王天義，田 勇，趙鶯慧，房凱文

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

隨著近十年制造強國戰(zhàn)略的持續(xù)推進，我國的工業(yè)化程度逐步加深，截至2020年9月，我國工程機械行業(yè)設(shè)備產(chǎn)品年銷量已達72萬臺，其中挖掘機、裝載機、叉車、升降機等主要產(chǎn)品銷量持續(xù)遞增[1]，2018年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《非道路移動機械污染防治技術(shù)政策》(生化函[2018]34號)來限制工程機械的排放要求。液壓傳動由于其功率密度大的優(yōu)勢，使其在大部分的工程機械中發(fā)揮了巨大作用，但其系統(tǒng)的低效能問題也給工程機械行業(yè)帶來不利影響。如何選擇和匹配液壓系統(tǒng)以提高工程機械的能量利用率一直備受關(guān)注，現(xiàn)對元器件的優(yōu)化、液壓系統(tǒng)的改進、能量回收等方面的技術(shù)現(xiàn)狀和方法進行論述。

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，利于泵的輸出功率和負載相匹配，在許多工程機械液壓系統(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械損失兩部分。如何減少泄漏量并保證潤滑是國內(nèi)外柱塞泵的研究重點。

20世紀，國內(nèi)外對于柱塞泵的研究主要集中在改進泵控方式、提高柱塞泵的壽命等方面。近年來，綠色設(shè)計理念深入人心，設(shè)計者們開始將綠色環(huán)保理念更多融入到柱塞泵設(shè)計和制造中。英國巴斯大學(xué)Edge等在考慮了柱塞泵運動流量的情況下，計算了配流副、柱塞副和滑靴副的泄漏流量，為了增加流量脈動模型的精準度，在模型中加入緩沖槽油液慣性項，得到高精度的流量脈動模型，為后續(xù)工作提供堅實的理論基礎(chǔ)。德國亞琛工業(yè)大學(xué)研究所則重點關(guān)注柱塞的結(jié)構(gòu)和接觸副的改進，研究者在斜盤、柱塞等接觸面上涂覆特殊材料，極大改善了泵的機械損失情況，還通過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油膜潤滑，從而最大程度降低了柱塞泵的能量損失[2]。

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

1.2 多路閥

目前國內(nèi)企業(yè)看重多路閥的成品銷量而忽視了關(guān)鍵的元件研究，傳統(tǒng)的多路閥可靠性差、噪聲大，而目前隨著工程機械對可靠性、振動穩(wěn)定性的要求不斷提高，這要求多路閥更加專用化和個性化。Yuan等[6]提出了一種可與負載敏感技術(shù)結(jié)合使用的兩級雙閥芯伺服多路閥，并以某反鏟裝載機為例，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出閥口的流量特征和能量損失模型，并通過對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，對不同開度和流量下的壓力損失和液動力進行測試，為多路閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供新思路。

Lisowski等[9]設(shè)計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—邏輯閥開啟；3—邏輯閥關(guān)閉；4—閥體

利用ANSYS/FLUENT軟件對三維模型進行CFD(computational fluid dynamics，計算流體動力學(xué))分析，將所得特性結(jié)果和原型的實驗研究結(jié)果進行比較。結(jié)果表明，邏輯閥在流動過程中的壓力損失差異不超過5%。雖采用簡單的流道制造技術(shù)，但壓力損失減少了35%以上，且該邏輯換向閥不需要過于復(fù)雜的流道，加工工藝簡單，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)

工程機械多負載變化波動大，導(dǎo)致設(shè)備處于低效率工作區(qū)間。匹配控制技術(shù)可以滿足動力源和負載匹配。目前的研究基本可分為兩部分，一是對液壓系統(tǒng)回路改進，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/負流量控制系統(tǒng)

負流量控制系統(tǒng)是指在換向閥的回油路上設(shè)置節(jié)流口，以節(jié)流口的進口壓力大小為控制壓力，來控制泵的排量，此時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)出信號壓力，回路中的梭閥可以對先導(dǎo)壓力進行選擇，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；4—溢流閥；5—節(jié)流孔；6，7—三位六通換向閥；8—梭閥

近年來國內(nèi)外對正/負流量控制系統(tǒng)進行了大量研究，日本小松集團的PC系列、日本日立建機集團的EX系列和美國卡特彼勒公司的CAT系列挖掘機使用的都是負流量控制系統(tǒng)，而日本神戶鋼鐵公司的神鋼挖掘機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負流量系統(tǒng)的負載敏感回路，利用梭閥獲得最大負載壓力，該系統(tǒng)降低了節(jié)流口的節(jié)流損耗問題。謝鑫[13]提出基于變轉(zhuǎn)速的正流量節(jié)能策略，利用AMESim對恒功率控制策略進行仿真研究，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以估算液壓缸流量需求，實現(xiàn)節(jié)能35.2%。

2.1.2負載敏感回路及改進

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

此外，德國力士樂公司又開發(fā)了負載獨立流量分配(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，若所需流量過大，各負載口壓差同比例下降，保證協(xié)調(diào)性。德國林德公司在傳統(tǒng)LS的基礎(chǔ)上，又發(fā)明了負載敏感同步控制(load-sensing synchronization control，LSC)系統(tǒng)，LSC系統(tǒng)的特點是各執(zhí)行元件僅依賴節(jié)流閥開口面積，與其他執(zhí)行元件狀態(tài)無關(guān)，即使流量達不到標準，各個執(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—壓力補償閥；6—LS閥調(diào)節(jié)器

圖4 LSC液壓回路圖

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

2.2 電子控制技術(shù)

隨著項目對于工程機械性能要求越來越高，國內(nèi)外企業(yè)開始對電子控制系統(tǒng)進行研發(fā)和設(shè)計[19]，交叉?zhèn)鞲衅骷夹g(shù)和電氣技術(shù)，實現(xiàn)了液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用。

韓國大宇重工集團普遍采用了動力優(yōu)化系統(tǒng)(electronic power optimizing system，EPOS)，該系統(tǒng)通過微處理器監(jiān)測發(fā)動機轉(zhuǎn)速，完成對各元件電子控制，使挖掘機具有動力模式、作業(yè)模式、變速怠速，防過熱等功能[20]。

日本日立建機集團針對節(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)展為電子負荷傳感系統(tǒng)(electronic load sensing system，ELSS)[21]，該系統(tǒng)可對主閥和先導(dǎo)閥進行控制，通過壓差傳感器監(jiān)測各個執(zhí)行元件，使得不同負載的各執(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)，美國卡特彼勒公司的發(fā)動機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)、日本小松集團的泵-發(fā)動機互相控制系統(tǒng)、日本加藤重工集團的自動功率輸出控制系統(tǒng)以及瑞典沃爾沃建筑設(shè)備公司的先進控制技術(shù)系統(tǒng)等，同樣對工程機械的節(jié)能減排起到促進作用。

2.3 混合動力

為更好地使發(fā)動機和負載匹配，歐美國家在20世紀初提出了混合動力構(gòu)思，主要思想是由兩個或者兩個以上的動力源為設(shè)備提供動力[22-23]，多是以發(fā)動機作為主動力源，其他動力源為輔。

混合動力技術(shù)在汽車新能源領(lǐng)域發(fā)展已久，應(yīng)用也較為成熟，在工程機械領(lǐng)域起步較晚，2003年日本日立建機集團推出了世界上第一臺串聯(lián)式油電混合動力裝載機[24]，以動力電池為儲能裝置，通過控制發(fā)動機在經(jīng)濟區(qū)間工作，整機能量利用率達25%～30%。日本小松集團推出的混合動力挖掘機[25]通過優(yōu)化分配算法，使得發(fā)動機輸出功率與外負載需求的平均功率匹配，用電動機承擔外負載的波動部分功率。

國內(nèi)在混合動力方面也進入起步階段，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)、廣西柳工機械股份有限公司等，研究重點集中在工程機械的結(jié)構(gòu)方案、控制策略以及動勢能回收方面，貴州詹陽動力重工有限公司在2007年北京工程機械國際展會上，展示了JYL621H混合動力挖掘機，通過輔助動力源，使發(fā)動機在最佳工作點工作，該設(shè)備開辟了國內(nèi)混合動力工程機械的先例。2010 年上海國際工程機械寶馬展覽會上，徐州工程機械集團有限公司展出了 ZL50GS 型油-液混合動力裝載機，可以高效地回收制動動能和重物勢能[26]。

3 能量回收技術(shù)

3.1 勢能回收

勢能回收是指工程機械中需承擔負載的部件將下降勢能儲存在儲能裝置中，并在液壓系統(tǒng)需要補償時釋放。工程機械勢能回收一般分為兩種方式，即油電混合和油液混合，前者儲能裝置主要是蓄電池和超級電容，后者儲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能回收系統(tǒng)，如圖5所示，當油缸下降時，機械能轉(zhuǎn)換為液壓能，驅(qū)動液壓馬達發(fā)電機為蓄電池充電，當油缸上升時，完成能量的轉(zhuǎn)換和釋放，和實驗樣機比較，該系統(tǒng)回收效率高達40%[27]。

圖5 電動叉車勢能回收系統(tǒng)

譚賢文[28]對比傳動混合動力系統(tǒng)的優(yōu)缺點，設(shè)計了基于液壓蓄能器和液壓馬達的油液混合動力回收系統(tǒng)，將蓄能器并聯(lián)在回油路中，動臂下降，無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，接入無桿腔，完成勢能的利用，結(jié)果表明節(jié)油率達到10.74%。

3.2 動能回收

動能回收主要針對一些具有回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工程機械，如挖掘機，履帶裝載機等，這些設(shè)備的轉(zhuǎn)動慣量較大，在整個加速過程中，積攢的動能都通過制動溢流耗散掉，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能裝置，利用換向閥控制蓄能器的充放能過程，在不引起流體逆轉(zhuǎn)的情況下回收動能，并分析改善后系統(tǒng)的能量利用率，通過仿真和實驗驗證了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的可行性，回轉(zhuǎn)制動能量回收率高達59%；于安才等[30]為回收挖掘機的制動能量，引入二次元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定量馬達，能量回收時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驗室、浙江大學(xué)的流體傳動實驗室、哈爾濱工業(yè)大學(xué)流體傳動及控制研究所等都常年從事工程機械液壓儲能裝置的改進工作。

4 結(jié)束語

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

1)液壓元件方面，關(guān)于柱塞泵和多路閥的改進研究逐步完善，主要針對其結(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，雖然液壓元件的提升空間較小，但每一小步都會帶來巨大的經(jīng)濟效益，故仍需努力。

2)功率匹配方面，負載敏感技術(shù)在工程機械中已經(jīng)日益成熟，但是目前尚沒有一個系統(tǒng)可以完成發(fā)動機-泵-負載的全局匹配，多為泵-負載功率匹配，也有部分企業(yè)通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速感應(yīng)完成發(fā)動機-泵功率匹配，所以未來關(guān)于全局匹配的研究會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)，因為工程機械所需瞬時功率大，所以多數(shù)采用的是油液混合動力能量回收系統(tǒng)，但蓄能器內(nèi)壓力一旦低于無桿腔的油液壓力，蓄能器便無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，油電混合動力能量回收系統(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)用愈來愈廣，蓄電池和超級電容等電氣模塊安全清潔，使用方便，所以在將來儲能動力單元和工作裝置的合理匹配，以及工程機械整機能量的管理策略，都是該領(lǐng)域的研究熱點。