王天義，田 勇，趙鶯慧，房凱文

(河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河南 鄭州 450001)

隨著近十年制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，我國(guó)的工業(yè)化程度逐步加深，截至2020年9月，我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)設(shè)備產(chǎn)品年銷(xiāo)量已達(dá)72萬(wàn)臺(tái)，其中挖掘機(jī)、裝載機(jī)、叉車(chē)、升降機(jī)等主要產(chǎn)品銷(xiāo)量持續(xù)遞增[1]，2018年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《非道路移動(dòng)機(jī)械污染防治技術(shù)政策》(生化函[2018]34號(hào))來(lái)限制工程機(jī)械的排放要求。液壓傳動(dòng)由于其功率密度大的優(yōu)勢(shì)，使其在大部分的工程機(jī)械中發(fā)揮了巨大作用，但其系統(tǒng)的低效能問(wèn)題也給工程機(jī)械行業(yè)帶來(lái)不利影響。如何選擇和匹配液壓系統(tǒng)以提高工程機(jī)械的能量利用率一直備受關(guān)注，現(xiàn)對(duì)元器件的優(yōu)化、液壓系統(tǒng)的改進(jìn)、能量回收等方面的技術(shù)現(xiàn)狀和方法進(jìn)行論述。

1 元器件的優(yōu)化

1.1 柱塞泵

柱塞泵由于其耐高壓、排量可調(diào)的特點(diǎn)，利于泵的輸出功率和負(fù)載相匹配，在許多工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。柱塞泵的能量損失分為容積損失和機(jī)械損失兩部分。如何減少泄漏量并保證潤(rùn)滑是國(guó)內(nèi)外柱塞泵的研究重點(diǎn)。

20世紀(jì)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于柱塞泵的研究主要集中在改進(jìn)泵控方式、提高柱塞泵的壽命等方面。近年來(lái)，綠色設(shè)計(jì)理念深入人心，設(shè)計(jì)者們開(kāi)始將綠色環(huán)保理念更多融入到柱塞泵設(shè)計(jì)和制造中。英國(guó)巴斯大學(xué)Edge等在考慮了柱塞泵運(yùn)動(dòng)流量的情況下，計(jì)算了配流副、柱塞副和滑靴副的泄漏流量，為了增加流量脈動(dòng)模型的精準(zhǔn)度，在模型中加入緩沖槽油液慣性項(xiàng)，得到高精度的流量脈動(dòng)模型，為后續(xù)工作提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)研究所則重點(diǎn)關(guān)注柱塞的結(jié)構(gòu)和接觸副的改進(jìn)，研究者在斜盤(pán)、柱塞等接觸面上涂覆特殊材料，極大改善了泵的機(jī)械損失情況，還通過(guò)修改柱塞的形狀和表面微結(jié)構(gòu)，以減少摩擦面積和增強(qiáng)油膜潤(rùn)滑，從而最大程度降低了柱塞泵的能量損失[2]。

孫毅剛等[3]對(duì)于液壓泵的可靠性進(jìn)行多年研究，對(duì)柱塞副的磨損可靠性做了大量試驗(yàn)，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)柱塞副油膜特性研究的先例。徐兵等[4]采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，聯(lián)合三款仿真軟件，分別分析不同負(fù)載、不同斜盤(pán)傾角、不同柱塞副間隙對(duì)于柱塞副的性能影響，結(jié)果證明，適當(dāng)減小間隙可以減少泄漏并增加油膜承載能力。杜善霄等[5]對(duì)往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套配流系統(tǒng)進(jìn)行研究，以最高容積效率為目標(biāo)，優(yōu)化減振槽和配流口尺寸，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的流場(chǎng)特性分析，列出4種凸輪槽型來(lái)對(duì)比分析，結(jié)果表明，線(xiàn)性凸輪槽下的配流系統(tǒng)，最大瞬時(shí)倒灌量減小，壓力脈動(dòng)大幅度減小，性能最優(yōu)。

1.2 多路閥

目前國(guó)內(nèi)企業(yè)看重多路閥的成品銷(xiāo)量而忽視了關(guān)鍵的元件研究，傳統(tǒng)的多路閥可靠性差、噪聲大，而目前隨著工程機(jī)械對(duì)可靠性、振動(dòng)穩(wěn)定性的要求不斷提高，這要求多路閥更加專(zhuān)用化和個(gè)性化。Yuan等[6]提出了一種可與負(fù)載敏感技術(shù)結(jié)合使用的兩級(jí)雙閥芯伺服多路閥，并以某反鏟裝載機(jī)為例，證明了該多路閥的節(jié)能性。Chattopadhyay等[7]利用FLUENT軟件得到了油液在進(jìn)出閥口的流量特征和能量損失模型，并通過(guò)對(duì)比分析了不同的閥體結(jié)構(gòu)、閥芯位置和能量損耗的關(guān)系；張宏等[8]發(fā)明了一種多路閥仿真分析方法，對(duì)不同開(kāi)度和流量下的壓力損失和液動(dòng)力進(jìn)行測(cè)試，為多路閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供新思路。

Lisowski等[9]設(shè)計(jì)了一種新型的換向閥閥體，將四通換向控制閥更換為先導(dǎo)操作的止回閥。4個(gè)邏輯閥安裝在閥體上，蓋上裝配有電磁先導(dǎo)閥，如圖1所示。

1—先導(dǎo)閥；2—邏輯閥開(kāi)啟；3—邏輯閥關(guān)閉；4—閥體

利用ANSYS/FLUENT軟件對(duì)三維模型進(jìn)行CFD(computational fluid dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))分析，將所得特性結(jié)果和原型的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，邏輯閥在流動(dòng)過(guò)程中的壓力損失差異不超過(guò)5%。雖采用簡(jiǎn)單的流道制造技術(shù)，但壓力損失減少了35%以上，且該邏輯換向閥不需要過(guò)于復(fù)雜的流道，加工工藝簡(jiǎn)單，如鉆孔、鏜孔和銑削，大大降低了制造成本。

2 液壓系統(tǒng)匹配控制技術(shù)

工程機(jī)械多負(fù)載變化波動(dòng)大，導(dǎo)致設(shè)備處于低效率工作區(qū)間。匹配控制技術(shù)可以滿(mǎn)足動(dòng)力源和負(fù)載匹配。目前的研究基本可分為兩部分，一是對(duì)液壓系統(tǒng)回路改進(jìn)，二是與傳感器技術(shù)、電氣技術(shù)等學(xué)科的技術(shù)交叉。

2.1 液壓系統(tǒng)

2.1.1正/負(fù)流量控制系統(tǒng)

負(fù)流量控制系統(tǒng)是指在換向閥的回油路上設(shè)置節(jié)流口，以節(jié)流口的進(jìn)口壓力大小為控制壓力，來(lái)控制泵的排量，此時(shí)控制壓力和主泵輸出流量成反比，如圖2(a)所示；而正流量控制系統(tǒng)剛好相反，先導(dǎo)手柄發(fā)出信號(hào)壓力，回路中的梭閥可以對(duì)先導(dǎo)壓力進(jìn)行選擇，若先導(dǎo)壓力增大，泵的排量成正比增加[10]，如圖2(b)所示。

1—液壓泵；2—液壓缸；3—液壓馬達(dá)；4—溢流閥；5—節(jié)流孔；6，7—三位六通換向閥；8—梭閥

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)正/負(fù)流量控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，日本小松集團(tuán)的PC系列、日本日立建機(jī)集團(tuán)的EX系列和美國(guó)卡特彼勒公司的CAT系列挖掘機(jī)使用的都是負(fù)流量控制系統(tǒng)，而日本神戶(hù)鋼鐵公司的神鋼挖掘機(jī)則是正流量控制系統(tǒng)的代表[11]。林添良等[12]發(fā)明了一種基于挖掘機(jī)負(fù)流量系統(tǒng)的負(fù)載敏感回路，利用梭閥獲得最大負(fù)載壓力，該系統(tǒng)降低了節(jié)流口的節(jié)流損耗問(wèn)題。謝鑫[13]提出基于變轉(zhuǎn)速的正流量節(jié)能策略，利用AMESim對(duì)恒功率控制策略進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以估算液壓缸流量需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能35.2%。

2.1.2負(fù)載敏感回路及改進(jìn)

圖3(a)所示為負(fù)載敏感(load sensitive，LS)系統(tǒng)，分為泵控系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)，梭閥選擇負(fù)載壓力，通過(guò)電液信號(hào)的形式反饋給敏感控制閥或變量泵的控制機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整泵的排量和閥的流量，使得液壓系統(tǒng)輸出和負(fù)載相匹配的壓力和流量。但若需要流量過(guò)大且超過(guò)泵的極限，則無(wú)法保證大負(fù)載缸的流量供應(yīng)[14]。

此外，德國(guó)力士樂(lè)公司又開(kāi)發(fā)了負(fù)載獨(dú)立流量分配(lastdruck unabh?ngige durchfluss verteilung，LUDV)系統(tǒng)[15]，如圖3(b)所示，LUDV系統(tǒng)的壓力補(bǔ)償閥在節(jié)流閥后，可以保證各節(jié)流口壓差一致，若所需流量過(guò)大，各負(fù)載口壓差同比例下降，保證協(xié)調(diào)性。德國(guó)林德公司在傳統(tǒng)LS的基礎(chǔ)上，又發(fā)明了負(fù)載敏感同步控制(load-sensing synchronization control，LSC)系統(tǒng)，LSC系統(tǒng)的特點(diǎn)是各執(zhí)行元件僅依賴(lài)節(jié)流閥開(kāi)口面積，與其他執(zhí)行元件狀態(tài)無(wú)關(guān)，即使流量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)執(zhí)行元件速度也可以得到保持，如圖4所示[16]。

1—泵；2—節(jié)流閥；3—液壓缸；4—梭閥；5—壓力補(bǔ)償閥；6—LS閥調(diào)節(jié)器

圖4 LSC液壓回路圖

劉華等[17]針對(duì)負(fù)載敏感系統(tǒng)中壓力環(huán)和位置環(huán)的強(qiáng)耦合問(wèn)題，選擇自抗干擾算法對(duì)其進(jìn)行解耦研究，提高了系統(tǒng)的魯棒性和控制精度，試驗(yàn)證明改善后的系統(tǒng)節(jié)能效果明顯提高。陳莛等[18]對(duì)負(fù)載敏感系統(tǒng)的壓力補(bǔ)償方式進(jìn)行研究，利用SimulationX對(duì)工作特性和能量效率進(jìn)行分析，結(jié)果表明閥前補(bǔ)償?shù)木C合能量效率更高。

2.2 電子控制技術(shù)

隨著項(xiàng)目對(duì)于工程機(jī)械性能要求越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)外企業(yè)開(kāi)始對(duì)電子控制系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)和設(shè)計(jì)[19]，交叉?zhèn)鞲衅骷夹g(shù)和電氣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用。

韓國(guó)大宇重工集團(tuán)普遍采用了動(dòng)力優(yōu)化系統(tǒng)(electronic power optimizing system，EPOS)，該系統(tǒng)通過(guò)微處理器監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，完成對(duì)各元件電子控制，使挖掘機(jī)具有動(dòng)力模式、作業(yè)模式、變速怠速，防過(guò)熱等功能[20]。

日本日立建機(jī)集團(tuán)針對(duì)節(jié)能電子控制系統(tǒng)研究已久，從優(yōu)化液壓系統(tǒng)到電子總控系統(tǒng)，再發(fā)展為電子負(fù)荷傳感系統(tǒng)(electronic load sensing system，ELSS)[21]，該系統(tǒng)可對(duì)主閥和先導(dǎo)閥進(jìn)行控制，通過(guò)壓差傳感器監(jiān)測(cè)各個(gè)執(zhí)行元件，使得不同負(fù)載的各執(zhí)行元件流量合理分配。隨著互聯(lián)網(wǎng)普及，目前已研發(fā)出基于互聯(lián)網(wǎng)的電控系統(tǒng)，研究表明燃油消耗減少了12%。

除上述技術(shù)，美國(guó)卡特彼勒公司的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)、日本小松集團(tuán)的泵-發(fā)動(dòng)機(jī)互相控制系統(tǒng)、日本加藤重工集團(tuán)的自動(dòng)功率輸出控制系統(tǒng)以及瑞典沃爾沃建筑設(shè)備公司的先進(jìn)控制技術(shù)系統(tǒng)等，同樣對(duì)工程機(jī)械的節(jié)能減排起到促進(jìn)作用。

2.3 混合動(dòng)力

為更好地使發(fā)動(dòng)機(jī)和負(fù)載匹配，歐美國(guó)家在20世紀(jì)初提出了混合動(dòng)力構(gòu)思，主要思想是由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的動(dòng)力源為設(shè)備提供動(dòng)力[22-23]，多是以發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力源，其他動(dòng)力源為輔。

混合動(dòng)力技術(shù)在汽車(chē)新能源領(lǐng)域發(fā)展已久，應(yīng)用也較為成熟，在工程機(jī)械領(lǐng)域起步較晚，2003年日本日立建機(jī)集團(tuán)推出了世界上第一臺(tái)串聯(lián)式油電混合動(dòng)力裝載機(jī)[24]，以動(dòng)力電池為儲(chǔ)能裝置，通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)濟(jì)區(qū)間工作，整機(jī)能量利用率達(dá)25%～30%。日本小松集團(tuán)推出的混合動(dòng)力挖掘機(jī)[25]通過(guò)優(yōu)化分配算法，使得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與外負(fù)載需求的平均功率匹配，用電動(dòng)機(jī)承擔(dān)外負(fù)載的波動(dòng)部分功率。

國(guó)內(nèi)在混合動(dòng)力方面也進(jìn)入起步階段，主要有浙江大學(xué)、山河智能裝備股份有限公司、吉林大學(xué)、廣西柳工機(jī)械股份有限公司等，研究重點(diǎn)集中在工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)方案、控制策略以及動(dòng)勢(shì)能回收方面，貴州詹陽(yáng)動(dòng)力重工有限公司在2007年北京工程機(jī)械國(guó)際展會(huì)上，展示了JYL621H混合動(dòng)力挖掘機(jī)，通過(guò)輔助動(dòng)力源，使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工作點(diǎn)工作，該設(shè)備開(kāi)辟了國(guó)內(nèi)混合動(dòng)力工程機(jī)械的先例。2010 年上海國(guó)際工程機(jī)械寶馬展覽會(huì)上，徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司展出了 ZL50GS 型油-液混合動(dòng)力裝載機(jī)，可以高效地回收制動(dòng)動(dòng)能和重物勢(shì)能[26]。

3 能量回收技術(shù)

3.1 勢(shì)能回收

勢(shì)能回收是指工程機(jī)械中需承擔(dān)負(fù)載的部件將下降勢(shì)能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置中，并在液壓系統(tǒng)需要補(bǔ)償時(shí)釋放。工程機(jī)械勢(shì)能回收一般分為兩種方式，即油電混合和油液混合，前者儲(chǔ)能裝置主要是蓄電池和超級(jí)電容，后者儲(chǔ)能裝置主要是液壓蓄能器。

丹麥Aalborg大學(xué)的Andersen等提出一種基于蓄電池的勢(shì)能回收系統(tǒng)，如圖5所示，當(dāng)油缸下降時(shí)，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)為蓄電池充電，當(dāng)油缸上升時(shí)，完成能量的轉(zhuǎn)換和釋放，和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)比較，該系統(tǒng)回收效率高達(dá)40%[27]。

圖5 電動(dòng)叉車(chē)勢(shì)能回收系統(tǒng)

譚賢文[28]對(duì)比傳動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于液壓蓄能器和液壓馬達(dá)的油液混合動(dòng)力回收系統(tǒng)，將蓄能器并聯(lián)在回油路中，動(dòng)臂下降，無(wú)桿腔液壓油液力升高，流入蓄能器，氣囊被壓縮，在再次上升階段時(shí)，接入無(wú)桿腔，完成勢(shì)能的利用，結(jié)果表明節(jié)油率達(dá)到10.74%。

3.2 動(dòng)能回收

動(dòng)能回收主要針對(duì)一些具有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工程機(jī)械，如挖掘機(jī)，履帶裝載機(jī)等，這些設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，在整個(gè)加速過(guò)程中，積攢的動(dòng)能都通過(guò)制動(dòng)溢流耗散掉，大大拉低了能量利用率。

Ho等[29]在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中增添液壓蓄能器作為儲(chǔ)能裝置，利用換向閥控制蓄能器的充放能過(guò)程，在不引起流體逆轉(zhuǎn)的情況下回收動(dòng)能，并分析改善后系統(tǒng)的能量利用率，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的可行性，回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收率高達(dá)59%；于安才等[30]為回收挖掘機(jī)的制動(dòng)能量，引入二次元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定量馬達(dá)，能量回收時(shí)二次元件以泵模式往蓄能器充能。

此外太原理工大學(xué)的新型傳感器智能控制實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)的流體傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、哈爾濱工業(yè)大學(xué)流體傳動(dòng)及控制研究所等都常年從事工程機(jī)械液壓儲(chǔ)能裝置的改進(jìn)工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

近些年工程機(jī)械的節(jié)能技術(shù)在各方面有了巨大的進(jìn)步，若想要達(dá)到節(jié)能減排目的，一方面需降低系統(tǒng)能耗，另一方面需對(duì)系統(tǒng)的能量進(jìn)行回收。

1)液壓元件方面，關(guān)于柱塞泵和多路閥的改進(jìn)研究逐步完善，主要針對(duì)其結(jié)構(gòu)和表面處理，應(yīng)多注重材料領(lǐng)域的新成果，可以加深研究智能材料液壓元件的研究設(shè)計(jì)，雖然液壓元件的提升空間較小，但每一小步都會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，故仍需努力。

2)功率匹配方面，負(fù)載敏感技術(shù)在工程機(jī)械中已經(jīng)日益成熟，但是目前尚沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)可以完成發(fā)動(dòng)機(jī)-泵-負(fù)載的全局匹配，多為泵-負(fù)載功率匹配，也有部分企業(yè)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速感應(yīng)完成發(fā)動(dòng)機(jī)-泵功率匹配，所以未來(lái)關(guān)于全局匹配的研究會(huì)日益受到研究者們的重視。

3)能量回收是近幾年綠色理念的具體體現(xiàn)，因?yàn)楣こ虣C(jī)械所需瞬時(shí)功率大，所以多數(shù)采用的是油液混合動(dòng)力能量回收系統(tǒng)，但蓄能器內(nèi)壓力一旦低于無(wú)桿腔的油液壓力，蓄能器便無(wú)法釋放上一階段回收的能量，且影響下一階段的回收，除此之外液壓油對(duì)環(huán)境的污染也日益凸顯。環(huán)保是液壓節(jié)能技術(shù)的終極目標(biāo)，油電混合動(dòng)力能量回收系統(tǒng)響應(yīng)快，占用空間小，而且具有更高能量效率，新能源的應(yīng)用愈來(lái)愈廣，蓄電池和超級(jí)電容等電氣模塊安全清潔，使用方便，所以在將來(lái)儲(chǔ)能動(dòng)力單元和工作裝置的合理匹配，以及工程機(jī)械整機(jī)能量的管理策略，都是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。