，，

(1.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州凱里556000；2貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

0 引言

液壓挖掘機(jī)在采礦、清理河道、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面有著非常廣泛的應(yīng)用，但是其存在能耗高，能量利用率低的問題。挖掘機(jī)工作裝置(動臂、斗桿、鏟斗)在下落的過程中其重力勢能都消耗在控制閥上，轉(zhuǎn)化為熱能。對其進(jìn)行重力勢能回收再利用研究，對于節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境具有重要意義[1-4]。

隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，液壓挖掘機(jī)動臂勢能回收技術(shù)有了一定的進(jìn)展，國內(nèi)外學(xué)者也提出了很多勢能回收方案，這些方案各有特點，回收的效率也不同，回路的結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜程度不同也就導(dǎo)致了成本的不同。為了讓勢能回收技術(shù)更好的應(yīng)用于實際產(chǎn)品，本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外動臂勢能回收技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了各種不同回收方法的特點，最后對勢能回收技術(shù)進(jìn)行展望，為以后的研究和應(yīng)用提供參考。

1 典型工況可回收勢能分析

圖1 工作裝置典型工況起始位置

為得到挖掘工作裝置總的可回收勢能，以某應(yīng)急救援排障工程車的挖掘工作裝置為對象，在典型的挖掘裝載作業(yè)中對其勢能回收原理進(jìn)行分析。以某型號工程車為例工作裝置在卸載位置時動臂油缸的長度為1.488 m，工作裝置在最低的挖掘位置時動臂油缸的長度為1.906 m，動臂油缸伸長0.418 m[5]。

將建好的挖掘工作裝置三維模型導(dǎo)入到Adams軟件中，在Adams軟件中添加運動副和驅(qū)動函數(shù)進(jìn)行仿真分析。

從圖2可以看出動臂下落過程先加速到一定值后減速到零，比較符合真實的挖掘作業(yè)過程，能更好地反應(yīng)挖掘機(jī)動臂油缸的受力狀況。

圖2 加速減速運動時速度曲線 圖3 動臂油缸的受力曲線

從圖3可以看出動臂在下落的過程中，動臂油缸的受力變化不大，最大最小力出現(xiàn)在加速減速的運動過程，最大值為58020.19 N，最小值為40043.71 N有利于勢能的回收。

由功的計算公式得：

1)勻速下落

式中：F(t)為圖2中動臂油缸的受力；V為動臂油缸速度；t為時間。

2)加速減速下落

式中：a為動臂運動的加速度。

圖4 動臂油缸可回收能量

由以上公式可以得到可回收的能量(圖4)。

在勻速下落的過程中最大可回收的能量為23.88 kJ，在加速減速下落過程中最大可回收的能量為23.96 kJ，可以看出無論動臂油缸的運動過程如何，總的可回收的能量是相同的。上面計算的為普通5 t挖掘機(jī)一個工作循環(huán)中動臂可回收的能量，對于中大型液壓挖掘機(jī)回收的能量會更多，每一個工作循環(huán)可能有幾百千焦。

從以上分析可以看出動臂勢能回收的能量是很可觀的，應(yīng)該重視動臂勢能回收技術(shù)的研究與應(yīng)用。

2 勢能回收系統(tǒng)的種類

勢能回收技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了很長時間的發(fā)展，許多勢能回收技術(shù)被用于不同的場合，如：電梯重力勢能的回收，升降機(jī)重力勢能的回收等。最早應(yīng)用勢能回收技術(shù)的時間可以追溯到西德柏林技術(shù)大學(xué)把公共汽車制動能通過液力制動裝置將制動能存儲在蓄能器中，作為下一個加速過程的能量[6]。但是其他場合的勢能回收技術(shù)并不適用于挖掘機(jī)的勢能回收，所以有必要針對挖掘機(jī)動臂勢能回收技術(shù)進(jìn)行研究。

根據(jù)能量存儲的方式可以分為：機(jī)械式能量回收系統(tǒng)，液壓式能量回收系統(tǒng)，電氣式能量回收系統(tǒng)。機(jī)械式能量回收系統(tǒng)主要為飛輪儲能，由于飛輪安裝尺寸，時效性等問題，這種方式并不適合挖掘機(jī)動臂勢能的回收，在此不做討論。

3 液壓式能量回收系統(tǒng)的特點及其發(fā)展

3.1 液壓式能量回收系統(tǒng)的特點

液壓式能量回收系統(tǒng)與電氣式能量回收系統(tǒng)相比其優(yōu)點是：能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，效率高。而電氣式能量回收系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換存在液壓泵、電動/發(fā)電機(jī)、儲能原件等多個環(huán)節(jié)，變頻整流環(huán)節(jié)的效率為90%，儲能原件的效率僅為78%～97%[7]。

液壓式能量回收系統(tǒng)最常用的儲能原件是蓄能器，蓄能器是一種能把液壓能儲存在耐壓容器里，待需要時又將其釋放出來的能量儲存裝置[8]。蓄能器可以實現(xiàn)液壓油的快速充放，并且可以吸收液壓沖擊，消除脈動、噪聲，所以蓄能器被廣泛應(yīng)用于各種不同的液壓系統(tǒng)。優(yōu)點是：功率密度高，使用壽命長。蓄能器在同質(zhì)量情況下，比超級電容、蓄電池、飛輪等元件儲存的能量高。

圖5 新型常壓蓄能器

圖6 液壓式能量回收系統(tǒng)原理圖

蓄能器的缺點是安裝空間較大，所以蓄能器更適合于中小型的液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)。隨著蓄能器技術(shù)的發(fā)展，新的蓄能器被研究出來，文獻(xiàn)[8]提出了一種恒壓能量密度高的新型蓄能器如圖5，這種新型的蓄能器可以保持壓力的穩(wěn)定，但是結(jié)構(gòu)比普通蓄能器復(fù)雜。

圖6所示為液壓式能量回收系統(tǒng)的工作原理，蓄能器作為儲能裝置，通過換向閥，將油缸中的高壓液壓油儲存在蓄能器中，儲存的能量用于其他的回路。

3.2 液壓式能量回收系統(tǒng)的發(fā)展

1)基于液壓變壓器勢能回收系統(tǒng)

圖7 基于液壓變壓器的勢能回收系統(tǒng)原理圖

當(dāng)挖掘機(jī)動臂下降時，在重力的作用下動臂無桿腔的液壓油通過液壓變壓器后壓力升高，液壓能儲存在蓄能器中，然后直接將蓄能器的高壓油用于驅(qū)動動臂的提升，工作原理如圖7所示。

動臂的下落速度通過調(diào)節(jié)變量泵/馬達(dá)的排量來實現(xiàn)，與閥控制系統(tǒng)相比減少了節(jié)流損失，具有節(jié)能的特點。當(dāng)動臂提升時，首先由蓄能器提供液壓油來克服負(fù)載力提升動臂油缸，當(dāng)蓄能器的壓力下降到不能克服負(fù)載力時，主泵會提供額外的壓力來提升動臂缸負(fù)載。

圖8 基于液壓變壓器勢能回收系統(tǒng)Ⅰ

圖8為2010年張樹忠等人提出的一種基于液壓變壓器原理的能量回收系統(tǒng)，動臂下降時不僅實現(xiàn)了勢能回收，還實現(xiàn)了流量再生，降低了主泵的供油量，使節(jié)能效果得到進(jìn)一步提升。通過仿真分析，這種勢能回收回路回收利用的能量占總可回收能量的54%左右[10]。

圖9為2017年齊秀麗等提出的基于液壓變壓器原理的勢能回收系統(tǒng)，此系統(tǒng)主要利用多路閥進(jìn)行控制[11]。文獻(xiàn)[12]也提出了相似的勢能回收系統(tǒng)。

圖9 基于液壓變壓器勢能回收系統(tǒng)Ⅱ

2)蓄能器為主泵進(jìn)油口輔助供油

液壓馬達(dá)的理論輸入功率為ΔP×qt，輸出功率為2πTtn，考慮到機(jī)械效率ηm，根據(jù)能量守恒可得泵的扭矩計算公式為：

T=ΔP×V×ηm/(2π)

式中：ΔP為液壓泵的進(jìn)出口壓力差，V為排量ΔP=P2-P1，P2、P1分別為液壓泵出、進(jìn)油口壓力。

圖10 蓄能器為主泵進(jìn)油口輔助供油

由此可以得當(dāng)蓄能器為液壓泵進(jìn)油口輔助供油時，可以使ΔP值減小，也就使得泵的輸入扭矩減小，消耗的功率減少。蓄能器主泵進(jìn)油口輔助供油的原理如圖10所示。

蓄能器儲存液壓油缸的液壓能，當(dāng)主泵工作時，與蓄能器相連的閥門打開，先由蓄能器向主泵的進(jìn)油口供油，當(dāng)蓄能器的液壓油不足時，主泵再從油箱吸油。這種方法的節(jié)能效果較好，但為了調(diào)節(jié)油缸的速度在蓄能器充液的過程中會有一定的節(jié)流損失。這種回路適用于回收壓力不高的系統(tǒng)中，因為許多的油泵不能承受過高的進(jìn)油口壓力。

2015年夏連鵬提出了一種基于這種原理的動臂勢能節(jié)能回路，該回路的結(jié)構(gòu)如圖11所示[13]。

圖11 基于蓄能器勢能回收原理圖

美國卡特彼勒Lars Bruun提出了一種基于該原理的液壓式能量回收系統(tǒng)[14]，并將其成功應(yīng)用于一臺50噸級液壓挖掘機(jī)上，其系統(tǒng)原理如圖12所示。當(dāng)挖掘機(jī)動臂下降時，液壓油經(jīng)過控制閥、液壓馬達(dá)/泵和一油缸為蓄能器充能，將動臂勢能轉(zhuǎn)化為液壓能，當(dāng)動臂上升時，蓄能器釋放高壓油輔助液壓馬達(dá)/泵向動臂油缸供油，減少了發(fā)動機(jī)的部分負(fù)荷，減少了能量消耗。據(jù)報道，與傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)相比，該系統(tǒng)動臂上升過程的平均油耗降低了37%，被認(rèn)為是近十年來最成功的動臂節(jié)能系統(tǒng)之一[15]。

圖12 卡特彼勒動臂勢能回收系統(tǒng)

圖13 利勃海爾動臂勢能回收系統(tǒng)原圖

利勃海爾公司提出了一種閉式勢能回收回路如圖13所示[16]，該回路是一種泵控系統(tǒng)，控制更加簡便且沒有節(jié)流和溢流損失，該回路不僅實現(xiàn)了勢能的回收，還實現(xiàn)了流量的再生。通過對樣機(jī)的試驗表明，該系統(tǒng)可以使發(fā)動機(jī)的裝機(jī)容量減少25%，動臂的運動速度可以提高80%。

3)蓄能器-液壓馬達(dá)為主泵提供輔助動力

平行軸液壓混合動力挖掘機(jī)原理圖如圖14所示，當(dāng)動臂下降時，動臂油缸無桿腔液壓油部分流向動臂有桿腔，部分儲存在蓄能器中，在動臂提升時，蓄能器能量通過液壓馬達(dá)為主泵提供輔助動力[17]。

圖14 蓄能器-液壓馬達(dá)為主泵提供輔助動力

圖15 蓄能器-液壓馬達(dá)為主泵提供輔助動力原理圖

當(dāng)動臂下降時，液壓油一部分通過液壓馬達(dá)為液壓泵提供額外的輔助動力，另一部分通過儲存在蓄能器中，動臂勢能同時被轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和液壓能。當(dāng)動臂提升時儲存在蓄能器中的壓力油通過液壓馬達(dá)為液壓泵提供輔助動力，起到節(jié)能的效果。

4)基于平衡油缸勢能回收系統(tǒng)

圖16 基于平衡油缸勢能回收原理圖

圖16為基于平衡油缸的勢能回收系統(tǒng)原理圖，動臂工作時，動臂的重力勢能與蓄能器的液壓能相互轉(zhuǎn)化，起到節(jié)能效果。

2013年，陳欠根等提出了一種基于平衡油缸的勢能回收系統(tǒng)[18]，該系統(tǒng)的原理為：動臂下降時，主泵的液壓油一路進(jìn)入主液壓缸5的有桿腔，一路進(jìn)入輔助油缸6、7的有缸腔，主液壓缸5的無桿腔液壓油與油箱相連，輔助油缸6、7的無桿腔液壓油連接蓄能器8，動臂上升時主泵液壓油進(jìn)入主液壓缸5的無桿腔，其無桿腔液壓油流回油箱，蓄能器中的液壓油流入輔助油缸6、7，用于平衡動臂的重力，起到節(jié)能效果。

圖17 基于平衡油缸勢能回收系統(tǒng)Ⅰ

2017年任好玲等也提出一種基于平衡油缸的勢能回收系統(tǒng)，提出了一種基于該原理的動臂勢能回收系統(tǒng)如圖18所示[19]。

圖18 基于平衡油缸勢能回收系統(tǒng)Ⅱ

該系統(tǒng)的液壓驅(qū)動單元以3個比例節(jié)流閥和1個比例溢流閥代替原有的多路閥，并且在平衡油缸和蓄能器之間引入了平衡單元，有利于動臂的運動控制。在動臂運動的過程中平衡油缸8不需要主泵供油。在動臂的一個工作周期內(nèi)，有平衡系統(tǒng)的能量消耗比無平衡系統(tǒng)時降低29.0%，具有較好的能量回收效率[19]。

4 電氣式能量回收系統(tǒng)的特點及其發(fā)展

圖19 能量回收流程圖

能量回收流程圖如圖19所示。

日立建機(jī)是世界上第一個采用電氣式能量回收系統(tǒng)對挖掘機(jī)動臂勢能進(jìn)行回收的企業(yè)[20]，系統(tǒng)原理圖如圖20所示。

圖20 日立建機(jī)電氣式能量回收系統(tǒng)

該系統(tǒng)既可以回收動臂的重力勢能也可以回收挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)制動能。動臂、斗桿和鏟斗油缸的液壓油通過液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)將重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過電動/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。

2006年神鋼工程機(jī)械，新能源工業(yè)技術(shù)開發(fā)組織和神戶鋼鐵推出了6噸級原型系列混合動力挖掘機(jī)，通過實驗驗證該挖掘機(jī)燃油消耗量可以減少40%以上[21]。執(zhí)行系統(tǒng)由六個獨立的執(zhí)行器構(gòu)成，由電動機(jī)和液壓泵來驅(qū)動，動臂下落時，動臂的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能。

圖21 電氣式勢能回收系統(tǒng)Ⅰ

2011年林添良等提出一種基于液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、電容器、電動機(jī)的勢能回收回路[22-23]，回路中有節(jié)流閥調(diào)速回路，使得動臂的可操控性好，動臂下落時，動臂的液壓能通過液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能儲存在電容中，在下一個工作過程中，儲存在電容器里的電能通過電動機(jī)轉(zhuǎn)化為液壓泵的扭矩，使得液壓泵在啟動時減少從發(fā)動機(jī)獲得的功率，達(dá)到動臂勢能回收的目的。通過仿真分析，這種回路回收的能量占總可回收能量的35%左右。

圖22為KYB提出的一種電液勢能回收系統(tǒng)[24-25]，該系統(tǒng)的優(yōu)勢是動臂的重力勢能一部分通過液壓馬達(dá)直接驅(qū)動液壓泵，另一部分通過勢能回收系統(tǒng)被回收。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以節(jié)能約為10%～30%。

圖22 電氣式勢能回收系統(tǒng)Ⅱ

2012年周宏兵等提出一種復(fù)合式勢能回收系統(tǒng)[26]，動臂下降時重力勢能一部分轉(zhuǎn)化為蓄能器的液壓能，一部分通過液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。在動臂提升時，蓄能器中的液壓能為主泵組進(jìn)油口提供輔助壓力，電容中的電能通過電機(jī)為主泵提供扭矩。兩種方式優(yōu)勢互補(bǔ)，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，以及能量回收效率。

圖23 復(fù)合式勢能回收系統(tǒng)

2015張路豪等提出了一種勢能回收系統(tǒng)[27]，以蓄電池為儲能原件，該系統(tǒng)的優(yōu)點是，在動臂控制多路閥和液壓馬達(dá)之間增加了一個控制閥，這可以提高動臂的操縱性能。

圖24 電氣式勢能回收系統(tǒng)Ⅲ

與普通的節(jié)流閥控制系統(tǒng)相比，電氣式勢能回收系統(tǒng)會導(dǎo)致動臂的運動性能不理想，基于這種考慮，文獻(xiàn)[17-18]提出用節(jié)流閥和電氣式勢能回收系統(tǒng)聯(lián)合控制系統(tǒng)來提高動臂運動的平穩(wěn)性，控制原理圖如圖25。

應(yīng)用壓力補(bǔ)償?shù)脑瓌t，發(fā)電機(jī)的電磁扭矩與載荷相適應(yīng)。通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口改變動臂油缸運動速度，提高了動臂運動操控性，并且動臂的重力勢能通過發(fā)電機(jī)得到部分的回收與利用。

圖25 控制原理圖

5 動臂勢能回收系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

通過以上分析知，動臂勢能回收技術(shù)是未來挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。但是現(xiàn)有的動臂勢能回收系統(tǒng)還存在一些不足，未來的發(fā)展趨勢就是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，使動臂勢能回收系統(tǒng)更好地應(yīng)用于實際產(chǎn)品。

1)勢能回收系統(tǒng)操控性問題

與普通的挖掘機(jī)系統(tǒng)相比，勢能回收系統(tǒng)中的操控性有待提高，傳統(tǒng)的挖掘機(jī)系統(tǒng)是通過節(jié)流閥、溢流閥等控制閥來調(diào)節(jié)動臂運動的速度，結(jié)合遠(yuǎn)程先導(dǎo)閥使駕駛員的操縱簡單，不易疲勞。但是在勢能回收回路中，動臂的下落過程中會受到來自勢能回收元件如蓄能器、液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)的阻力，并且這種阻力是不斷變化的，如何使動臂的運動得到想要的結(jié)果是目前需要解決的問題。目前的研究都是關(guān)于勢能回收回路的研究，只是實現(xiàn)了動臂勢能回收的功能，但是有的回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操控性能低，不利于在實際的產(chǎn)品中進(jìn)行應(yīng)用和推廣。未來的勢能回收系統(tǒng)最好是和傳統(tǒng)的挖掘機(jī)操控性相近。

2)勢能回收效率問題

在實現(xiàn)勢能回收功能的基礎(chǔ)上盡量提高勢能回收的效率，動臂在下落的過程中總的可回收的能量是不變的，這在第一節(jié)中通過仿真進(jìn)行了說明。提高勢能的回收效率，就可以節(jié)省更多的能源，是未來努力的方向，為提高效率首先應(yīng)該減少能量轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)多也就意味著能量轉(zhuǎn)換的效率就會降低，其次應(yīng)該減少回路中不必要的節(jié)流和溢流損失。

液壓挖掘機(jī)所有的執(zhí)行元件都是靠液壓進(jìn)行傳動的，所以液壓式勢能回收回路更加適合，也更容易集成在傳統(tǒng)的液壓回路中，混合動力挖掘機(jī)則可以選擇電氣式勢能回收系統(tǒng)。動臂下落的時間通常只有3 s～4 s的時間，因為蓄電池在充電的過程中要經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)，所以在短時間內(nèi)完成能量的儲存需要很大的挑戰(zhàn)，相比之下，超級電容更加適合作為儲能元件，但是電容的壽命問題也是挑戰(zhàn)之一。

綜上所述，如何提高勢能回收的效率和可靠性，使其在經(jīng)濟(jì)上比增加勢能回收系統(tǒng)的成本更有優(yōu)勢是一種挑戰(zhàn)，這也利于該技術(shù)的應(yīng)用與推廣。

3)勢能回收系統(tǒng)集成問題

勢能回收系統(tǒng)的集成度低，現(xiàn)有的勢能回收系統(tǒng)是簡單元器件的組成，沒有開發(fā)專用的器件如：液壓泵、發(fā)電機(jī)和控制器一體的器件等，系統(tǒng)的集成度低，在液壓挖掘機(jī)上要有足夠的安裝空間。蓄能器是勢能回收系統(tǒng)中經(jīng)常使用的元件，但是其能量密度低，不適合大量能量的儲存。在選擇蓄能器時還要考慮過載的情況，這就使得蓄能器的體積更大，需要更大的安裝空間。

6 結(jié)論

為降低挖掘機(jī)等工程機(jī)械的能耗，國內(nèi)外展開了對挖掘機(jī)動臂勢能回收技術(shù)的研究，并取得了一定的研究成果，國外對該技術(shù)的研究較早，國內(nèi)雖起步晚但最近幾年的研究較多，提出了不同的勢能回收方法，但是研究還不成熟，尤其是控制技術(shù)和相應(yīng)元器件的發(fā)展。本文總結(jié)了目前勢能回收技術(shù)的類型和各自的特點，并進(jìn)行了分類總結(jié)，展望了該技術(shù)未來發(fā)展的趨勢和亟需解決的問題，為以后該技術(shù)的研究與應(yīng)用提供了參考。