解析工程機械液壓節能技術的現狀及發展趨勢

姜曉峰（阜寧縣職教中心,江蘇　鹽城　224000　）

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解析工程機械液壓節能技術的現狀及發展趨勢

姜曉峰
（阜寧縣職教中心,江蘇鹽城224000）

摘 要：液壓系統作為一種能量轉換和控制方式，具有功率密度大、調節范圍廣、控制性好等優點，但也存在著能量損耗的問題。在提倡節能環保的今天，如何采取有效措施提高液壓系統的能源利用率，減少能量損耗是十分重要而現實的問題。本文將對工程機械液壓節能技術發展現狀及其未來發展趨勢進行相關討論。

關鍵詞：工程機械；液壓；節能

1　引言

液壓傳動系統是一種利用液體的壓力能完成能量傳遞、轉換或控制的傳動形式，該系統具有調速范圍廣、功率密度大、控制性能好以及易于實現自動化等多種優點，因此在冶金機械、工程機械、軍事工業等諸多領域得到了普遍應用。液壓系統在具有以上優點的同時，還存在著工作效率低和溫升高等問題，不僅對系統工作的穩定性造成了干擾，還造成了巨大的能源浪費，液壓系統節能問題已經引起了人們的廣泛關注。

2　工程機械液壓系統節能技術

工程機械是以內燃機為原動機的機械設備，該設備具有轉速范圍大、負載變化大的特點，因此在工作工程中能耗較高。在節能環保成為工程機械液壓系統發展方向的指引下，利用多項技術實現機械節能是當前的主要任務。液壓節能技術類型較多，各種方式并不相互獨立，而是具有一定的聯系，特殊情況下只有將多種節能技術綜合使用，才能取得良好的節能效果，使工程機械運行效率最高。

2.1變量泵控制節能技術

當工程機械施工空間受限時，可采用調節變量泵的排量、控制壓力感應、調節發動機功率等方法減少能源消耗。利用變量泵進行液壓節能優點較多，如操作方便、時效性強、節能效率高等，因此在工程機械中應用較為廣泛。變量泵主要三種類型，分別為排量控制、LS負載敏感控制以及LUDV控制。

2.1.1排量控制

排量控制是通過直接改變變量泵排量的方式，使控制壓力達到所需要的排量值，排量控制主要包括負流量控制和正流量控制兩種方式。

第一，負流量控制。負流量控制系統最初應用在挖掘機上，該系統可消除開中心六通多路閥工作時產生的旁路節流損失。相對于傳統的恒功率變量控制來說，負流量控制克服了泵總在最大流量、最大功率、最大壓力下工作的極端狀態，取得了十分明顯的節能效果。負流量系統的主控制閥的中位流量輸出端口是輸入信號采集點，這是系統中的旁通回路，當主控制閥動作引起節流口流量增加時，節流口前的壓力升高，活塞將閥芯推至左側，系統工作口更換為右端，這就使得泵出口的部分油液通過閥右端工作位進入變量活塞右腔內，活塞被動向左側移動，泵的輸出量將少。反之，若節流口流量壓力降低時，泵的排量會增大。節流口壓力信號位于主閥旁出口，因此只有當主控制閥動作時，泵的流量才會改變。

第二，正流量控制系統。正流量控制系統是以負流量控制技術為基礎發展起來的一項節能技術，該技術特點是操作手柄的先導壓力能對轉向閥和泵的排量進行調節和控制，該技術應用的典型代表是德國的RexrothA8V系列主泵及M8開中心系列主閥所組成的系統。正流量控制調節泵的壓力信號自先導閥發出，而泵與主控制閥的動作具有高度一致性，這就決定了正流量控制敏感性要優于負流量控制。另一方面，負流量控制系統中，節流口壓力信號壓力值為5～6 MPa，此壓力只用于產生負流量控制信號；而正流量系統中沒有此裝置，它的回油壓力僅為背壓(一般為0.5 MPa左右)，因此正流量控制比負流量控制節能。

2.1.2LS負荷敏感控制

LS負荷敏感控制可以把輸出壓力、流量以及負載的需求調節為一致的，以達到提高液壓系統工作效率的目的。但是該LS負荷敏感控制方式存在缺點，當液壓閥的開口過大時，或者是供油量沒有到達系統要求時，會嚴重影響負荷元件的運動速度，從而打破液壓系統的穩定，所以當工程機械的液壓系統的流量很大時不能應用LS負荷敏感控制方式進行液壓節能。

2.1.3LUDV控制

LUDV系統可以彌補LS負荷敏感控制存在的不足，該系統是單泵單回路系統，區別于其他的負載傳感系統，LUDV系統是在節流閥的后面設置了壓力補償閥。負載壓力信號決定了該系統中梭閥的極限壓力。所以LUDV系統在負載變化不大的機械中應用較多，如小型裝載機和小型挖掘機。

2.2混合動力節能技術

液壓挖掘機動力系統工作效率較低，系統與負載的匹配度較差，存在燃油消耗高、排放差的問題。為解決這些問題，國外各工程機械生產商提出了利用混合動力液壓挖掘機。油電混合是借助蓄電池、超級電容等儲能元件，在小負載工況下由柴油機驅動發電機向儲能元件蓄能，在大負載工況下再將儲存的能量釋放出來驅動電機，作為輔助動力與柴油機一起滿足峰值負載功率的要求，或者用電機直接驅動液壓系統，實現柴油機輸出功率和扭矩的均衡控制。典型代表如：小松HB205－1混合動力液壓挖掘機，顯著降低油耗及二氧化碳排放；卡特彼勒336E型混合動力挖掘機，油耗比標準機型降低了達25%，噪聲也降低到65.2dB；6120BH型混合動力挖掘機使用了液壓－電氣再生和獨特的能量存儲系統，降低大約25%燃油消耗。油電混合可使內燃機工作點始終位于經濟工作區，且可利用電機控制技術，對每一個液壓缸都采用閉式傳動控制，從而取消了多路閥控制，消除了閥內節流損失，同時可以對回轉動能、工作裝置重力勢能等進行回收。但其具有能量轉換環節多、損失較大、系統復雜、技術要求高、制造成本大等缺點，從而制約了混合動力技術在工程機械上的廣泛應用。

2.3電液比例閥控制節能技術

在工程機械液壓系統中應用電液比例閥可以簡化液壓信號的傳遞管道，從而應用電信號傳遞液壓數據，縮短響應時間，更有利于工程機械的操作。目前計算機技術有了很大進步，可以將計算機與液壓系統相結合，實現電液控制智能化，應用計算機技術可以實時監控液壓油壓和柴油機轉速等參數，通過具體數據對工程機械進行相應的動力調整，保證液壓系統時刻工作在高效、節能的狀態，避免能量浪費。所以，應用計算機技術，發展電液比例控制智能化是未來主要發展趨勢。

2.4多路閥組合節能技術

多路閥作為工程機械液壓系統的核心控制元件，其改進和研究工作一直備受關注。國內外眾多學者在現有結構和技術上對其進行不斷的改進，取得了較為理想的成果。

2.4.1國外研究進展

德國Linde公司對閥體流道的制作工藝進行了新的嘗試，先利用激光對數片金屬薄板進行切割，然后將切割好的薄板進行組合組合形成流道，該制作方式不同于傳統的鑄造工藝，極大的降低了流體阻力；韓國斗山重工開發了一套閥口面積計算軟件，軟件能通過一系列參數對挖掘機多路閥的主閥閥門面積進行自動化調節控制，有效減小了壓降和流量損失，使能量利用率提高了16%；整體式多路閥的內部流道結構復雜，鑄造難度大、產品成功率低且流阻大，在未來的發展中多路閥可能會向分片式結構回歸，即將各換向閥片分開，直接安裝在各自執行元件上，將管路引至各閥。這樣可以降低閥體鑄造難度、減小流阻損失，達到更加可靠、節能、高效的目的。

2.4.2國內研究進展

近年來，蘭州理工大學針對工程機械液壓系統減振和主控制閥開展了連續的研究工作。研發人員提出新的滑閥節流槽閥口面積計算方法，閥口流量系數隨閥口形狀、閥口開度、流動方向不同存在明顯地規律性變化，在主控制閥上采用了非對稱的進出閥口面積曲線、閥口異步關閉、多級加（減）速、變面積梯度、導閥正開口、背壓制動等方法有效解決了轉向系統的振動問題。

3　工程機械液壓節能技術發展趨勢

工程機械液壓節能的核心技術是進行有效的功率匹配，必須要進行全方位的功率匹配而不是只對局部進行功率匹配，才能從根本上實現液壓系統節能。在傳統的功率匹配中，只是對局部的功率進行了匹配但是沒有綜合考慮整體功率情況，局部功率匹配是控制變量泵的排量實現了泵與負載的匹配，控制泵的排量對發動機和泵進行功率匹配，這樣就出現了相互干擾的現象，不能行之有效的達到節能的目的，必須要全面掌控，確保液壓系統高效狀態下運行。工程機械的主要液壓節能方式是變量泵節能和負載敏感系統控制節能兩會總方式，可以通過負載敏感系統中的泵隨發在壓力的變化情況對泵和負載進行功率匹配，然后在該功率的前提下對發動機功率進行匹配最后調節發動機的油門，確保發動機在運行過程中始終保持在最佳的工作位置，從而實現全方位的功率匹配達到最佳的節能狀態。

4　總結

液壓系統是工程機械、冶金機械等領域常用的能量傳動和控制設備，在能量傳輸過程中不可避免的會產生能量損耗。雖然能量損失不可避免，但在先進技術的帶動下可將其進行有效降低，最大限度的提升能源利用率，促進我國經濟的健康發展。

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DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.101