常在1MPa以内，而回收的液压能压力通常在20MPa左右，因此需要通过蓄能器降压补油。

（2）技术特点及应用分析。

本系统将挖掘机回转启动溢流能量和制动能量直接回收和利用，存储于液压蓄能器中，能量利用传动环节少，利用效率高，同时对蓄能器依赖程度不高；当蓄能器异常时，原系统通过主阀依然可以正常工作；但仅回收挖掘机回转能量，没有回收动臂势能；另外，回收回转能量时利用已回收高压油液降压补油损耗较大；此外，回收的能量释放时，释放流量与原系统主阀供给流量耦合，需要识别并加以动态修正控制，以获得较好的操作性能。

图3 卡特彼勒液压混合动力系统简图

3 新型技术方案

目前，液压混合动力技术研究虽有突破，仍有待优化解决的问题。为充分回收利用挖掘机损耗能量，并解决能量释放技术对原系统的干扰，本文提出了同时回收动臂势能和回转动能，并具有双系统自动切换功能的技术方案。详见图4。

图4 徐工液压混合动力系统简图

（1）回转能量和动臂势能回收利用。

通过回收释放阀将回转马达启动溢流能量和制动能量收集起来存储于高压蓄能器中，将动臂势能收集起来存储于低压蓄能器中。蓄能器中的液压能通过回收释放阀驱动马达辅助发动机扭矩，以降低发动机负荷。回收回转马达制动能量时，通过收集原系统主阀回油浪费的能量，并存储于容积较小的液压蓄能器中，满足回转马达补油需求，同时不额外消耗系统能量。

（2）技术特点及应用分析。

本系统同时回收回转和动臂能量，回收能量较多，回收能量释放通过马达辅助发动机动力的形式实现，从而避免了能量直接释放到回转马达、动臂油缸等执行元件中的压力和流量干扰。同时，回转马达补油不额外消耗能量。此外，具有双系统自动切换功能可以实现混合动力系统与原系统切换，从而解决了混合动力系统异常对挖掘机正常作业的影响。本系统用于徐工中大型挖掘机，效果显著。

4 结束语

（1）动臂势能可回收量要比回转制动能更大。挖掘机动臂势能和回转制动能占液压系统输出能量比重的26.9%以上，其中动臂势能占可回收能量的66%，回转制动能占可回收能量的34%。

（2）动臂势能和回转制动能的能量回收和利用打破了原系统的结构，如何克服能量回收再利用技术对原系统的干扰是液压混合动力挖掘机必须面对的难题。

（3）如何克服能量回收再利用技术维保周期与原系统不匹配是技术应用面临的问题，而双系统自动切换功能实现混合动力系统与原系统切换是解决问题的有效路径之一。