工程机械液压传动系统节能技术综述

王天义，田 勇，赵莺慧，房凯文

(河南工业大学机电学院，河南 郑州 450001)

随着近十年制造强国战略的持续推进，我国的工业化程度逐步加深，截至2020年9月，我国工程机械行业设备产品年销量已达72万台，其中挖掘机、装载机、叉车、升降机等主要产品销量持续递增[1]，2018年生态环境部发布了《非道路移动机械污染防治技术政策》(生化函[2018]34号)来限制工程机械的排放要求。液压传动由于其功率密度大的优势，使其在大部分的工程机械中发挥了巨大作用，但其系统的低效能问题也给工程机械行业带来不利影响。如何选择和匹配液压系统以提高工程机械的能量利用率一直备受关注，现对元器件的优化、液压系统的改进、能量回收等方面的技术现状和方法进行论述。

1 元器件的优化

1.1 柱塞泵

柱塞泵由于其耐高压、排量可调的特点，利于泵的输出功率和负载相匹配，在许多工程机械液压系统中得到广泛应用。柱塞泵的能量损失分为容积损失和机械损失两部分。如何减少泄漏量并保证润滑是国内外柱塞泵的研究重点。

20世纪，国内外对于柱塞泵的研究主要集中在改进泵控方式、提高柱塞泵的寿命等方面。近年来，绿色设计理念深入人心，设计者们开始将绿色环保理念更多融入到柱塞泵设计和制造中。英国巴斯大学Edge等在考虑了柱塞泵运动流量的情况下，计算了配流副、柱塞副和滑靴副的泄漏流量，为了增加流量脉动模型的精准度，在模型中加入缓冲槽油液惯性项，得到高精度的流量脉动模型，为后续工作提供坚实的理论基础。德国亚琛工业大学研究所则重点关注柱塞的结构和接触副的改进，研究者在斜盘、柱塞等接触面上涂覆特殊材料，极大改善了泵的机械损失情况，还通过修改柱塞的形状和表面微结构，以减少摩擦面积和增强油膜润滑，从而最大程度降低了柱塞泵的能量损失[2]。

孙毅刚等[3]对于液压泵的可靠性进行多年研究，对柱塞副的磨损可靠性做了大量试验，开创了国内柱塞副油膜特性研究的先例。徐兵等[4]采用虚拟样机技术，联合三款仿真软件，分别分析不同负载、不同斜盘倾角、不同柱塞副间隙对于柱塞副的性能影响，结果证明，适当减小间隙可以减少泄漏并增加油膜承载能力。杜善霄等[5]对往复柱塞泵转套配流系统进行研究，以最高容积效率为目标，优化减振槽和配流口尺寸，同时对系统的流场特性分析，列出4种凸轮槽型来对比分析，结果表明，线性凸轮槽下的配流系统，最大瞬时倒灌量减小，压力脉动大幅度减小，性能最优。

1.2 多路阀

目前国内企业看重多路阀的成品销量而忽视了关键的元件研究，传统的多路阀可靠性差、噪声大，而目前随着工程机械对可靠性、振动稳定性的要求不断提高，这要求多路阀更加专用化和个性化。Yuan等[6]提出了一种可与负载敏感技术结合使用的两级双阀芯伺服多路阀，并以某反铲装载机为例，证明了该多路阀的节能性。Chattopadhyay等[7]利用FLUENT软件得到了油液在进出阀口的流量特征和能量损失模型，并通过对比分析了不同的阀体结构、阀芯位置和能量损耗的关系；张宏等[8]发明了一种多路阀仿真分析方法，对不同开度和流量下的压力损失和液动力进行测试，为多路阀结构优化提供新思路。

Lisowski等[9]设计了一种新型的换向阀阀体，将四通换向控制阀更换为先导操作的止回阀。4个逻辑阀安装在阀体上，盖上装配有电磁先导阀，如图1所示。

1—先导阀；2—逻辑阀开启；3—逻辑阀关闭；4—阀体

利用ANSYS/FLUENT软件对三维模型进行CFD(computational fluid dynamics，计算流体动力学)分析，将所得特性结果和原型的实验研究结果进行比较。结果表明，逻辑阀在流动过程中的压力损失差异不超过5%。虽采用简单的流道制造技术，但压力损失减少了35%以上，且该逻辑换向阀不需要过于复杂的流道，加工工艺简单，如钻孔、镗孔和铣削，大大降低了制造成本。

2 液压系统匹配控制技术

工程机械多负载变化波动大，导致设备处于低效率工作区间。匹配控制技术可以满足动力源和负载匹配。目前的研究基本可分为两部分，一是对液压系统回路改进，二是与传感器技术、电气技术等学科的技术交叉。

2.1 液压系统

2.1.1正/负流量控制系统

负流量控制系统是指在换向阀的回油路上设置节流口，以节流口的进口压力大小为控制压力，来控制泵的排量，此时控制压力和主泵输出流量成反比，如图2(a)所示；而正流量控制系统刚好相反，先导手柄发出信号压力，回路中的梭阀可以对先导压力进行选择，若先导压力增大，泵的排量成正比增加[10]，如图2(b)所示。

1—液压泵；2—液压缸；3—液压马达；4—溢流阀；5—节流孔；6，7—三位六通换向阀；8—梭阀

近年来国内外对正/负流量控制系统进行了大量研究，日本小松集团的PC系列、日本日立建机集团的EX系列和美国卡特彼勒公司的CAT系列挖掘机使用的都是负流量控制系统，而日本神户钢铁公司的神钢挖掘机则是正流量控制系统的代表[11]。林添良等[12]发明了一种基于挖掘机负流量系统的负载敏感回路，利用梭阀获得最大负载压力，该系统降低了节流口的节流损耗问题。谢鑫[13]提出基于变转速的正流量节能策略，利用AMESim对恒功率控制策略进行仿真研究，结果表明该系统可以估算液压缸流量需求，实现节能35.2%。

2.1.2负载敏感回路及改进

图3(a)所示为负载敏感(load sensitive，LS)系统，分为泵控系统和阀控系统，梭阀选择负载压力，通过电液信号的形式反馈给敏感控制阀或变量泵的控制机构，系统自动调整泵的排量和阀的流量，使得液压系统输出和负载相匹配的压力和流量。但若需要流量过大且超过泵的极限，则无法保证大负载缸的流量供应[14]。

此外，德国力士乐公司又开发了负载独立流量分配(lastdruck unabhängige durchfluss verteilung，LUDV)系统[15]，如图3(b)所示，LUDV系统的压力补偿阀在节流阀后，可以保证各节流口压差一致，若所需流量过大，各负载口压差同比例下降，保证协调性。德国林德公司在传统LS的基础上，又发明了负载敏感同步控制(load-sensing synchronization control，LSC)系统，LSC系统的特点是各执行元件仅依赖节流阀开口面积，与其他执行元件状态无关，即使流量达不到标准，各个执行元件速度也可以得到保持，如图4所示[16]。

1—泵；2—节流阀；3—液压缸；4—梭阀；5—压力补偿阀；6—LS阀调节器

图4 LSC液压回路图

刘华等[17]针对负载敏感系统中压力环和位置环的强耦合问题，选择自抗干扰算法对其进行解耦研究，提高了系统的鲁棒性和控制精度，试验证明改善后的系统节能效果明显提高。陈莛等[18]对负载敏感系统的压力补偿方式进行研究，利用SimulationX对工作特性和能量效率进行分析，结果表明阀前补偿的综合能量效率更高。

2.2 电子控制技术

随着项目对于工程机械性能要求越来越高，国内外企业开始对电子控制系统进行研发和设计[19]，交叉传感器技术和电气技术，实现了液压系统和控制系统的结合应用。

韩国大宇重工集团普遍采用了动力优化系统(electronic power optimizing system，EPOS)，该系统通过微处理器监测发动机转速，完成对各元件电子控制，使挖掘机具有动力模式、作业模式、变速怠速，防过热等功能[20]。

日本日立建机集团针对节能电子控制系统研究已久，从优化液压系统到电子总控系统，再发展为电子负荷传感系统(electronic load sensing system，ELSS)[21]，该系统可对主阀和先导阀进行控制，通过压差传感器监测各个执行元件，使得不同负载的各执行元件流量合理分配。随着互联网普及，目前已研发出基于互联网的电控系统，研究表明燃油消耗减少了12%。

除上述技术，美国卡特彼勒公司的发动机转速自动控制系统、日本小松集团的泵-发动机互相控制系统、日本加藤重工集团的自动功率输出控制系统以及瑞典沃尔沃建筑设备公司的先进控制技术系统等，同样对工程机械的节能减排起到促进作用。

2.3 混合动力

为更好地使发动机和负载匹配，欧美国家在20世纪初提出了混合动力构思，主要思想是由两个或者两个以上的动力源为设备提供动力[22-23]，多是以发动机作为主动力源，其他动力源为辅。

混合动力技术在汽车新能源领域发展已久，应用也较为成熟，在工程机械领域起步较晚，2003年日本日立建机集团推出了世界上第一台串联式油电混合动力装载机[24]，以动力电池为储能装置，通过控制发动机在经济区间工作，整机能量利用率达25%～30%。日本小松集团推出的混合动力挖掘机[25]通过优化分配算法，使得发动机输出功率与外负载需求的平均功率匹配，用电动机承担外负载的波动部分功率。

国内在混合动力方面也进入起步阶段，主要有浙江大学、山河智能装备股份有限公司、吉林大学、广西柳工机械股份有限公司等，研究重点集中在工程机械的结构方案、控制策略以及动势能回收方面，贵州詹阳动力重工有限公司在2007年北京工程机械国际展会上，展示了JYL621H混合动力挖掘机，通过辅助动力源，使发动机在最佳工作点工作，该设备开辟了国内混合动力工程机械的先例。2010 年上海国际工程机械宝马展览会上，徐州工程机械集团有限公司展出了 ZL50GS 型油-液混合动力装载机，可以高效地回收制动动能和重物势能[26]。

3 能量回收技术

3.1 势能回收

势能回收是指工程机械中需承担负载的部件将下降势能储存在储能装置中，并在液压系统需要补偿时释放。工程机械势能回收一般分为两种方式，即油电混合和油液混合，前者储能装置主要是蓄电池和超级电容，后者储能装置主要是液压蓄能器。

丹麦Aalborg大学的Andersen等提出一种基于蓄电池的势能回收系统，如图5所示，当油缸下降时，机械能转换为液压能，驱动液压马达发电机为蓄电池充电，当油缸上升时，完成能量的转换和释放，和实验样机比较，该系统回收效率高达40%[27]。

图5 电动叉车势能回收系统

谭贤文[28]对比传动混合动力系统的优缺点，设计了基于液压蓄能器和液压马达的油液混合动力回收系统，将蓄能器并联在回油路中，动臂下降，无杆腔液压油液力升高，流入蓄能器，气囊被压缩，在再次上升阶段时，接入无杆腔，完成势能的利用，结果表明节油率达到10.74%。

3.2 动能回收

动能回收主要针对一些具有回转机构的工程机械，如挖掘机，履带装载机等，这些设备的转动惯量较大，在整个加速过程中，积攒的动能都通过制动溢流耗散掉，大大拉低了能量利用率。

Ho等[29]在回转系统中增添液压蓄能器作为储能装置，利用换向阀控制蓄能器的充放能过程，在不引起流体逆转的情况下回收动能，并分析改善后系统的能量利用率，通过仿真和实验验证了回转系统的可行性，回转制动能量回收率高达59%；于安才等[30]为回收挖掘机的制动能量，引入二次元件代替传统的定量马达，能量回收时二次元件以泵模式往蓄能器充能。

此外太原理工大学的新型传感器智能控制实验室、浙江大学的流体传动实验室、哈尔滨工业大学流体传动及控制研究所等都常年从事工程机械液压储能装置的改进工作。

4 结束语

近些年工程机械的节能技术在各方面有了巨大的进步，若想要达到节能减排目的，一方面需降低系统能耗，另一方面需对系统的能量进行回收。

1)液压元件方面，关于柱塞泵和多路阀的改进研究逐步完善，主要针对其结构和表面处理，应多注重材料领域的新成果，可以加深研究智能材料液压元件的研究设计，虽然液压元件的提升空间较小，但每一小步都会带来巨大的经济效益，故仍需努力。

2)功率匹配方面，负载敏感技术在工程机械中已经日益成熟，但是目前尚没有一个系统可以完成发动机-泵-负载的全局匹配，多为泵-负载功率匹配，也有部分企业通过发动机转速感应完成发动机-泵功率匹配，所以未来关于全局匹配的研究会日益受到研究者们的重视。

3)能量回收是近几年绿色理念的具体体现，因为工程机械所需瞬时功率大，所以多数采用的是油液混合动力能量回收系统，但蓄能器内压力一旦低于无杆腔的油液压力，蓄能器便无法释放上一阶段回收的能量，且影响下一阶段的回收，除此之外液压油对环境的污染也日益凸显。环保是液压节能技术的终极目标，油电混合动力能量回收系统响应快，占用空间小，而且具有更高能量效率，新能源的应用愈来愈广，蓄电池和超级电容等电气模块安全清洁，使用方便，所以在将来储能动力单元和工作装置的合理匹配，以及工程机械整机能量的管理策略，都是该领域的研究热点。