挖掘機勢能回收節能系統的研究綜述

彭婧 李勝利 李曉艷 李若冰 楊彩虹 師曉寧

摘 要： 針對挖掘機動臂下放時，大量勢能轉化為熱能損耗的問題，通過分析機械能、液壓能和電能三種不同的能量回收方式，確定系統節能的方案。用液壓馬達對下降的勢能進行了回收，同時通過串、并聯的混合動力方式，提高了發動機的燃油利用率。

關鍵詞： 挖掘機；勢能回收；燃油利用率

挖掘機是工程機械的一種主要類型，廣泛應用在工業與民用建筑、交通運輸等的機械化施工中。液壓挖掘機由于其用量大、能耗高、排放差，已成為人們普遍關注的焦點。因此，液壓挖掘機的能量損失己成為函待解決的問題[1]-[2]。

普通挖掘機在正常的工況下，15S之內完成一個工作循環，每個循環中動臂、斗桿、鏟斗等都有一次下降，其速度通過調節多路閥回油口的開度來控制，因此對這部分勢能進行回收可帶來非常可觀的節能效果。若不加以回收，在下降過程中產生的勢能除了小部分以動能的形式繼續存在外，其余大部分將以熱能的形式耗散。同時回轉機構的回轉運動比較頻繁，而且各運動部件慣性都比較大，減速制動時會釋放出大量的能量。這些熱量會帶來液壓系統的發熱問題，并對系統中的元器件形成一定程度的破壞[3]-[4]。因此研究挖掘機的能量回收問題對延長挖掘機的壽命、提高挖掘機能量的利用率具有重大意義。

1 能量回收的主要形式

在液壓系統中能量回收方式可分為機械能、液壓能和電能三種形式。

1.1機械能回收方式

機械能回收方式出現的較早，常用的有重力式、彈簧式和飛輪式。液壓驅動的升降式工作臺可采用重力式能量回收方式。該回路中兩液壓缸采用完全相同的規格，主缸驅動工作臺工作，其重量根據主缸的負載進行調節。當工作臺下降時，把工作臺的勢能傳遞給配重塊；工作臺上升時，配重塊勢能又傳遞給工作臺，回收的勢能降低了系統的供油壓力，節省了能量。液控單向閥防止在兩缸負載不匹配的情況下出現超速下滑的現象[5]。重力式能量回收裝置通常不適用在行走機械上，常見的有曲柄平衡式抽油機和部分液壓電梯。

彈簧的儲能能力差，長時間工作容易發生疲勞斷裂，很少用于能量回收，常用于減振、隔振等功能。飛輪式儲能基本工作原理是將回收能量轉換為飛輪高速旋轉的動能，當系統外負載增加需要動力增大時，高速旋轉的飛輪又將存儲的動能轉化為系統的動力。因此飛輪不適用于挖掘機的能量回收，通常用于改善柴油機、汽輪機的工作狀態。

1.2液壓能回收方式

常用的液壓能回收方式是回收的勢能以液壓能的形式儲存在蓄能器中。二次調節靜液傳動技術是近年來新發展起來的節能系統，工作于恒壓網絡的壓力耦聯系統，能在四個象限內工作，回收利用系統的重力勢能。在恒壓網絡中，通過調節二次元件（液壓泵/馬達）斜盤傾角來改變二次元件的排量以適應負載轉矩的變化。當二次元件工作于馬達工況時，向負載輸出功率；當二次元件工作于泵工況時，向系統回饋能量，從而實現能量的回收和利用。叉車負載升降的動作靠液壓系統實現，采用液壓恒壓網絡二次調節靜液傳動技術對負載勢能進行回收，構成新的液壓系統，原理圖如圖2所示。在負載下降過程中，液壓泵/馬達以馬達的狀態工作，將重力勢能轉化為液壓能，經過液壓變壓器調壓后被高壓蓄能器最大程度吸收。蓄能器在負載上升工況時提供輔助動力，協助實現動力源、液壓系統與負載間的功率匹配[7]。

1溢流閥 2低壓蓄能器 3液壓變壓器 4單作用液壓缸 5高壓蓄能器 6雙作用液壓缸 7電液伺服閥 8工控機 9二位三通換向閥 10變量液壓泵/馬達 11定量液壓泵 12濾油器

圖1 叉車勢能回收系統原理圖

采用二次調節靜液傳動技術進行勢能回收，這類解決方案適宜在叉車、立體車庫這類垂直提升機械中應用，對挖掘機這一工況復雜的工程機械來講不適用。

皮囊式蓄能器皮囊的充氣閥為單向閥的形式，，在液壓系統中屬于危險部件。因此液壓式能量回收在工況復雜的挖掘機上也不適用。

1.3電能回收方式

挖掘機的電能回收方式是把回收的能量通過發電機轉化為電能的一種能量回收方式，其中一種是回收的電能經處理后反饋給電網，另一種是回收的電能儲存在電池或電容等儲能元件中。

某些大型礦山液壓挖掘機采用固定的安裝方式，其動力來自于工業電網，工作時回收的重力勢能和慣性能以電網作為儲能場所，省去了儲能元件。這種能量回收方式由于受電網的限制，不適于行走式的挖掘機上使用。

近年來隨著電池和電容器技術的發展，以電池和電容器作為儲能元件的能量回收技術得到了廣泛的應用，尤其在電動汽車領域。針對工程機械高油耗和排放差的嚴峻現實，混合動力技術的發展是刻不容緩的。混合動力技術是指通過兩種不同動力源的聯合工作，使其充分發揮各自的優越性以提高能量的利用率，在挖掘機上常用的有油電混合動力和油液混合動力。浙江大學的張彥廷提出了用馬達回收并聯混合動力挖掘機動臂和斗桿勢能儲存在超級電容中的方案，系統原理圖如圖4所示[6]。在并聯混合動力的基礎上采用變量馬達能量回收可以獲得更好的節能效果，更低的排放和更低的發動機裝機功率。挖掘機運行環境惡劣，混合動力技術對各主要部件的設計、制造、安裝提出了更高的要求，同時動力源各部件之間存在協調控制問題。

圖2 變量馬達控制能量回收系統

2 總結

結合挖掘機工況復雜的這一工況，通過對機械能、液壓能、電能幾種能量回收方式的分析比較，確定采用電能回收方式對挖掘機動臂下降的勢能進行回收，選用具有快速充放電功能的超級電容作為儲能元件。對挖掘機動臂下降的勢能進行了回收利用，提高了發動機的燃油利用率，能較好的達到節能目的，對挖掘機的節能研究有指導意義■

參考文獻

[1] 同濟大學.單斗液壓挖掘機（第二版） [M].北京：中國建筑工業出版社，1986

[2] 任小青.液壓挖掘機節能技術的發展綜述[J].機床與液壓，2009，37（8）：248-250.

[3] 張樹忠，鄧斌，曹學鵬，李磊.挖掘機動臂流量再生與勢能回收節能系統研究[J].機械科學與技術，2010，29（7）：926-930.

[4] 張彥廷，王慶豐，肖清.混合動力液壓挖掘機液壓馬達能量回收的仿真及試驗[J].機械工程學報，2007，43（8）：218-223.

[5] 吳向東，安維勝.液壓系統的能量回收方法[J].液壓與氣動，2001，12：16-17.

[6] 張彥廷.基于混合動力與能量回收的液壓挖掘機節能研究[D].浙江大學博士學位論文，2006.