分析并联式混合动力液压挖掘机能量回收与动力匹配技术

董永平

摘要：目前液压挖掘机已经被广泛应用于工程和矿产领域，其作为施工现场的主要设备，性能直接影响机械工程的效率和成本。本文主要研究液压挖掘机工作过程中动臂下降和整车回转的能量回收问题，希望能够降低液压挖掘机的使用功率，科学高效的节省能量消耗。

关键词：液压挖掘机;能量回收;动力匹配;动臂

前言：近年来，混合动力技术的迅速发展令传统液压挖掘机朝着新的方向开始发展，目前在液压挖掘机的系统机构以及控制策略等方面都取得了较大的进步，能够显著降低液压挖掘机的能耗，提高作业效率。

一、液压挖掘机可回收能量分析

（一）动臂能量回收技术的工作原理

并联式混合动力液压挖掘机主要采用发动机以及发电机并联的方式进行驱动液压泵，其中发动机的动能直接传输给液压泵和马达。而液压挖掘机工作装置主要由三部分构成，即动臂、斗杆以及铲斗，由于其具有频繁往返运动以及惯性较大等特点，经常导致液压挖掘机在下放的过程中，势能与动能完全转变为热能，同时液压系统迅速升温，令系统内密封元件受损，影响其使用寿命，导致液压系统发生频繁故障，降低系统工作效率。如果对液压系统采取冷却处理，则会导致系统内部能耗增加，因此在液压机下降工作时，如果在其前端安置能量回收装置，能够有效地降低整个系统的温度，避免设备发生故障，同时还可以回收利用系统产生的能量，降低内燃机的输出功率，减少液压系统的能源消耗。动臂系统的主要工作原理，首先是令其动臂下降，进行挖掘工作，在铲斗负载之后提升动臂，然后铲斗卸载负荷，动臂下降，最后动臂回复原位，对于液压挖掘机而言，主要以控制动臂达到控制系统的目的，利用传感器监测动臂实际位移与理论位移之间的差值，将两者之间的差值作为控制路阀的开口，令实际位移与理论位移保持一致，因此动臂能够回收较多能量，回收价值较高，约占全部能量的二分之一。另外，混合动力液压挖掘机安装了能够进行能量回收的再生动臂，与传统的动臂系统相比较，能量回收更高效。由于动臂系统工作中会产生能量浪费，因此必须加强提高挖掘机的效率，将动臂下降工作过程中产生的势能，进行回收再次利用[2]。例如，当挖掘机中液压缸的运行方向与其承载的重力方向一致时，油液将从高压腔传送至低压腔，令主泵输出流量几乎为零，同时，由于负载较低，导致出口的高压油液其液压被浪费，因此液压挖掘机能将能量回收后再利用。目前动臂系统再生功能已经是我国混合动力挖掘机中应用最广泛的。

（二）回转制动能量回收技术的应用研究

由于液压挖掘机回转系统工作效率低、工作时间较长等缺陷，因此为了提高回转系统的效率，必须缩短制动间距，液压挖掘机其设备安装中存在补油的单向阀门，因此无需动臂进行能量再生，其自身就可以回收油液。同时回转系统中的蓄能器具有能量大、密度高、能量回收转化环节少、效率高等特点，因此其较适合回收回转系统的能量，其与动臂回收系统的原理类似，但最主要的区别在于储存能量的元件不同，混合动能通常采取超级电容作为储能元件，而普通的油液混合则使用蓄电器作为储能元件，利用马达作为系统内部的能量转换元件，因此有效的避免了机械能向电能的转换，提高了挖掘机的效率，减少了能量的损失，而回转系统工作时，其蓄电池和液压泵驱使马达运行，通过变速箱带动系统内部的转台，使其正常转动，同时角位移传器检测工作装置的回转位移，通过控制器运算出的数据，控制蓄电器以及马达输出的能力，确保能量数值一致，避免造成能量浪费。除此之外，液压马达在不同的载荷方式下，其回收能量的能力不同，但是在同一个模式下，制造的能量基本是一个固定值，例如，回转制动时，系统内部所有能量冲击马达，使马达转动，而当液压马达与液压泵相连时，在忽略效率的背景下进行计算，可以看出两者之间的速度和扭矩是一致的，因此可以通过调节马达的排量改变液压泵输出的压力，在压力不超过安全阀设定的压力时，马达排量越小，其输出的压力越大，从而有助于蓄能器回收系统内部的能量。

二、液压挖掘机动力匹配技术

（一）单泵恒功率控制技术的应用研究

液压挖掘机动力匹配技术本质上属于机电一体化，能连接液压系统、PLC以及发动机，同时将三者组成一个完整的系统，有助于机械作业环节中系统安全稳定运转。当前工程施工中，大型机械设备往往单日作业时间长，因此这种动力匹配技术，能最大限度的减少技术人员的工作量，提高其工作效率，同时避免人为失误的可能，基于上述优势，目前动力匹配技术在液压挖掘机设备中广泛应用。其工作原理主要是通过单泵恒功率控制技术，即通过变量系统中的PLC系统，控制变量泵的排量，当挖掘机进行挖掘作业时，改变系统内部弹簧的弹力进而调节变量的数值，这种方式能够有效的控制变量泵输出的流量，产生不同的流量，一旦系统中的压力数值达到弹簧压力设定值时，变量泵数值相应的进行调整，开始变小，当系统的压力值与第二根弹簧的压力值相同时，排量变化的函数图像呈现曲线的变化趋势，由此可以观察出，当曲线值最大时，常数与系统内部的离散值保持一致，不仅有效的避免了液压挖掘机超載导致的熄火问题，同时能够提高发动机的功率，有效的减少能量的损失，有利于能量的回收再利用。

（二）定量泵控制技术的应用研究

在传统的液压挖掘机设计中，尤其是小型挖掘机，通常采用定量泵的设计方式，定量泵主要的工作原理是通过推拉膜片，进行控制定量泵中液体的排出，如如果向后拉膜片时，出口阀就会下降，则其与球座之间可以连接的更加紧密，而当隔膜被拉回时，隔膜与泵头之间处于真空状态，进口球阀上升，液体则被吸走，如果向前推动膜片时，由于入口阀门与球座之间密封良好，液体无法通过，而当向前推出口隔膜时，液体则会被排出。而对于大型挖掘机在液压系统中安装定量泵，容易导致系统中的机械泵性能受损，降低挖掘机的功率，导致整个挖掘机的性能受损，因此定量泵控制技术不适用于大型的液压挖掘机。液压挖掘机动力匹配技术应用愈加广泛，但是该技术当前仍旧存在较多的技术问题，即当前机械一体化技术在液压技术、发动机的配置、控制系统等技术应用上发展不够成熟，需要企业加强资金投入，促进技术人员不断进行科技创新，还有液压挖掘机动力匹配技术在实际应用中缺乏条件，因此工程领域的技术人员，应主动借助国内外先进的技术，攻克液压挖掘机的技术难题，液压挖掘机的能量回收及其动力匹配控制技术，是我国当前工程领域的核心技术，能提高机械设备的工作效率。

结束语：总而言之，由于工程机械设备中往往采用内燃机将热能转化成动能的能量输送方式，容易导致其对自然环境污染较重，因此节能减排技术的研究和应用势在必行，本文研究并联式混合动力液压挖掘机的工作原理以及其能量回收特点，希望对液压挖掘机的研究人员具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]庞琳娜.液压挖掘机的节能技术分析[J].内燃机与配件，2020（05）：215-216.

[2]闫磊，聂阳文，胡星.基于液压挖掘机动臂势能回收的动臂降速控制仿真研究[J].工程机械，2020，51（03）：29-33+6-7.