工程机械液压传动系统节能技术综述

杨铭

摘要：近年来，随着社会建设的快速发展，工业化程度不断加深，工程机械设备的质量也在不断提高。随着人们对环境保护和节约资源产生的共识，促进了工程机械设备的优化和改进，使得工程机械的节能效果不断增强。本文主要介绍了工程机械液压系统节能技术，并给出了工程机械液压系统节能发展的意见，希望可以为相关人员提供参考意见。

关键词：工程机械；液压传动；节能技术

引言

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，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工程机械液压系统节能技术

1.1液压系统的节能技术

工程机械液压系统节能实现目的需要借助于节能液压元件。节能液压元件能量的消耗一般都是集中于油液泄露、内摩擦等环节上，在这一些环节中流量和压力都会存在损失。在工程机械液压系统中常见的能量转换元件又液压泵、液压马达以及液压缸等，这些元件的能量损失相对来讲比较大，一些其他的元件能耗相对较小。目前从节能液压元件入手所做的优化是将齿轮式结构更换为叶片式结构，在经过一系列的发展和进步之后形成柱塞式结构。提高的不仅是负载速度，还有容积效率以及机械效率。在工业生产中现在采用的比较多的具有节能效果的元件又柱塞泵，能够大大降低摩擦所造成的能耗，在这一过程中采用的方式在一些斜盘以及柱塞和缸体的表面涂抹特殊材料，这样达到降低能耗的目的。另外的则是针对液压泵的优化和改进，即丰富液压泵的变量控制方式

1.2回收再利用能量技术

能量的回收再利用技术与发动机息息相关。众所周知，发动机在运转的过程中会输出并负载能量，进而达到对能量的回收再利用。这种技术应用于工程机械液压系统节能技术当中，在负载机械能的减少方面以及负功率输入形式方面都具有积极作用，此种技术能够有效防止系统的温度太高引发的各种机械设备损坏现象。具体来讲，发动机所产生的多余动能能够被有效利用，不仅如此，发动机运转时负载的机械能也可以被回收利用。比如在实际生活中常见的有起重机、液压电梯等。一般只有在液压系统运转时负载所需的能量与发动机输出能量相比较小的时候，液压泵才会被发动机带动并旋转起来。在这一过程中发动机输出的动能是多余的，能够被转化成液压能储存起来以作他用。关于负载动能的回收再利用则强调的是行走机构和回转机构，这两个机构对转动负载具有积极作用。液压控制系统采用的都是左右对称设计，这种设计有利于能量的回收再利用，特别是当回转制动的时候，能量的回收再利用效果会更好，能够达到节能的效果。

1.3液压系统的功率匹配技术

液压系统功率匹配技术，即实现液压系统输出功率与负载特性曲线相适应，减少液压系统中多余的流量或压力造成的能量损失，以此提高液压系统的能量利用率。虽然并不存在完全理想化的功率匹配系统，但通过采取相应技术可以获得尽可能接近功率匹配的液压系统。

2能量回收技术

2.1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％。谭贤文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％。

2.2负载动能的回收再利用

对负载动能的回收再利用，主要集中在负载为转动负载的行走机构和回转机构上，如工程机械领域中挖掘机等在回转制动时的动能。该液压控制系统采用左右对称设计，以正转为例说明其工作原理。当挖掘机处于回转减速制动阶段，此时功率需求较小，转台动能转化为高压油液储存在蓄能器中，实现能量回收；当挖掘机处于回转启动加速阶段时，蓄能器处于能量释放状态，与发动机共同供能来保证回转的顺利进行。如此一来，便实现回转制动时能量的回收再利用，提高了液压系统的能量利用率，实现液压系统节能。

2.3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。

3工程机械液压系统节能技术的发展方向

从很多实践经验和科学研究均可以发现，液压系统节能水平的高低与液压系统能量的回收再利用之间存在联系。为了确保节能效果，针对节能液压元件进行优化和完善，目前爷爷系统功率匹配技术以及能量的再回收技术都还有些技术上面的难点，需要在今后的发展中不断完善，具体来讲有节能液压元件的使用，虽然能够产生节能效果，而是效果小而且发展的速度并不快。另外液压系统的功率匹配技术相对较弱，还无法满足工程机械液压系统节能要求。比较常见的还是局部功率匹配问题，局部功率匹配应用的范围比较广。从能量回收的角度看待工程机械液压系统节能技术的发展前景，在元件方面能量的储存依靠的是泵，但是我国目前还不具备生产泵的技术条件，需要一直购买他国的技术产品。另外在系统控制方面，尽管已经有了能量回收再利用液压系统，但是就控制策略而言相对单一，无法满足复杂的能量利用要求。所以在未来发展方向仍然是实现燃油消耗最小化，提高能量管控效率。在未来可以从节能液压元件的使用入手，提高发展速度，多多完善液压系统的元件结构，降低能量消耗。要积极完善液压系统功率匹配技术，针对负载传感控制系统要采取优化措施，不断地加大技术含量。

结语

综上所述，本文主要对工程机械液压系统节能技术进行分析，通过研究发现，现阶段液压节能技术主要包括变量泵、电液比例、柴油机电喷控制以及嵌入式总线控制模式。在未来的发展趋势中，主要包括电液比例智能化控制、动力改装以及综合控制三种模式。我国对于工程机械的节能技术控制研究起步相对较晚，但是发展较为迅速，相信在未来的发展中，工程机械液压节能技术的发展将会更加完善，可以实现对负载、发动机以及流量泵进行综合控制，并且将智能化技术应用于系统控制中，通过传感器以及数字化装备，可以在计算机上精确显示，从而可以最大程度的提升系统的运行质量以及效率。

参考文献

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