費(fèi)樹(shù)輝，金月峰，王振興，夏 炎

（徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

隨著世界范圍內(nèi)工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，各國(guó)都已將降低能源損耗、保護(hù)環(huán)境提上日程。節(jié)能減排一直是工程機(jī)械技術(shù)發(fā)展的重要課題。液壓挖掘機(jī)作為工程機(jī)械的典型代表，在工作過(guò)程中由于動(dòng)臂、回轉(zhuǎn)馬達(dá)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，存在動(dòng)臂下降勢(shì)能、回轉(zhuǎn)制動(dòng)能等能量損耗大的問(wèn)題，如何有效回收再利用損耗能量成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)。本文主要對(duì)挖掘機(jī)工況和混合動(dòng)力研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并介紹了一種新的混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1 挖掘機(jī)能量分析

以21t挖掘機(jī)為例，在典型試驗(yàn)工況下進(jìn)行能量分析。

1.1 試驗(yàn)工況

挖掘機(jī)作業(yè)范圍如圖1所示，挖掘機(jī)噸位型號(hào)不同，挖掘范圍參數(shù)不同。挖掘機(jī)作業(yè)區(qū)域長(zhǎng)度為A，寬度為B，深度為H。挖掘機(jī)初始放置位置為：挖掘機(jī)工作裝置與履帶平行放置且與作業(yè)區(qū)域?qū)挾确较駼平行；挖掘機(jī)履帶最前緣至作業(yè)區(qū)域距離為D。運(yùn)輸車輛可以橫放或縱放，其中運(yùn)輸車輛箱體對(duì)稱中心線一條與挖掘機(jī)履帶方向平行放置，另一條與挖掘機(jī)靠近運(yùn)輸車輛一側(cè)履帶外緣的距離為C。

圖1 挖掘機(jī)作業(yè)范圍

1.2 能量利用分析

挖掘機(jī)在試驗(yàn)條件工況下作業(yè)過(guò)程中主要由挖掘、運(yùn)輸、卸料、返回4個(gè)階段組成。下面分析1個(gè)工作循環(huán)下利用和可回收能量的情況。所用能量計(jì)算公式為

式中 E——液壓系統(tǒng)能量，J；

P——油液壓力，Pa；

Q——油液流量，m3/s；

t1——開(kāi)始工作時(shí)間，s；

t2——結(jié)束工作時(shí)間，s。

通過(guò)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，可得出挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)能量利用和可回收能量情況，詳見(jiàn)表1。

表1 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)能量利用情況

據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，在1個(gè)裝載工作循環(huán)中，執(zhí)行元件利用的總能量為756kJ，執(zhí)行元件利用能量約占主泵輸出能量的80.6%。

1.3 可回收能量分析

目前能量回收基本為動(dòng)臂勢(shì)能和回轉(zhuǎn)制動(dòng)能回收?？苫厥漳芰颗c計(jì)算利用能量的方法相同。動(dòng)臂勢(shì)能通過(guò)動(dòng)臂下降時(shí)油缸無(wú)桿腔的壓力和流量乘積的積分求出，結(jié)果為166kJ，占主泵輸出能量的17.7%?；剞D(zhuǎn)溢流能量可以通過(guò)溢流壓力與溢流流量乘積的積分求出，計(jì)算3次馬達(dá)溢流能量為86kJ，占主泵輸出能量的9.2%。液壓系統(tǒng)可回收能量占主泵輸出能量的26.9%。對(duì)于動(dòng)臂可回收能量，如果挖掘深度加深，動(dòng)臂油缸位移增大，則可回收能量相應(yīng)增加。本計(jì)算中動(dòng)臂油缸位移約占總行程的50%。

2 挖掘機(jī)液壓混合動(dòng)力技術(shù)現(xiàn)狀

從挖掘機(jī)能量分析可知，挖掘機(jī)可回收能量主要是動(dòng)臂勢(shì)能和回轉(zhuǎn)制動(dòng)能。下面簡(jiǎn)要介紹挖掘機(jī)液壓混合動(dòng)力技術(shù)原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。

2.1 亞琛工大液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)

圖2為德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)研發(fā)的用于輪式挖掘機(jī)的液壓混合動(dòng)力技術(shù)原理簡(jiǎn)圖。整個(gè)系統(tǒng)將液壓泵與液壓蓄能器耦合，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量通過(guò)液壓泵轉(zhuǎn)化為液壓能存儲(chǔ)于液壓蓄能器中；將液壓蓄能器與各執(zhí)行元件（回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂、斗桿）耦合，使蓄能器中液壓能轉(zhuǎn)換為各執(zhí)行元件機(jī)械能；同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)選型按照平均功率來(lái)匹配，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以控制在1200rpm低轉(zhuǎn)速下經(jīng)濟(jì)區(qū)工作；當(dāng)蓄能器需要補(bǔ)充能量時(shí)啟動(dòng)液壓泵，不需要補(bǔ)充能量時(shí)，液壓泵卸荷，節(jié)約燃油消耗。

圖2 亞琛工大液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

（1）回轉(zhuǎn)能量回收利用。

采用泵馬達(dá)二次元件驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)啟動(dòng)壓力或制動(dòng)壓力達(dá)到順序閥壓力時(shí)，經(jīng)順序閥將回轉(zhuǎn)能量?jī)?chǔ)存于HP高壓蓄能器中；當(dāng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，HP高壓蓄能器釋放液壓能驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；當(dāng)HP高壓蓄能器中能量不足時(shí)，啟動(dòng)液壓泵為HP補(bǔ)充能量。

（2）勢(shì)能回收利用。

蓄能器分高壓和低壓2種壓力儲(chǔ)存能量。每個(gè)油缸的2個(gè)工作油口分別與3個(gè)高速開(kāi)關(guān)相連，1個(gè)開(kāi)關(guān)接回油，1個(gè)開(kāi)關(guān)接HP高壓蓄能器，第3個(gè)開(kāi)關(guān)接MP中壓蓄能器，這樣可以匹配出多種負(fù)載，減小蓄能器與負(fù)載壓力損耗。以動(dòng)臂勢(shì)能回收利用為例，工作原理如下：動(dòng)臂下降時(shí)，MP中壓蓄能器液壓能釋放驅(qū)動(dòng)油缸小腔，油缸大腔回收路經(jīng)換向閥和高速開(kāi)關(guān)閥，將動(dòng)臂勢(shì)能存儲(chǔ)于HP高壓蓄能器中。高壓蓄能器HP和中壓蓄能器MP中能量用于驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行元件。當(dāng)高壓蓄能器HP和中壓蓄能器MP中能量不足時(shí)，啟動(dòng)液壓泵為蓄能器補(bǔ)充能量。

（3）技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用分析。

本系統(tǒng)能夠直接回收利用回轉(zhuǎn)制動(dòng)能和工作裝置勢(shì)能，回收能量大。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載恒定，始終工作在低速最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)，能夠大幅節(jié)省燃油消耗。但這套系統(tǒng)對(duì)蓄能器依賴程度較高，若蓄能器工作異常，整個(gè)系統(tǒng)便無(wú)法工作。另外，系統(tǒng)為全新設(shè)計(jì)，成熟度較低，處于概念樣機(jī)階段。

2.2 卡特彼勒液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)

2012年，卡特彼勒發(fā)布了336D2XE液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī)，對(duì)回轉(zhuǎn)進(jìn)行能量回收再利用。系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖如圖3所示。

（1）回轉(zhuǎn)能量回收利用。

傳統(tǒng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)，通常會(huì)達(dá)到回轉(zhuǎn)馬達(dá)溢流壓力，產(chǎn)生溢流損耗；回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)停止對(duì)馬達(dá)供油，挖掘機(jī)上車旋轉(zhuǎn)動(dòng)能通過(guò)馬達(dá)來(lái)消耗，旋轉(zhuǎn)動(dòng)能全部浪費(fèi)掉了?？ㄌ乇死栈旌蟿?dòng)力挖掘機(jī)通過(guò)回收釋放閥將回轉(zhuǎn)馬達(dá)啟動(dòng)溢流能量和制動(dòng)能量收集起來(lái)存儲(chǔ)于液壓蓄能器中，并在回轉(zhuǎn)馬達(dá)需要時(shí)進(jìn)行釋放。

此外，傳統(tǒng)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，馬達(dá)低壓變高壓，溢流的流量通過(guò)溢流閥和單向閥補(bǔ)充給馬達(dá)低壓側(cè)，但回收挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能時(shí)，將原來(lái)溢流補(bǔ)油的流量回收存儲(chǔ)起來(lái)了，所以需要進(jìn)行馬達(dá)補(bǔ)油設(shè)計(jì)?？ㄌ乇死绽靡鸦厥盏拇鎯?chǔ)于蓄能器中的液壓能對(duì)馬達(dá)補(bǔ)油，因?yàn)轳R達(dá)補(bǔ)油壓力通常在1MPa以內(nèi)，而回收的液壓能壓力通常在20MPa左右，因此需要通過(guò)蓄能器降壓補(bǔ)油。

（2）技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用分析。

本系統(tǒng)將挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)啟動(dòng)溢流能量和制動(dòng)能量直接回收和利用，存儲(chǔ)于液壓蓄能器中，能量利用傳動(dòng)環(huán)節(jié)少，利用效率高，同時(shí)對(duì)蓄能器依賴程度不高；當(dāng)蓄能器異常時(shí)，原系統(tǒng)通過(guò)主閥依然可以正常工作；但僅回收挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)能量，沒(méi)有回收動(dòng)臂勢(shì)能；另外，回收回轉(zhuǎn)能量時(shí)利用已回收高壓油液降壓補(bǔ)油損耗較大；此外，回收的能量釋放時(shí)，釋放流量與原系統(tǒng)主閥供給流量耦合，需要識(shí)別并加以動(dòng)態(tài)修正控制，以獲得較好的操作性能。

圖3 卡特彼勒液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3 新型技術(shù)方案

目前，液壓混合動(dòng)力技術(shù)研究雖有突破，仍有待優(yōu)化解決的問(wèn)題。為充分回收利用挖掘機(jī)損耗能量，并解決能量釋放技術(shù)對(duì)原系統(tǒng)的干擾，本文提出了同時(shí)回收動(dòng)臂勢(shì)能和回轉(zhuǎn)動(dòng)能，并具有雙系統(tǒng)自動(dòng)切換功能的技術(shù)方案。詳見(jiàn)圖4。

圖4 徐工液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

（1）回轉(zhuǎn)能量和動(dòng)臂勢(shì)能回收利用。

通過(guò)回收釋放閥將回轉(zhuǎn)馬達(dá)啟動(dòng)溢流能量和制動(dòng)能量收集起來(lái)存儲(chǔ)于高壓蓄能器中，將動(dòng)臂勢(shì)能收集起來(lái)存儲(chǔ)于低壓蓄能器中。蓄能器中的液壓能通過(guò)回收釋放閥驅(qū)動(dòng)馬達(dá)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷?；厥栈剞D(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)能量時(shí)，通過(guò)收集原系統(tǒng)主閥回油浪費(fèi)的能量，并存儲(chǔ)于容積較小的液壓蓄能器中，滿足回轉(zhuǎn)馬達(dá)補(bǔ)油需求，同時(shí)不額外消耗系統(tǒng)能量。

（2）技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用分析。

本系統(tǒng)同時(shí)回收回轉(zhuǎn)和動(dòng)臂能量，回收能量較多，回收能量釋放通過(guò)馬達(dá)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的形式實(shí)現(xiàn)，從而避免了能量直接釋放到回轉(zhuǎn)馬達(dá)、動(dòng)臂油缸等執(zhí)行元件中的壓力和流量干擾。同時(shí)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)補(bǔ)油不額外消耗能量。此外，具有雙系統(tǒng)自動(dòng)切換功能可以實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)與原系統(tǒng)切換，從而解決了混合動(dòng)力系統(tǒng)異常對(duì)挖掘機(jī)正常作業(yè)的影響。本系統(tǒng)用于徐工中大型挖掘機(jī)，效果顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）動(dòng)臂勢(shì)能可回收量要比回轉(zhuǎn)制動(dòng)能更大。挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能和回轉(zhuǎn)制動(dòng)能占液壓系統(tǒng)輸出能量比重的26.9%以上，其中動(dòng)臂勢(shì)能占可回收能量的66%，回轉(zhuǎn)制動(dòng)能占可回收能量的34%。

（2）動(dòng)臂勢(shì)能和回轉(zhuǎn)制動(dòng)能的能量回收和利用打破了原系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如何克服能量回收再利用技術(shù)對(duì)原系統(tǒng)的干擾是液壓混合動(dòng)力挖掘機(jī)必須面對(duì)的難題。

（3）如何克服能量回收再利用技術(shù)維保周期與原系統(tǒng)不匹配是技術(shù)應(yīng)用面臨的問(wèn)題，而雙系統(tǒng)自動(dòng)切換功能實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)與原系統(tǒng)切換是解決問(wèn)題的有效路徑之一。