液壓挖掘機節能關鍵技術

1.研究背景

隨著我同經濟的飛速發展，液壓挖掘機在基礎設施建設領域日益發揮出越來越大的作用。液壓挖掘機的作業工況復雜、惡劣，負載變化較大，操作狀況千差萬別，液壓系統的效率波動較大，由此導致整機存在油耗大、能量利用率低等不足。隨著能源不斷緊缺，溫室效應問題越來越嚴重以及環保要求的不斷提高，節能技術研究逐漸成為該領域人們關注的焦點。為了提升和改善燃油利用率與環保性能，解決實際面臨的挖掘機油耗高、排放差和經濟性低的問題，從而提高各自產品在世界市場上的競爭力，大型液壓挖掘機研究機構和生產廠商已將節能技術作為科技重點發展目標。

2.發展歷程

近20年以來，很多學者針對傳統的液壓挖掘機節能技術進行了一些研究。其中，最為廣泛的便是在傳統液壓系統應用電液比例控制技術。應用電液比例控制技術不僅能夠靈活布局整機、提高動態響應、降低噪聲，還可提升位置閉環精度，增強液壓系統的性能，為工程機械的自動化提供條件。隨著電液比例控制技術的不斷進步，液壓挖掘機的節能效果得到了很大提高。

通過對液壓系統的調整雖然能將效率提升至80%左右，但卻很難進一步提升挖掘機效率。在此背景卜，有人提出了發動機與負載的功率匹配技術。發動機與負載的功率匹配技術以調節發動機油門和液壓泵排量為依據，來實現功率的匹配，從而達到節能的效果。由于傳統挖掘機的同有結構難以實現全局功率匹配，因此要進一步提高整機燃油效率，就要從改造挖掘機的動力結構出發。

以此同時，很多研究人員對基礎液壓元件（泵、馬達和閥）結構、材料和制造工藝等進行了諸多改進，努力提升液壓系統的油壓，以此來提高液壓挖掘機的能源利用率，從而實現節能減排的目的。然而此類改進易造成系統油壓升高，導致液壓元件泄漏，存在一定的風險。

從以上分析可以看出，之前的傳統改進技術都或多或少具有一定缺陷。于是有人提出將流量控制、負荷傳感控制、能量回收與再生利用等各種途徑緊密結合，互相滲透，形成綜合的節能技術，以提高液壓挖掘機能源利用率。液壓挖掘機的工作裝置質量很大，作業時慣性較大，因此工作過程中會有大量能量損失。采用能量回收系統、再生回路或是回轉制動系統，不僅能提高挖掘機的作業速度、操作性能，還能解決液壓系統能耗高、效率低、排放差、經濟效益低等問題，從而實現節能減排。

3.節能關鍵技術

（1）回轉制動能量回收技術

挖掘機作業時回轉操作包含啟動加速、勻速、減速制動3個連續的過程，其中在減速制動過程中能進行制動能量的回收。挖掘機回轉制動能量回收技術是通過利用能量回收與再生利用的思想，設計出能夠將回轉制動系統能量轉換為再生能量的技術，如附圖所示。

實現液壓挖掘機回轉制動系統能量回收的關鍵部件是液壓控制器。液壓控制器一般由增壓閥、液控單向閥、變量馬達和蓄能器組成。它可接收來自回轉馬達的壓力油，然后通過增壓閥增壓和蓄能器蓄能來進行液壓能自身轉化，進一步完成液壓能到機械能、電能再到液壓能的轉換，從而實現流量的再生。

在能量回收時段，油液不需增壓閥增壓，憑借著較高的壓力優勢直接進入系統，從而提升了能量的回收效率，降低了油耗。在能量釋放時段，蓄能器壓力油帶動變量馬達與電動機，經過分動箱的動力分配后帶動主泵進行做功。回收的能量釋放后，發動機在高效燃油經濟區穩定工作，便可形成燃油消耗、使用成本減少的效果。經過理論分析可知，若液壓挖掘機能通過回轉制動系統回收液壓執行元件回油路的能量，那么利用蓄能器與變量馬達分配的動力源流量驅動負載工作便是可行的，且回收的能量用途很廣泛。根據相關文獻，該節能系統能可使液壓挖掘機燃料消耗降低12%～18%，生產效率提升10%～25%。此方法不僅可以減輕能量損失，保護液壓元件，增強燃油消耗的經濟性，更重要的是它不影響原系統的操作特性。

（2）分壓閥口節流槽技術

隨著對節能減排的要求越來越高，人們開始對液壓挖掘機關鍵液壓元件進行優化。作為液壓挖掘機液壓系統的重要元件，多路換向閥發揮出了越來越大的作用。液壓挖掘機作業環境相對惡劣，其多路閥換向閥芯閥口往往有較嚴重的空化腐蝕現象。這不僅會大大縮減換向閥的壽命，也消耗了大量的液壓能。

相比于傳統的全周閥口節流槽，分壓閥口節流槽擁有更大的水力直徑和更強的抗阻塞性，容易獲得較小的穩定流量，可大大節省液壓能。v型節流槽和u型節流槽是最典型的2種分壓節流形式。通過理論分析與計算可知，u性節流槽存在閥口流量飽和現象。而對于v型節流槽，由于它的水力直徑始終與閥口開度呈線性關系，所以其對流量的可控性要強于u型節流槽。在實際應用中，設計人員可在了解u型節流槽和v型節流槽節流特性的基礎上，根據實際情況和需求對分壓閥口節流槽進行分析、設計、改進，以增強液壓系統性能，從而實現液壓挖掘機節能的目的。

（3）混合動力技術

混合動力技術是指在設備動力系統中采用2種不同動力源的一種技術。按能源的傳遞媒介來分，混合動力技術可分為油電混合動力和油液混合動力2種，目前技術應用較為廣泛的是油電混合技術。混合動力技術按照動力傳輸路線不同來分類，可以分為串聯式、并聯式和混聯式3種。

混合動力技術最早出現在汽車領域，經過十多年的發展，混合動力系統總成已從原來發動機與電機離散結構向發動機電機和變速器一體化結構發展。在車輛起步和加速時，借助電動馬達的輔助，可以大大降低油耗。將其用于發動機啟動上，可以在啟動瞬間產生輔助動力。因此，采用混合動力技術可以大大提高車輛燃油的經濟性和動力性。

在工程機械領域，傳統的節能技術研究遇到瓶頸時，應用在汽車上的混合動力技術引起了專家們高度重視，并逐漸被移植到液壓挖掘機。通過對混合動力挖掘機的節能可行性和動力性能的分析，有關專家認為混合動力技術在液壓挖擁機L的應用雖然是可行的，但采用何種混合動力結構和實現方案，將對混合動力的效果影響很火。

早在10年前，國外多家大型挖掘機研究所和制造商已經開展了一系列有關混合動力液壓挖掘機的研究，并在系統結構、控制策略、整機配置等方面取得了研究成果。2009年，我國科技部將“新型混合動力工程機械關鍵技術及系統”項目列入國家“863”計劃先進制造技術領域的重點項目。目前，國內由于相關技術落后，基丁混合動力設計方法研究液壓挖掘機的節能技術尚處于萌芽階段。2004年5月，小松研制出世界上第一臺混合動力液壓挖掘機。2006年，紐荷蘭與神戶制鋼聯合研制推出了7t混合動力液壓挖掘機。2009年5月，凱斯推出CX210B型混合動力挖掘機。2014年11月，在bauma China 2014展會上，小松推出了新一代HB205/215LC-1型混合動力挖捌機，山河智能展山了SWE350ES型混合動力挖掘機。

相關資料顯示，混合動力技術通過多動力源紺合，特性不同的各個動力源桐互彌補，實現了高效的整體工作特性，從而彌補了普通挖掘機由于負載的頻繁劇烈波動導致發動機工作點不穩定且燃油效率低的劣勢。一旦改善了發動機工作點不穩定的問題，排放指標將會得到提高。同時發動機的轉速相對穩定也減少了噪聲和自身抖動，改善了操作人員的操作環境。采用混合動力技術能夠增加電動機和動力電池組的能量轉換環節，提高整機燃油經濟性。混合動力挖掘機和傳統液壓挖掘機相比，雖然成本有所提高，但是節能效果卻是傳統液壓挖掘機無法比擬的。

4.技術趨勢

液壓挖掘機的節能控制，難以通過單一的液壓元件改造或控制方式的變化來實現，因此某些外國公司從綜合研究的角度出發，開發出一些新型的多功能多層次多途徑的全能型應用節能產品。例如日本小松公司的閉式負荷感應系統，卡特E240型挖掘機電液控制系統等。這些產品運用多種途徑在一定程度上降低了燃油消耗，有效地實現了整機節能。目前，我國工程機械企業如三一重工、徐州重工依舊不遺余力地采用各種節能技術對液壓挖掘機進行綜合的開發與探究。同時南京工業大學與三一重工也合作開展新型液壓挖掘機節能技術的研究。

隨著社會經濟和人類智慧的發展，以及科學技術更新換代的速度逐漸加快，越來越多的新興技術會被引入到工程機械領域。例如，計算機輔助設計通過人工智能、模糊控制、神經網絡和模擬控制等控制技術，可在很大程度上提高液壓挖掘機的工作效率。另外，還可以通過軟件開發來實現液壓挖掘機的自動行走和作業，以降低人工操作成本，減少安全問題，提高燃油利用率，從而達到節能的效果。

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