液压节能技术在电动叉车行业的应用研究

□ 李灵芝 □ 柯 坚 □ 杨志军 □ 杨雯雯 □ 王一新

西南交通大学 机械工程学院 成都 610031

现代工业迅速发展，我国作为资源和人口大国，对能源的消耗和需求量逐年激增。然而，由于传统化石能源枯竭短缺，导致能源供应紧张，能源危机和节能减排压力情况严峻，能源和环境问题已成为当今工业面临的巨大挑战，庞大的市场需求和严峻的能源环境约束之间的矛盾日益尖锐。

节能环保事业大力推动了车辆电动化的转型升级，对电动叉车的液压系统能耗也提出了更高的标准和要求。因此，对电动叉车进行液压节能研究分析，有助于解决叉车能耗问题，提升车载电池续航能力，延长整车作业时间，推动电动叉车的普及。

1 电动叉车液压传动系统工作特点

液压传动系统是叉车的核心组成部分，目前几乎所有电动叉车的工作装置都采用液压传动系统，另外，驱动系统、转向系统、制动系统等也多采用液压传动。液压传动系统的特性直接影响电动叉车的作业性能和工作效率。

电动叉车液压传动系统原理如图1所示，主要由举升液压回路、转向液压回路、倾斜液压回路和液压动力源组成。电动机驱动液压泵，为系统提供压力油。优先流量控制阀为转向液压缸优先供油，保证任何情况下转向安全有效。同时，全液压转向器可以增大操纵力矩，实现叉车转向的灵活控制。多路换向阀用于实现举升液压缸和倾斜液压缸的方向控制，其中的溢流阀用于设定系统回路的最大工作压力［1］。

由于运输装卸作业性质为工作不连续且负荷变化频繁，电动叉车需实现循环启停和升降等动作，导致叉车液压传动系统的各类阀频繁动作，液压油发热严重，能量损失较大，系统效率低下。

2 电动叉车能耗分析

电动叉车能量消耗主要集中于举升负载、车轮驱动、转向和倾斜这四个方面。举升过程通过升降叉架，实现液压能到货物势能的转换。车轮驱动由行走电机消耗电能，并转换为车轮的动能。转向过程消耗液压能，完成转向液压缸的转向作业。倾斜动作的能耗较少，通常不予讨论。

电动叉车能耗消耗试验采用JB/T 3300—2010《平衡重式叉车整机试验方法》，标准工况运行路线如图2所示。按标准载荷及运行状态进行能耗测定试验，不间断进行操作和运行，直至满足60次/h标准循环的试验要求［2］。

用电流、电压、流量、压力传感器和数据采集卡记录整个试验过程的数据，绘制整理电动叉车各项运行工况时电流、电压与时间的关系曲线，根据试验数据计算得出一次标准循环工作中电动叉车的各项工况耗能分布情况，见表1［3］。

▲图1 电动叉车液压传动系统

▲图2 电动叉车标准工况运行路线

表1 电动叉车耗能分布

由表1可知，电动叉车举升和行走工况的能耗占比较大，而传统叉车液压传动系统在下降负载时通过溢流阀向油箱释放高压油，制动时通过制动分泵推动摩擦片将车轮动能转换为热能，能量损失较大。因此，目前的电动叉车节能研究内容主要偏重于对举升势能和车轮动能的回收再利用。

3 电动叉车液压节能技术

3.1 伺服电机-液压泵/马达驱动技术

结合二次元件和现代电力传动特点的伺服电机-液压泵/马达驱动技术，采用伺服调速驱动电动机、液压泵或马达代替传统叉车液压传动系统中控制液压缸活塞位置的比例阀，能实现精确调速控制和负载势能回收。

当负载下降时，负载势能由处于马达工况的二次元件转换为动能，驱动处于发电机工况的变频器控制伺服电机，其快于毫秒级的转矩响应速度主动将产生的电能反馈至直流电路。电网系统选用充放电速度优于铅酸蓄电池的超级电容作为蓄能元件，用以储存回收的电能［4］，如图3所示。

▲图3 伺服电机-液压泵/马达驱动技术电液回路

3.2 变频液压动力传动技术

变频调速技术依靠改变供电电源的频率，实现对执行机构的无级调速功能，使电动机始终处在高效率的工作状态。将电动机的变频调速技术应用于电动叉车液压传动系统中，发展出变频液压动力传动新型节能技术［5］，形成全局型节能的变转速容积调速系统，其工作效率将明显高于传统的节流调速系统和容积控制系统。

通过采用变频器+交流电动机+定量泵的组合形式，取代传统液压传动系统中的变量泵，如图4所示。控制器根据系统油路反馈信息，自动调整变频器的输出信号，从而改变电动机转速匹配系统的实际功率。在节省安全阀使用数量、简化液压传动系统回路的同时，可以减少液压传动系统的能量损失，提高电源的利用效率［6］，扩大电动机的调速范围，且可达到更好的调速控制特性，大大降低噪声，具有良好的节能效果。

▲图4 变频液压动力传动技术原理框图

3.3 二次调节静液传动技术

二次调节静液传动技术是在恒压网络中对二次元件进行排量控制，实现液压能与机械能相互转换的一种新型容积调速液压节能技术［7］。系统中压力基本保持稳定，只通过对二次元件的排量控制来实现系统和负载两端的功率匹配。

电动叉车节能研究中通常将二次调节静液传动技术应用于车轮制动时的动能回收，如图5所示。具有可逆功能的二次元件起到节能的关键作用：在电动叉车正常作业时，处于马达工况，驱动车轮，输出功率；车轮制动时，处于泵工况，将车轮的惯性能转换为液压能，反向向系统恒压源的蓄能器输入能量，待下次需驱动车轮时再释放回收的液压能，以减轻电动机的驱动负荷，实现节能。

▲图5 二次调节静液传动技术原理

由于二次元件直接与叉车驱动系统中的恒压油源相连，因此没有原理性的节流损失，系统效率较高，避免了工作过程中不必要的能量损失。另外，恒压油源中的蓄能器不但能平稳系统油压峰值，而且可通过回收和释放液压能有效提高系统的工作效率。

3.4 负载敏感技术

负载敏感技术是一种能够感知系统压力和流量需求，而且仅提供系统所需流量和压力，大幅提高系统效率的压力闭环泵控液压节能技术。这一技术具有低功率损失的特点，节省了系统能量损耗，降低了液压系统油液的发热量，所以相比其它传统液压系统，其效率更高。

普通电动叉车通常采用定量泵液压传动系统，由于固定分流的形式，造成系统的能量损失较大，系统发热严重，元件寿命较短。如图6所示，电动叉车的转向系统中，通过采用定量泵负载敏感技术［8］，可以按照转向油路的流量需求向系统提供合适的压力油，对转向回路进行压力补偿，保证转向系统供油充足，转向轻便，改善系统的热平衡。转向系统多出的油液可直接供给叉车的其它工作装置，所以在给系统配置定量泵时，可以考虑选择排量较小的定量泵，在节能的同时还能确保系统的稳定性。

▲图6 定量泵负载敏感技术原理

3.5 蓄能器能量回收技术

相比机械蓄能元件和电气蓄能元件，蓄能器作为液压属性蓄能元件，功率密度较高，更适用于负载变化频繁的场合，且具有更高的能量回收效率，在电动叉车液压节能元件选择中占据一定的优势。

采用蓄能器进行电动叉车液压节能时，通常将其连接在负载下降的液压回路，必要时还可在系统回油路和蓄能器之间加入液压变压器，调高回油压力，提升蓄能器回收的能量，如图7所示。

当电动叉车进行货物下降动作时，负载势能转换为液压能，使举升液压缸中的液压油进入蓄能器支路，蓄能器开始回收举升势能。当下一次需要举升货物时，蓄能器释放所吸收的液压能，联合辅助电动机一并实现电动叉车的负载举升，达到节能效果。此外，蓄能器还可以抑制系统的油压波动，提高整车的可靠性和使用寿命。

▲图7 蓄能器能量回收技术原理

4 电动叉车液压节能研究思考

目前，电动叉车液压节能研究的成果主要集中于对计算机仿真分析和试验测试，技术尚不成熟，市场应用规模较小，距离实际的工程应用还有一定差距。为此，必须多与实践结合，加快从试验测试到工程应用的进程，将科研成果转化为工程实践。

庞大的能量回收装置加重了电动叉车车身质量，无形中增大了电动叉车的驱动能耗。因此，节能的同时必须兼顾车身附加设备耗能等潜在问题，不断完善和加强对设备元件的轻量化设计。

当前液压节能方案中，所应用的部分元器件价格昂贵，设计过程中对成本问题欠缺考虑。在实现工程应用和市场推广前，成本控制问题必须得到合理解决。

5 总结和展望

通过对电动叉车行业液压节能技术的分析可见，目前传统电动叉车普遍为非环保节能型，其节能改造空间大有可为，发展前景广阔。对其进行液压节能研究，不仅可以提高能源利用效率，带来可观的经济效益，而且能够直接推动节能减排环保事业的发展。

不难预料，伴随着科学技术的深入发展，电动叉车的液压节能技术和智能制造工业、工控自动化等技术结合将越来越紧密，逐步向实现机电液一体化趋势发展［9-11］。各学科协同发展的新局面必将引领电动叉车在运输物流领域中发挥更重要的作用，更加高效、灵活地完成各项预期的工程任务。