液压挖掘机动臂势能回收专利技术综述

户秀妹+韩兰兰

摘 要：液压挖掘机在工作过程中，动臂需要频繁举升和下降，并且由于动臂在下降过程中存在着很大的重力势能，而大部分重力势能都消耗在多路阀的阀口上，转化为热能，引起了系统的温度升高并造成了资源的浪费。本文对液压挖掘机动臂势能回收领域的专利申请进行分析，从中国、国外的专利申请量、申请人的分布等多方面统计分析，阐述了动臂势能回收领域专利申请发展趋势，追踪了动臂势能回收领域的发展脉络，重点针对蓄能器、再生流量阀、混合动力技术这三大回收方式进行研究，对其发展脉络进行了梳理。针对国外重要申请人进行分析，同时通过实际案例介绍了专利技术综述在审查实践中的应用。

关键词：挖掘机；液压系统；节能；动臂；势能；回收；再生阀；油液混合动力；油电混合动力

中图分类号：TU712 文献标志码：A

1 概述

目前，液压挖掘机是液压系统领域应用最广泛的机械设备，在各种基础建设中起着相当重要的作用。随着科技的不断发展，近年来，国内液压挖掘机的数量迅速增长。然而快速增长的液压挖掘机数量势必会带来一系列的能源消耗、环境污染等问题。因此，提高液压挖掘机的能源有效利用率成成企业发展的趋势。通过大量研究表明：传统的液压挖掘机中，发动机仅有20%的输出功率转变为挖掘机的有效功率。随着能源匮乏和环境污染的日益加重，能源的有效利用率成为评价挖掘机是否先进的重要标准之一。因此，液压挖掘机的能源有效利用率逐渐引起人们的关注，成为液压挖掘机企业发展与进步的趋势。

2 动臂势能回收技术专利分析

考虑到本文所分析主题的特点，主要采用以了分类号为主，关键词为辅的检索方式，国际专利分类表中分类号F15B21/14是关于能量回收装置的分类，F15B1/00是关于蓄能器的分类，E02F9/22是关于挖掘机液压控制系统的分类，另外在外文库中使用更为细分的FT、FI和EC等分类号进行检索。

动臂势能回收技术是一项在中国起步较晚的技术，其申请在2000年以后才逐步开始，其专利申请量总体上呈逐年上升趋势，且可以划分为以下3个阶段：技术起步期（2002-2005）、初步发展（2005-2011）和迅速发展期（2011-2015）。在技术起步初期，主要是以国外申请为主，国内液压挖掘机技术尚处于发展初期；在初步发展期，专利申请量较起步其已有了明显增长，但尚无大量申请；到了迅速发展期，专利申请量有了质的飞跃，这与科技的迅速发展与市场需求是紧密相关的。

在动臂势能回收领域，目前国内主要申请人以大公司和高校/研究院所为主，个人申请相对较少。实际上，由于相较日本、美国等液压技术较为先进的国家，动臂势能回收技术在国内起步较晚，并且很多技术尚在研发阶段，因而研发主力主要集中于大公司和高校/研究院所。

国外申请人主要集中在日本、美国和德国等液压技术较为发达的国家，其中日本独占鳌头，申请量占到总申请量的将近75%。由于日本的矿产资源较为匮乏，因此日本人的节能环保意识较强，这一点也体现了液压系统的能量回收这一技术的发展上。并且主要集中在日立建机（HITT）、卡特比勒（CATE）和小松制作所（KOMS）等挖掘机技术较先进的公司。

3 动臂势能回收技术的发展概况

目前，对液压挖掘机动臂势能回收方案主要有使用蓄能器、流量再生和混合动力3种方案。

在早期的申请中主要是以蓄能器作为能量回收的储能元件，蓄能器的作用主要是储存系统液压油的压力能，在动臂势能回收技术中主要是在动臂液压缸回油油路上设置蓄能器。例如文獻（JPS5337283A）公开了一种油压回路，其在动臂液压缸回油油路上设置蓄能器，将动臂下降时的势能储存在蓄能器中，当动臂上升时再将储存在蓄能器中的压力能释放出来。即简单地将蓄能器设置在液压缸的回路上，而这种仅仅使用蓄能器进行势能回收的专利申请大量存在与早期申请中，而其申请量相比其他两种方式正在逐渐减小。

使用流量再生阀进行能量回收主要是在动臂液压缸回油油路上增加了流量再生阀，将一部分回油油液引回进油回路上，提高系统的工作效率。但是这种方案是基于节流调速技术，仍然存在着节流损失。再生阀是目前在大型挖掘机上普遍采用的一种能量回收装置。

混合动力技术按储能元件类型可分为油电混合动力和油液混合动力，其中油电混合动力采用蓄电池或超级电容作为储能元件，而油液混合动力技术主要是利用液压蓄能器作为储能元件。

油电混合动力技术一般是在动臂液压缸回油油路上串联液压马达，该液压马达与发电机同轴相联，通过液压马达驱动发电机将动臂的重力势能转化成电能存储到蓄电池或超级电容中，或者是待动臂再次上升时，这部分电能驱动电动机做功，与发动机一起驱动液压泵工作，将电能转化为液压能。如文献（JP2010216189A）公开了一种油电混合动力，液压缸下降时的重力势能带动液压马达旋转进而带动发电机发电，蓄电装置将电能储存在其中，待动臂再次上升时，这部分电能驱动电动机做功，与发动机一起驱动液压泵工作，将电能转化为液压能。从中可以看出，能量回收经过了液压马达、发电机、蓄电池或超级电容、电动机等元件，能量转换的环节复杂，每个环节都会有能量损失。所以，油电混合动力技术成本高、能量回收效率低，并且蓄电池或超级电容存在功率密度低，价格昂贵的缺点。

油液混合动力一般在动臂液压缸回油油路上串联蓄能器和液压马达，将动臂下降的重力势能储存在蓄能器中，待动臂再次上升时，这部分势能驱动马达，马达带动液压泵旋转作为辅助油源。如文献（CN103671365A）公开了一种油液混合动力，当动臂下降时，储存在液压缸无杆腔中的液压能通过升压设备暂时储存在蓄能器中，液压油的压力得到增强。当动臂上升时，储存在蓄能器中的压力油通过单向阀进入到液压缸的无杆腔，动臂的势能得到了循环利用。并可看出，其转换环节较少，能量损失较少。因此，油液混合动力技术是目前能量回收研究的重点，越来越受到各大公司和相关科研机构的重视，并逐渐成为未来能量回收的研究方向。

结语

当前，混合动力技术作为一种新兴的技术，在液压挖掘机领域也得到了很大的发展，使用混合动力的液压挖掘机已经受到全球各大重型工业厂商以及高校科研机构的关注，并逐渐开展该方面的研究。一些液压挖掘机技术较先进的企业已经生产出了小批量的样机，而且推向市场并取得了良好的反响。当混合动力技术日臻成熟，混合动力挖掘机发展规模日趋增大，当其大量投放市场时，因为其动力系统自身装备的蓄能装置及能量转换装置，其为液压挖掘机机动臂势能回收提供了有利的发展条件。因此，为提高液压挖掘机的能量有效利用率，降低液压系统的能量损失，有必要研究采用混合动力的液压挖掘机及其中的能量回收方法。

展望未来，由于科技的不断进步，一些新兴技术也得到了快速发展，比如微电子技术、传感控制技术、计算机技术和通信技术等，这些技术与节约能源的理念相融合，将大大地提高液压系统的能源有效利用率，制造出对环境更为友好的产品。

参考文献

[1]裴磊，等.混合动力挖掘机动臂势能回收系统[J].机床与液压，2009（3）：64-67.

[2]林潇，等.混合动力液压挖掘机动臂势能回收系统[J].农业机械学报，2009（4）：96-102.endprint