液壓挖掘機動臂勢能回收專利技術(shù)綜述

戶秀妹+韓蘭蘭

摘 要：液壓挖掘機在工作過程中，動臂需要頻繁舉升和下降，并且由于動臂在下降過程中存在著很大的重力勢能，而大部分重力勢能都消耗在多路閥的閥口上，轉(zhuǎn)化為熱能，引起了系統(tǒng)的溫度升高并造成了資源的浪費。本文對液壓挖掘機動臂勢能回收領(lǐng)域的專利申請進行分析，從中國、國外的專利申請量、申請人的分布等多方面統(tǒng)計分析，闡述了動臂勢能回收領(lǐng)域?qū)＠暾埌l(fā)展趨勢，追蹤了動臂勢能回收領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)，重點針對蓄能器、再生流量閥、混合動力技術(shù)這三大回收方式進行研究，對其發(fā)展脈絡(luò)進行了梳理。針對國外重要申請人進行分析，同時通過實際案例介紹了專利技術(shù)綜述在審查實踐中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：挖掘機；液壓系統(tǒng)；節(jié)能；動臂；勢能；回收；再生閥；油液混合動力；油電混合動力

中圖分類號：TU712 文獻標志碼：A

1 概述

目前，液壓挖掘機是液壓系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的機械設(shè)備，在各種基礎(chǔ)建設(shè)中起著相當重要的作用。隨著科技的不斷發(fā)展，近年來，國內(nèi)液壓挖掘機的數(shù)量迅速增長。然而快速增長的液壓挖掘機數(shù)量勢必會帶來一系列的能源消耗、環(huán)境污染等問題。因此，提高液壓挖掘機的能源有效利用率成成企業(yè)發(fā)展的趨勢。通過大量研究表明：傳統(tǒng)的液壓挖掘機中，發(fā)動機僅有20%的輸出功率轉(zhuǎn)變?yōu)橥诰驒C的有效功率。隨著能源匱乏和環(huán)境污染的日益加重，能源的有效利用率成為評價挖掘機是否先進的重要標準之一。因此，液壓挖掘機的能源有效利用率逐漸引起人們的關(guān)注，成為液壓挖掘機企業(yè)發(fā)展與進步的趨勢。

2 動臂勢能回收技術(shù)專利分析

考慮到本文所分析主題的特點，主要采用以了分類號為主，關(guān)鍵詞為輔的檢索方式，國際專利分類表中分類號F15B21/14是關(guān)于能量回收裝置的分類，F(xiàn)15B1/00是關(guān)于蓄能器的分類，E02F9/22是關(guān)于挖掘機液壓控制系統(tǒng)的分類，另外在外文庫中使用更為細分的FT、FI和EC等分類號進行檢索。

動臂勢能回收技術(shù)是一項在中國起步較晚的技術(shù)，其申請在2000年以后才逐步開始，其專利申請量總體上呈逐年上升趨勢，且可以劃分為以下3個階段：技術(shù)起步期（2002-2005）、初步發(fā)展（2005-2011）和迅速發(fā)展期（2011-2015）。在技術(shù)起步初期，主要是以國外申請為主，國內(nèi)液壓挖掘機技術(shù)尚處于發(fā)展初期；在初步發(fā)展期，專利申請量較起步其已有了明顯增長，但尚無大量申請；到了迅速發(fā)展期，專利申請量有了質(zhì)的飛躍，這與科技的迅速發(fā)展與市場需求是緊密相關(guān)的。

在動臂勢能回收領(lǐng)域，目前國內(nèi)主要申請人以大公司和高校/研究院所為主，個人申請相對較少。實際上，由于相較日本、美國等液壓技術(shù)較為先進的國家，動臂勢能回收技術(shù)在國內(nèi)起步較晚，并且很多技術(shù)尚在研發(fā)階段，因而研發(fā)主力主要集中于大公司和高校/研究院所。

國外申請人主要集中在日本、美國和德國等液壓技術(shù)較為發(fā)達的國家，其中日本獨占鰲頭，申請量占到總申請量的將近75%。由于日本的礦產(chǎn)資源較為匱乏，因此日本人的節(jié)能環(huán)保意識較強，這一點也體現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的能量回收這一技術(shù)的發(fā)展上。并且主要集中在日立建機（HITT）、卡特比勒（CATE）和小松制作所（KOMS）等挖掘機技術(shù)較先進的公司。

3 動臂勢能回收技術(shù)的發(fā)展概況

目前，對液壓挖掘機動臂勢能回收方案主要有使用蓄能器、流量再生和混合動力3種方案。

在早期的申請中主要是以蓄能器作為能量回收的儲能元件，蓄能器的作用主要是儲存系統(tǒng)液壓油的壓力能，在動臂勢能回收技術(shù)中主要是在動臂液壓缸回油油路上設(shè)置蓄能器。例如文獻（JPS5337283A）公開了一種油壓回路，其在動臂液壓缸回油油路上設(shè)置蓄能器，將動臂下降時的勢能儲存在蓄能器中，當動臂上升時再將儲存在蓄能器中的壓力能釋放出來。即簡單地將蓄能器設(shè)置在液壓缸的回路上，而這種僅僅使用蓄能器進行勢能回收的專利申請大量存在與早期申請中，而其申請量相比其他兩種方式正在逐漸減小。

使用流量再生閥進行能量回收主要是在動臂液壓缸回油油路上增加了流量再生閥，將一部分回油油液引回進油回路上，提高系統(tǒng)的工作效率。但是這種方案是基于節(jié)流調(diào)速技術(shù)，仍然存在著節(jié)流損失。再生閥是目前在大型挖掘機上普遍采用的一種能量回收裝置。

混合動力技術(shù)按儲能元件類型可分為油電混合動力和油液混合動力，其中油電混合動力采用蓄電池或超級電容作為儲能元件，而油液混合動力技術(shù)主要是利用液壓蓄能器作為儲能元件。

油電混合動力技術(shù)一般是在動臂液壓缸回油油路上串聯(lián)液壓馬達，該液壓馬達與發(fā)電機同軸相聯(lián)，通過液壓馬達驅(qū)動發(fā)電機將動臂的重力勢能轉(zhuǎn)化成電能存儲到蓄電池或超級電容中，或者是待動臂再次上升時，這部分電能驅(qū)動電動機做功，與發(fā)動機一起驅(qū)動液壓泵工作，將電能轉(zhuǎn)化為液壓能。如文獻（JP2010216189A）公開了一種油電混合動力，液壓缸下降時的重力勢能帶動液壓馬達旋轉(zhuǎn)進而帶動發(fā)電機發(fā)電，蓄電裝置將電能儲存在其中，待動臂再次上升時，這部分電能驅(qū)動電動機做功，與發(fā)動機一起驅(qū)動液壓泵工作，將電能轉(zhuǎn)化為液壓能。從中可以看出，能量回收經(jīng)過了液壓馬達、發(fā)電機、蓄電池或超級電容、電動機等元件，能量轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)復(fù)雜，每個環(huán)節(jié)都會有能量損失。所以，油電混合動力技術(shù)成本高、能量回收效率低，并且蓄電池或超級電容存在功率密度低，價格昂貴的缺點。

油液混合動力一般在動臂液壓缸回油油路上串聯(lián)蓄能器和液壓馬達，將動臂下降的重力勢能儲存在蓄能器中，待動臂再次上升時，這部分勢能驅(qū)動馬達，馬達帶動液壓泵旋轉(zhuǎn)作為輔助油源。如文獻（CN103671365A）公開了一種油液混合動力，當動臂下降時，儲存在液壓缸無桿腔中的液壓能通過升壓設(shè)備暫時儲存在蓄能器中，液壓油的壓力得到增強。當動臂上升時，儲存在蓄能器中的壓力油通過單向閥進入到液壓缸的無桿腔，動臂的勢能得到了循環(huán)利用。并可看出，其轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較少，能量損失較少。因此，油液混合動力技術(shù)是目前能量回收研究的重點，越來越受到各大公司和相關(guān)科研機構(gòu)的重視，并逐漸成為未來能量回收的研究方向。

結(jié)語

當前，混合動力技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，在液壓挖掘機領(lǐng)域也得到了很大的發(fā)展，使用混合動力的液壓挖掘機已經(jīng)受到全球各大重型工業(yè)廠商以及高?？蒲袡C構(gòu)的關(guān)注，并逐漸開展該方面的研究。一些液壓挖掘機技術(shù)較先進的企業(yè)已經(jīng)生產(chǎn)出了小批量的樣機，而且推向市場并取得了良好的反響。當混合動力技術(shù)日臻成熟，混合動力挖掘機發(fā)展規(guī)模日趨增大，當其大量投放市場時，因為其動力系統(tǒng)自身裝備的蓄能裝置及能量轉(zhuǎn)換裝置，其為液壓挖掘機機動臂勢能回收提供了有利的發(fā)展條件。因此，為提高液壓挖掘機的能量有效利用率，降低液壓系統(tǒng)的能量損失，有必要研究采用混合動力的液壓挖掘機及其中的能量回收方法。

展望未來，由于科技的不斷進步，一些新興技術(shù)也得到了快速發(fā)展，比如微電子技術(shù)、傳感控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)等，這些技術(shù)與節(jié)約能源的理念相融合，將大大地提高液壓系統(tǒng)的能源有效利用率，制造出對環(huán)境更為友好的產(chǎn)品。

參考文獻

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