基于CPR网络的全液压混合动力挖掘机

液压与气动２０１０年第９期基于ＣＰＲ网络的全液压混合动力挖掘机姜继海１’２．于安才ｍ。沈伟１’２Ｔｈｅｒｅｖｉｅｗｏｆｆｕｌｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｈｙｂｒｉｄｅｘｃａｖａｔｏｒｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｍｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｒａｉｌ

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（１．哈尔滨工、Ｉｋ大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨１５００８０：２．浙江大学。浙江杭州３１００２７）摘要：针对挖掘机运行过程中所产生的能量损失，分析了现有全液压挖掘机系统的优缺点，综述了挖掘机节能技术的发展状况。依据液压：泵／马达（二次元件）四象限工作特性和液压变压器的特点，建立了基于ＣＰＲ网络的全液压混合动力挖掘机系统，采用液压泵／马达回收挖掘机旋转运动制动动能，采用液压变压器回收挖掘机直线运动势能，解决了现有挖掘机的传动效率和能量利用率低的问题。关键词：液压挖掘机；节能技术；混合动力；能量回收

中图分类号：ＴＨｌ３７文献标识码：Ｂ文章编号：１０００４８５８（２０１０）０９－００４４－０６Ｏ前言近年来，随着世界范｝嗣内工业技术的发展，能源短缺和环境污染问题口趋严重。挖掘机耗油高、排放差，其节能和减排问题不容忽视。挖掘机的节能研究有助于降低系统的发热，简化系统设计，提高系统设备的可靠性和丁作寿命，降低系统的装机功率，从而在一定程度上有助于节约设备的制造和维护成本。据统计，液压挖掘机正常工作时，其液压系统的效率仅为４０％左右，是液压挖掘机效率低下的主要原因之一。因此，对液压系统进行改进具有较大的节能潜力，是液压挖掘机节能研究的一个重要方向。目前，我国挖掘机保有量约４０万台，若采取有效的节能技术，节能１０％，每年将节省５０多亿元的资金，并大大降低废弃物的排放。１传统挖掘机液压系统１．１功率控制系统针对挖掘机中的各种功率损失，世界上许多著名的工程机械和液压件生产厂商相继开发出一系列液压元件和节能控制技术，以提高挖掘机系统效率。２０世纪６０年代，液压挖掘机上开始应用恒功率变量泵，目的是既能充分利用柴油机功率，又不会使柴油机过载，将节流调速改为容积节流调速减少能量损失。现有的液压挖掘机控制系统中加装了电子控制器，分别控制发动机的功率和变量液压泵的排量，以达到节能目的，与机械控制发动机转速的装置相比，可利用工作效率的最高点，提高整机的效率…。恒功率控制原理应用于双液压泵系统，就出现了多种控制形式，如总功率控制、分功率控制、交叉功率控制等。总功率控制系统按照双液压泵压力之和（或压力之半）来调节液压泵的排量，排量靠机械或液压机构保持一致，任何情况下双液压泵流量都相同。但由于其本身的结构特点，总功率系统不可避免地存在功率损失，因此目前国外的大中型挖掘机已经基本上不采用。分功率控制系统是每个液压泵各自按５０％的总功率来进行恒功率调节的系统，对负载的适应性优于总功率系统，相当于两条各自独立的液压回路的组合，但是如果一条同路的压力很低，超出调节范嗣以外，则该同路的功率就不能充利用，造成能源的浪费。针对以上两种系统所存在的不足，国外一些液压件生产商开发了交叉功率传感双泵系统旧１，这种系统既能像总功率系统那样充分利用发动机功率，又能像分功率系统那样根据每一个液压泵的负载状况调整输出流量。尽管这种交叉功率传感系统能充分利用发动机功率，但也存在着与全功率系统一样的缺点，液压泵

收稿日期：２０１０旬３－２７基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０３７５０３３）；浙江大学流体传动及控制国家重点实验室开放基金资助项目（ＧＺＫＦ一２００８００３）作者简介：姜继海（１９５７一）男，黑龙江嫩江人，教授，博士，主要从事液压技术方面的科研和教学工作。

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的Ｔ作点被局限在几条曲线上，与负载Ｔ作点不能很好匹配，不可避免地存在功率损失。因此，目前国外挖掘机液压系统中，恒功率控制并不是单独地起作用，而是与其他控制结合起来，对双液压泵功率之和进行限制，防止在重载下发动机熄火，如小松公司的ＰＣ系列挖掘机、日立建机的ＥＸ系列挖掘机、卡特彼勒的ＣＡＴ系列挖掘机等。与恒功率控制技术同时期的还有压力切断技术【３Ｊ。其功能是为了消除系统过载时的溢流损失，使液压泵输出压力在过压力切断设定点的压力时，能进一步将液压泵排量降到接近零排量，而输出压力仍保持在系统压力附近，当液压泵进入压力切断控制时，虽然系统压力很高，但由于此时液压泵的输出流量接近零，几乎没有功率损耗。因此压力切断功能的出现，使液压系统完全避免了溢流损失。１．２流量控制系统２０世纪７０年代出现了正流鼍控制系统，其目的是为了用容积调速代替定量系统中的节流调速，以提高系统效率，正流量系统只输出与先导操纵压力相适应的流量，因此能减少旁路节流损失，但不能完全消除。而且梭阀组的存在一直是正流鼍控制系统中的不足，增加了系统的复杂性，影响了系统的响应速度。不过这种控制简单易行，而且具有一定的节能效果，因而得到了广泛的应用一ｏ。２０世纪８０年代初期由日本小松公司首先推出负流量控制系统，负流量系统有助于消除多路阀中产生的空流损失和节流损失，但不足之处在于多路阀调速范同有限，受负载影响较大。一旦阀芯越过调速区，负流量控制功能就失去作用而功率限制功能开始动作，在切换过程中系统流量变化较大【５Ｊ。产生于２０世纪７０年代负载传感系统∞Ｊ，９０年代后在挖掘机上的应用越来越多。传统的负荷传感阀一般都配有基于定差减压原理的压力补偿器，使每一个阀口上的压力都保持定值。当液压泵的供油能力达到饱和时，负荷传感功能将会失效。最高负载同路上的执行元件速度将会降低直至停止运动，使挖掘机动作失去协调性。解决这一问题的方法是，在多路阀上采用流量分配型的压力补偿措施，压力补偿阀设在多路阀的下游，各执行元件中的最高压力信号被传递给所有压力补偿阀和液压泵，上述流量分配型的压力补偿阀是基于比例溢流阀原理，另外国外挖掘机除了在其液压系统内部广泛采用各种节能控制技术外，还对发动机和液压液压泵采取了功率匹配控制。负载传感系统功能虽然优越，但是，仍然存在许多不足之处。当系统中管道较长时，会造成压力传递滞后而难以实现快速稳定控制造成能量损失。另外，负载传感系统通过反馈最高负载压力来控制液压泵的输出压力和流量，而其他负载则根据压力补偿阀调整，不可避免的存在节流损失。而且，当负载的惯性较大时可能产生压力变化快而流量跟不上的现象，使压力补偿阀无法正确调整。一般来说，开中心油路采用负流量控制系统或正流虽控制系统，闭中心采用负载传感压力补偿控制系统，使中位时液压泵在低压小流量工作，只供应系统冷却润滑和冲洗用的少量液压油。使系统处于待命状态，一旦工作时能快速响应。微操作调速操纵时，液压泵能自动改变排量，按所需流量供油门Ｊ。开中心直通回油系统调速性能差，存在负载飘移；复合操作困难，有负载干涉；速度设定自由度差和流量分配不理想等缺点，因此操作性很差，必然有较多无谓的浪费动作，造成能量损失，对操纵者的操作要求高，作业效率低。闭中心负载传感压力补偿系统无负载漂移和负载干涉等现象，能适合挖掘机配各种各样附属装置的流量要求。而且可以调整压力补偿程度来适合作业需要。日本小松公司在挖掘机上作了开中心和闭中心油路具体的对比试验，得出了无论是生产率还是油耗都是闭中心好结论。２混合动力挖掘机系统“混合”一词来源于希腊语，意思是“两种物体的混合或组合”，通过采用混合动力技术，可以降低发动机的燃油需求，较低的燃油耗用量，并显著减少废气排放。最常见的混合动力技术是电动和液压混合动力。传统的功率匹配控制中，只有在最大负载功率下，柴油机与液压泵的功率才能匹配得较好，使柴油机工作点位于经济工作区。但由于挖掘机Ｔ况复杂，负载的剧烈波动，实际Ｔ作中是最大和最小负载功率是交替变化的，所以加到柴油机输出轴上的扭矩也剧烈波动，使柴油机在小负载时Ｔ作点严重偏离经济丁作区，因此这种传统的功率匹配是不完全的。另外，为满足最大负载下况的要求，在挖掘机的设计中必须按照ｔ作过程中的峰值功率来选择柴油机，因此柴油机功率普遍偏大，燃油经济性差。如果按平均功率选择柴油机，容易造成发动机过载，柴油机经常过热。为解决这些问题，国外各著名工程机械生产厂家普遍将研究开

万方数据液压与气动２０１０年第９期发方向转向了混合动力系统。２．１电动混合动力系统根据原动机配置形式的不同，电动混合动力可分为串联式、并联式和混联式［８。１０｜，如图１所示。混合动力系统中的电容和电池作为蓄能元件，可以维持发动机工作在高效区内，提高燃料的利用率，降低尾气排放。ｃ）混联式图１电动混合动力系统在综合考虑了系统的节能、排放、布局和成本等因素的基础上，ｒＴ程机械上应用的混合动力驱动方式主要有两种：以神钢和日立建机为代表的串联混合动力驱动方式和以小松、新卡特彼勒——三菱、为代表的并联混合动力驱动方式，而结构设计更加复杂的混联式混合动力系统还没有成熟应用。２００４年５月，小松研制出了世界上第一台混合动力液压挖掘机的试验机ｌｌ川。该样机采用并联方案，柴油机输出的能量主要用于驱动外载，多余或不足的部分能量南发电机或电动机转化补充，电动机作为辅助动力与柴油机一起满足峰值负载功率的要求。系统中转台由电动机直接驱动，节省了原来消耗在液压控制阀上的能量。动臂液压缸下行时，重力势能转化为液压能，通过液压马达驱动发电机发电，并经逆变后储存在电池中，为电动机提供电力。试验结果表明，该方案可明显降低发动机油耗和排放。神钢提出了串联式混合动力液压挖掘机方案，该方案中，发动机输出动力全部用于驱动发电机发电，电能储存在电池和电容中。执行机构工作时，电池和电容中的能量经逆变器转化为交流电，驱动电动机旋转。动臂单元采用液压彩马达系统驱动，马达将同油的液压能转化为机械能直接用来与电动机合并驱动液压泵，缩短了能量流程。若回收功率超出了液压泵的需求，则多余部分能量通过电动机（此时做发电机用）转化为电能储存在电池中，从而实现重力势能、惯性能和制动能的同收，实现柴油机输出功率和扭矩的均衡控制。该系统斗杆和铲斗采用液压泵独立驱动，转台的回转采用电动机直接驱动，取消了传统的液压驱动，可以进一步降低能量损失。这样就可以在设计中按照平均负载功率来选择柴油机，用功率较小的柴油机来驱动大吨位挖掘机，而且柴油机的运行工况平稳，始终处于高效运行状态，因此能大幅提高燃油效率。文献［１２一１４］仿真分析结论是，单纯的串联混合动力系统不具备节能效果，但町以改善柴油机排放质量，并在一定程度上降低柴油机的装机功率，峰值功率降低了１６％。单纯的并联混合动力系统节能效果不很明显，但可以较大幅度地降低柴油机的装机功率，提高尾气排放质量致使耗油量相对于原系统下降了１ｌ％，峰值功率下将了２４％。文献［１５］中３台液压泵