挖掘机势能回收节能系统的研究综述

彭婧 李胜利 李晓艳 李若冰 杨彩虹 师晓宁

摘 要： 针对挖掘机动臂下放时，大量势能转化为热能损耗的问题，通过分析机械能、液压能和电能三种不同的能量回收方式，确定系统节能的方案。用液压马达对下降的势能进行了回收，同时通过串、并联的混合动力方式，提高了发动机的燃油利用率。

关键词： 挖掘机；势能回收；燃油利用率

挖掘机是工程机械的一种主要类型，广泛应用在工业与民用建筑、交通运输等的机械化施工中。液压挖掘机由于其用量大、能耗高、排放差，已成为人们普遍关注的焦点。因此，液压挖掘机的能量损失己成为函待解决的问题[1]-[2]。

普通挖掘机在正常的工况下，15S之内完成一个工作循环，每个循环中动臂、斗杆、铲斗等都有一次下降，其速度通过调节多路阀回油口的开度来控制，因此对这部分势能进行回收可带来非常可观的节能效果。若不加以回收，在下降过程中产生的势能除了小部分以动能的形式继续存在外，其余大部分将以热能的形式耗散。同时回转机构的回转运动比较频繁，而且各运动部件惯性都比较大，减速制动时会释放出大量的能量。这些热量会带来液压系统的发热问题，并对系统中的元器件形成一定程度的破坏[3]-[4]。因此研究挖掘机的能量回收问题对延长挖掘机的寿命、提高挖掘机能量的利用率具有重大意义。

1 能量回收的主要形式

在液压系统中能量回收方式可分为机械能、液压能和电能三种形式。

1.1机械能回收方式

机械能回收方式出现的较早，常用的有重力式、弹簧式和飞轮式。液压驱动的升降式工作台可采用重力式能量回收方式。该回路中两液压缸采用完全相同的规格，主缸驱动工作台工作，其重量根据主缸的负载进行调节。当工作台下降时，把工作台的势能传递给配重块；工作台上升时，配重块势能又传递给工作台，回收的势能降低了系统的供油压力，节省了能量。液控单向阀防止在两缸负载不匹配的情况下出现超速下滑的现象[5]。重力式能量回收装置通常不适用在行走机械上，常见的有曲柄平衡式抽油机和部分液压电梯。

弹簧的储能能力差，长时间工作容易发生疲劳断裂，很少用于能量回收，常用于减振、隔振等功能。飞轮式储能基本工作原理是将回收能量转换为飞轮高速旋转的动能，当系统外负载增加需要动力增大时，高速旋转的飞轮又将存储的动能转化为系统的动力。因此飞轮不适用于挖掘机的能量回收，通常用于改善柴油机、汽轮机的工作状态。

1.2液压能回收方式

常用的液压能回收方式是回收的势能以液压能的形式储存在蓄能器中。二次调节静液传动技术是近年来新发展起来的节能系统，工作于恒压网络的压力耦联系统，能在四个象限内工作，回收利用系统的重力势能。在恒压网络中，通过调节二次元件（液压泵/马达）斜盘倾角来改变二次元件的排量以适应负载转矩的变化。当二次元件工作于马达工况时，向负载输出功率；当二次元件工作于泵工况时，向系统回馈能量，从而实现能量的回收和利用。叉车负载升降的动作靠液压系统实现，采用液压恒压网络二次调节静液传动技术对负载势能进行回收，构成新的液压系统，原理图如图2所示。在负载下降过程中，液压泵/马达以马达的状态工作，将重力势能转化为液压能，经过液压变压器调压后被高压蓄能器最大程度吸收。蓄能器在负载上升工况时提供辅助动力，协助实现动力源、液压系统与负载间的功率匹配[7]。

1溢流阀 2低压蓄能器 3液压变压器 4单作用液压缸 5高压蓄能器 6双作用液压缸 7电液伺服阀 8工控机 9二位三通换向阀 10变量液压泵/马达 11定量液压泵 12滤油器

图1 叉车势能回收系统原理图

采用二次调节静液传动技术进行势能回收，这类解决方案适宜在叉车、立体车库这类垂直提升机械中应用，对挖掘机这一工况复杂的工程机械来讲不适用。

皮囊式蓄能器皮囊的充气阀为单向阀的形式，，在液压系统中属于危险部件。因此液压式能量回收在工况复杂的挖掘机上也不适用。

1.3电能回收方式

挖掘机的电能回收方式是把回收的能量通过发电机转化为电能的一种能量回收方式，其中一种是回收的电能经处理后反馈给电网，另一种是回收的电能储存在电池或电容等储能元件中。

某些大型矿山液压挖掘机采用固定的安装方式，其动力来自于工业电网，工作时回收的重力势能和惯性能以电网作为储能场所，省去了储能元件。这种能量回收方式由于受电网的限制，不适于行走式的挖掘机上使用。

近年来随着电池和电容器技术的发展，以电池和电容器作为储能元件的能量回收技术得到了广泛的应用，尤其在电动汽车领域。针对工程机械高油耗和排放差的严峻现实，混合动力技术的发展是刻不容缓的。混合动力技术是指通过两种不同动力源的联合工作，使其充分发挥各自的优越性以提高能量的利用率，在挖掘机上常用的有油电混合动力和油液混合动力。浙江大学的张彦廷提出了用马达回收并聯混合动力挖掘机动臂和斗杆势能储存在超级电容中的方案，系统原理图如图4所示[6]。在并联混合动力的基础上采用变量马达能量回收可以获得更好的节能效果，更低的排放和更低的发动机装机功率。挖掘机运行环境恶劣，混合动力技术对各主要部件的设计、制造、安装提出了更高的要求，同时动力源各部件之间存在协调控制问题。

图2 变量马达控制能量回收系统

2 总结

结合挖掘机工况复杂的这一工况，通过对机械能、液压能、电能几种能量回收方式的分析比较，确定采用电能回收方式对挖掘机动臂下降的势能进行回收，选用具有快速充放电功能的超级电容作为储能元件。对挖掘机动臂下降的势能进行了回收利用，提高了发动机的燃油利用率，能较好的达到节能目的，对挖掘机的节能研究有指导意义■

参考文献

[1] 同济大学.单斗液压挖掘机（第二版） [M].北京：中国建筑工业出版社，1986

[2] 任小青.液压挖掘机节能技术的发展综述[J].机床与液压，2009，37（8）：248-250.

[3] 张树忠，邓斌，曹学鹏，李磊.挖掘机动臂流量再生与势能回收节能系统研究[J].机械科学与技术，2010，29（7）：926-930.

[4] 张彦廷，王庆丰，肖清.混合动力液压挖掘机液压马达能量回收的仿真及试验[J].机械工程学报，2007，43（8）：218-223.

[5] 吴向东，安维胜.液压系统的能量回收方法[J].液压与气动，2001，12：16-17.

[6] 张彦廷.基于混合动力与能量回收的液压挖掘机节能研究[D].浙江大学博士学位论文，2006.