解析工程机械液压节能技术的现状及发展趋势

2016-01-04姜晓峰阜宁县职教中心江苏盐城224000

山东工业技术 2016年1期

姜晓峰（阜宁县职教中心,江苏　盐城　224000　）

姜晓峰
（阜宁县职教中心,江苏盐城224000）

摘要：液压系统作为一种能量转换和控制方式，具有功率密度大、调节范围广、控制性好等优点，但也存在着能量损耗的问题。在提倡节能环保的今天，如何采取有效措施提高液压系统的能源利用率，减少能量损耗是十分重要而现实的问题。本文将对工程机械液压节能技术发展现状及其未来发展趋势进行相关讨论。

关键词：工程机械；液压；节能

1　引言

液压传动系统是一种利用液体的压力能完成能量传递、转换或控制的传动形式，该系统具有调速范围广、功率密度大、控制性能好以及易于实现自动化等多种优点，因此在冶金机械、工程机械、军事工业等诸多领域得到了普遍应用。液压系统在具有以上优点的同时，还存在着工作效率低和温升高等问题，不仅对系统工作的稳定性造成了干扰，还造成了巨大的能源浪费，液压系统节能问题已经引起了人们的广泛关注。

2　工程机械液压系统节能技术

工程机械是以内燃机为原动机的机械设备，该设备具有转速范围大、负载变化大的特点，因此在工作工程中能耗较高。在节能环保成为工程机械液压系统发展方向的指引下，利用多项技术实现机械节能是当前的主要任务。液压节能技术类型较多，各种方式并不相互独立，而是具有一定的联系，特殊情况下只有将多种节能技术综合使用，才能取得良好的节能效果，使工程机械运行效率最高。

2.1变量泵控制节能技术

当工程机械施工空间受限时，可采用调节变量泵的排量、控制压力感应、调节发动机功率等方法减少能源消耗。利用变量泵进行液压节能优点较多，如操作方便、时效性强、节能效率高等，因此在工程机械中应用较为广泛。变量泵主要三种类型，分别为排量控制、LS负载敏感控制以及LUDV控制。

2.1.1排量控制

排量控制是通过直接改变变量泵排量的方式，使控制压力达到所需要的排量值，排量控制主要包括负流量控制和正流量控制两种方式。

第一，负流量控制。负流量控制系统最初应用在挖掘机上，该系统可消除开中心六通多路阀工作时产生的旁路节流损失。相对于传统的恒功率变量控制来说，负流量控制克服了泵总在最大流量、最大功率、最大压力下工作的极端状态，取得了十分明显的节能效果。负流量系统的主控制阀的中位流量输出端口是输入信号采集点，这是系统中的旁通回路，当主控制阀动作引起节流口流量增加时，节流口前的压力升高，活塞将阀芯推至左侧，系统工作口更换为右端，这就使得泵出口的部分油液通过阀右端工作位进入变量活塞右腔内，活塞被动向左侧移动，泵的输出量将少。反之，若节流口流量压力降低时，泵的排量会增大。节流口压力信号位于主阀旁出口，因此只有当主控制阀动作时，泵的流量才会改变。

第二，正流量控制系统。正流量控制系统是以负流量控制技术为基础发展起来的一项节能技术，该技术特点是操作手柄的先导压力能对转向阀和泵的排量进行调节和控制，该技术应用的典型代表是德国的RexrothA8V系列主泵及M8开中心系列主阀所组成的系统。正流量控制调节泵的压力信号自先导阀发出，而泵与主控制阀的动作具有高度一致性，这就决定了正流量控制敏感性要优于负流量控制。另一方面，负流量控制系统中，节流口压力信号压力值为5～6 MPa，此压力只用于产生负流量控制信号；而正流量系统中没有此装置，它的回油压力仅为背压(一般为0.5 MPa左右)，因此正流量控制比负流量控制节能。

2.1.2LS负荷敏感控制

LS负荷敏感控制可以把输出压力、流量以及负载的需求调节为一致的，以达到提高液压系统工作效率的目的。但是该LS负荷敏感控制方式存在缺点，当液压阀的开口过大时，或者是供油量没有到达系统要求时，会严重影响负荷元件的运动速度，从而打破液压系统的稳定，所以当工程机械的液压系统的流量很大时不能应用LS负荷敏感控制方式进行液压节能。

2.1.3LUDV控制

LUDV系统可以弥补LS负荷敏感控制存在的不足，该系统是单泵单回路系统，区别于其他的负载传感系统，LUDV系统是在节流阀的后面设置了压力补偿阀。负载压力信号决定了该系统中梭阀的极限压力。所以LUDV系统在负载变化不大的机械中应用较多，如小型装载机和小型挖掘机。

2.2混合动力节能技术

液压挖掘机动力系统工作效率较低，系统与负载的匹配度较差，存在燃油消耗高、排放差的问题。为解决这些问题，国外各工程机械生产商提出了利用混合动力液压挖掘机。油电混合是借助蓄电池、超级电容等储能元件，在小负载工况下由柴油机驱动发电机向储能元件蓄能，在大负载工况下再将储存的能量释放出来驱动电机，作为辅助动力与柴油机一起满足峰值负载功率的要求，或者用电机直接驱动液压系统，实现柴油机输出功率和扭矩的均衡控制。典型代表如：小松HB205－1混合动力液压挖掘机，显著降低油耗及二氧化碳排放；卡特彼勒336E型混合动力挖掘机，油耗比标准机型降低了达25%，噪声也降低到65.2dB；6120BH型混合动力挖掘机使用了液压－电气再生和独特的能量存储系统，降低大约25%燃油消耗。油电混合可使内燃机工作点始终位于经济工作区，且可利用电机控制技术，对每一个液压缸都采用闭式传动控制，从而取消了多路阀控制，消除了阀内节流损失，同时可以对回转动能、工作装置重力势能等进行回收。但其具有能量转换环节多、损失较大、系统复杂、技术要求高、制造成本大等缺点，从而制约了混合动力技术在工程机械上的广泛应用。

2.3电液比例阀控制节能技术

在工程机械液压系统中应用电液比例阀可以简化液压信号的传递管道，从而应用电信号传递液压数据，缩短响应时间，更有利于工程机械的操作。目前计算机技术有了很大进步，可以将计算机与液压系统相结合，实现电液控制智能化，应用计算机技术可以实时监控液压油压和柴油机转速等参数，通过具体数据对工程机械进行相应的动力调整，保证液压系统时刻工作在高效、节能的状态，避免能量浪费。所以，应用计算机技术，发展电液比例控制智能化是未来主要发展趋势。

2.4多路阀组合节能技术

多路阀作为工程机械液压系统的核心控制元件，其改进和研究工作一直备受关注。国内外众多学者在现有结构和技术上对其进行不断的改进，取得了较为理想的成果。

2.4.1国外研究进展

德国Linde公司对阀体流道的制作工艺进行了新的尝试，先利用激光对数片金属薄板进行切割，然后将切割好的薄板进行组合组合形成流道，该制作方式不同于传统的铸造工艺，极大的降低了流体阻力；韩国斗山重工开发了一套阀口面积计算软件，软件能通过一系列参数对挖掘机多路阀的主阀阀门面积进行自动化调节控制，有效减小了压降和流量损失，使能量利用率提高了16%；整体式多路阀的内部流道结构复杂，铸造难度大、产品成功率低且流阻大，在未来的发展中多路阀可能会向分片式结构回归，即将各换向阀片分开，直接安装在各自执行元件上，将管路引至各阀。这样可以降低阀体铸造难度、减小流阻损失，达到更加可靠、节能、高效的目的。

2.4.2国内研究进展

近年来，兰州理工大学针对工程机械液压系统减振和主控制阀开展了连续的研究工作。研发人员提出新的滑阀节流槽阀口面积计算方法，阀口流量系数随阀口形状、阀口开度、流动方向不同存在明显地规律性变化，在主控制阀上采用了非对称的进出阀口面积曲线、阀口异步关闭、多级加（减）速、变面积梯度、导阀正开口、背压制动等方法有效解决了转向系统的振动问题。

3　工程机械液压节能技术发展趋势

工程机械液压节能的核心技术是进行有效的功率匹配，必须要进行全方位的功率匹配而不是只对局部进行功率匹配，才能从根本上实现液压系统节能。在传统的功率匹配中，只是对局部的功率进行了匹配但是没有综合考虑整体功率情况，局部功率匹配是控制变量泵的排量实现了泵与负载的匹配，控制泵的排量对发动机和泵进行功率匹配，这样就出现了相互干扰的现象，不能行之有效的达到节能的目的，必须要全面掌控，确保液压系统高效状态下运行。工程机械的主要液压节能方式是变量泵节能和负载敏感系统控制节能两会总方式，可以通过负载敏感系统中的泵随发在压力的变化情况对泵和负载进行功率匹配，然后在该功率的前提下对发动机功率进行匹配最后调节发动机的油门，确保发动机在运行过程中始终保持在最佳的工作位置，从而实现全方位的功率匹配达到最佳的节能状态。