动臂势能回收技术背景

我们知道各种类型的行走机械包括、装载机、集装箱正面吊、林业机械、还有叉车等物流输送装备，他们的工作装置都非常重，工作中工作装置要频繁地举升（升降）。由于在举升过程中，工作装置积聚了非常大的重力势能，那么如何控制、利用这个势能是工程机械一个重要的研究方向，也是节能减排的一个重要措施，下面我们看一看目前是怎么控制的？

图1是我们传统液压挖掘机动臂控制回路，动臂举升过程中积聚的势能在下放过程中转化为液压能，通过控制阀阀口的节流作用转化为热能就全部耗散掉了，这样不仅浪费能源，同时导致液压系统的油液发热，另外这种控制方式也使动臂下放的速度受到制约。那么怎么来解决这个问题呢？要回收利用动臂在举升过程中积聚的势能，同时采用进出口分别控制的方式来提高它的运行速度。

图1 传统液压挖掘机动臂控制回路

我们看一下目前势能的回收方式，常用有两种：一种是纯粹的液压回收方式，就是把动臂积聚的势能通过控制阀存储到液压蓄能器里，在存储过程、利用过程中，为了消除蓄能器压力较低、回收利用难的问题，可以引入到这个泵的吸入口来充分地利用这个势能。另外一种方式是电气回收方式，用液压马达驱动电动发电机，把重力势能转化成电能回收利用，存储到超级电容或者是电池中，再利用时直接利用电能。比较这两种方式：液压方式转换环节较少，但是它的再利用过程比较复杂，也会造成二次节流，损失也比较大；电气方式中能量要通过液压能转换到电能、再到电容，再利用时也需要同样的转换过程，能量传递链长，总效率较低。那么怎么办呢？下面我们介绍两种系统。

增加平衡液压缸的回收方法

目前有一种直接利用的方式（见图2），就是在动臂上增加一个液压缸，这个缸专门存储动臂下放的势能。这种方式是对势能的直接转化利用，转化效率比较高。图3是我们测试的一个结果，通过测试对比，可以看出来，原有的系统和增加这个储能缸以后，系统能耗由过去的1454千焦，降低为922.4千焦，能耗减少了36.4%，节能效果还是比较显著的。可以看出来蓄能器在动臂上升过程中释放能量，辅助主驱动驱动动臂，在下放过程中存储动臂的势能。目前这个技术在国内外都有应用，比如国外的一些物流设备，国内的山东常林和山河智能都已经做出这样的挖掘机，并投入使用。

图2 液压挖掘机动臂势能直接回收利用技术

图3 平衡液压缸回收系统测试结果

这种方式虽然节能效果很好，但也有几个问题需要解决。由于要布置一个额外的液压缸，小型挖掘机很难布置；另外安装额外的液压缸，需要对动臂做一个很大的改动，小型机也很难做到，所以这种方式主要适用于大型的机器。另外，由于多了一个液压缸，增加了动臂下降时的流量需求，降低了动臂下降速度，还会增加一部分额外的节流损失。

三容腔液压缸直接回收方案

那么有没有一个更好的办法呢？我们设计了一种三容腔的液压缸来解决这个问题（见图4）。把传统的两腔液压缸中间多集成了一个液压缸，这就是三容腔液压缸。当用于小型机时采用一个缸，用于大型机时采用两个缸。这样可以在不改变现有挖掘机动臂结构的情况下直接替换利用，另外在动臂下放过程中，它的流量也不会增加。这样应用范围广，并可同时满足高效回收动臂势能的要求。

图4 三腔液压缸原位替换的研究方案

我们对中间柱塞杆和活塞杆的强度和刚度做了校验。中间柱塞杆是小柔度杆，依照强度计算，根据最大工作压力25MPa计算，远小于许用应力值，故强度满足小型挖机的要求。活塞杆的杆径增加了，而且是空心的，它的刚度和强度都有所增强。对活塞杆做了有限元分析，也没有特别应力集中的地方，所以能够满足使用要求。

我们把三腔液压缸分别放在三种控制回路中进行试验和测试研究。这三个回路是：正流量控制回路，进出油口独立控制回路和闭式泵控回路。图5是三腔液压缸应用在普通正流量控制系统中的样机照片，一台6吨的。为了验证效果，我们对两种液压缸系统做了一个比较（见图6）。可以看出：动臂下降时，因为有蓄能器做背压，需要的主驱动能量比原有系统要大一点；但是在动臂上升时，由于蓄能器的补能，所需能量大大减小，同时采用能量回收以后，主驱动提供的峰值功率也大大减小。根据计算：下放过程中，蓄能器同时回收主泵和动臂势能输入的能量，回收效率是85%；上升阶段，蓄能器提供的功率占到总功率的70%。总的下来，能够降低能耗48.6%，峰值功率降低64.8%，这个效果还是比较好的。另外还要考虑到，这个系统在非工作周期能耗是很小的，而原有系统在非工作过周期，能耗是比较大的。

图5 正流量控制动臂系统

图6 测试结果

同样把三腔液压缸用在进出口独立控制的机器上也做了测试（见图7）。通过试验可以看出来，在动臂下放的过程中能量基本上差不多，但在动臂上升的过程中，由于蓄能器的补压，三腔液压缸需要的功率比传统液压缸大大减小，总的能量降低了40%多。另外蓄能器初始压力影响也比较大。我们做了不同蓄能器压力的对比，经过研究，初始压力取8MPa时，效果比较好。

图7 进出口独立控制动臂系统

把三容腔液压缸放在闭式泵控系统的机器上也做了试验（见图8）。可以看出来主驱动只在动臂上升过程中提供能量，在下放和非工作周期基本上不提供能量，补油泵一直在提供一个小的能量。

图8 闭式泵控动臂系统

图9是前面三种方案的对比。可以看出：如果把正流量系统中三容腔液压缸的能耗作为1的话，进出口独立控制系统的能耗就是0.7；如果采用闭式泵控方案，较进出口独立控制又可以降低能耗30%；即，采用闭式泵控系统，能耗只有0.4。而采用三腔缸以后，正流量系统本身比传统的液压缸已经降低了能耗40%多。进出口独立控制系统和闭式泵控系统更加节能的原因是：进出口独立控制系统减少了阀上多余节流损失，而直接泵控系统基本消除了阀上节流损失，这都为进一步降低能耗做出贡献。

图9 三种方案的对比

另外三腔液压缸同样可以用于中型以上的机型，即用两个三腔液压缸代替现有液压缸。我们分别对比了原有系统、三个液压缸系统和采用三腔液压缸的系统，也同时做了空载和满载的实验（见图10）。通过对比我们可以看出：在空载的工况，三腔液压缸系统相对原始系统节能将近60%，在半载和满载的时候，节能效果会有所降低，这是因为在举升过程中要驱动外负载去做功，这个能量是必然要消耗的，而动臂重量这个势能是一定的，所以空载数据还可信的。

图10 不同负载工况下的能耗数据

总结

额外增加平衡液压缸的方式能够显著降低能耗，但其应用受限于空间和动臂结构；而三腔液压缸能够原位替换原有液压缸，无需改变动臂结构，对大中小型机器均适用；液气平衡储能回收方法在各种液压控制系统中均有良好的节能效果，能同时减少能量消耗和降低峰值功率，另外蓄能器的初始压力对节能效果有较大影响，需要进行优化设计。