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“零排放”挖掘机系统研究

iHydrostatics静液压 • 文章来源: 液压气动与密封 • • 专题文章

 

第一作者简介：任健（1983-），男，内蒙古巴彦淖尔人，工程师，本科，主要从事液压系统及元件开发工作，就职于林德液压（中国）有限公司。
摘 要：随着关于环境保护的法规越来越严格，减少使用化石能源成为一种趋势。对于在工作过程中消耗大量能源的移动机械来说，节能减排也是重要一项课题。目前，移动机械的主要能量供应为内燃机，常规解决方案是使用电驱动部分或者彻底取代内燃机。全电驱动被认为在未来将会是最终解决方案。然而，实现电驱动取代较为困难，同时在某种程度上，需要改变整个液压系统。该文研究了传统挖掘机液压系统的工况及效率情况，提出零排放挖掘机两种边界解决方案。

关键词：液压；挖掘机；零排放；研究

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引言
工程机械各类机型中，挖掘机有最复杂的执行机构和最复杂的液压系统。上车至少有4个油缸，外加一个回转驱动，同时下车包括2个行走驱动。因此，对于挖掘机液压系统的研究相比其它机型更有用、更有价值。
 
由于其工作机理，挖掘机具有很高的潜能进行能量回收，这时就能体现出电驱系统的优势，同时，对于电驱系统的设计也需要很高的要求。
 
对于我们来说，20t级别的履带挖掘机对于技术和产品方面较为成熟，测试数据以及设计细节我们掌握地较为详细，因此我们从20t级别的挖掘机液压系统入手，从环境保护及经济性考虑，确认了主要研究的2个方面：提高总体效率，实现零排放。
 
1
一般挖掘机工况分析
液压挖机，特别是20t级以上吨位的挖掘机被使用于不同工况，不仅仅包括回转及平地[1]。关于平均功率和功率峰值，不同工况的功率需求是不一样，主要取决于电控和液控元件类型以及尺寸的选择。更重要的是，元件的表现，比如液压泵和电机，主要取决于整机的操控点。因此，一般挖掘机工况的测试分析对于进一步研究是非常重要的。
 
在一个对挖掘机6个月场地工况的调研报告中表明[2]，履带挖掘机有15%的时间处于怠速，10%的时间用于行走工况，15%的时间用于平地工况，剩下60%的时间用于装载工况。根据客户以及林德应用的反馈，3个最常用的的工况是装载、挖沟和平地。因此，测试数据的需求根据下表1执行。
 
表1 测试需求表

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然而，此次研究中的可用测试数据是有限的，考虑到可用数据和尽量最大程度上符合需求，选择以下工况作为研究基础：①70%装载工况；②15%平地工况；③15%怠速。
2
挖掘机系统的效率分析
根据上述限定的工况进行效率分析，以下图1所示，分析基于“装载及挖掘”工况。
 

“零排放”挖掘机系统研究

图1 典型“装载及挖掘”工况
 
如图1展示了“装载及挖掘”工况的测试数据[3]。
整个工况可以被分为4个阶段，这4个不同复合动作的阶段包括：
（1） 挖掘工况（P1）:动臂升，斗杆收和铲斗收的复合动作；
（2） 回转到卸料工位（P2）：动臂升，回转的复合动作；
（3） 卸料工况（P3）:斗杆外翻，铲斗外翻的复合动作；
（4） 回转到挖掘工况（P4）:动臂下降、斗杆外翻和回转的复合动作。
 
根据可用测试信号，液压能量由液压泵提供(Ehydr)，用于执行动作(Emech,pos)主动机械能量和由于辅助负载产生的被动机械能量(Emech,pos)可由以下公式计算：

“零排放”挖掘机系统研究

总体上理解系统效率，需要考虑内燃机（ICE）损失，同时也需要考虑泵的损失。基于所涉及系统（RS）的平均燃油效率ηf,RS=23.7L/h，上述所分析工况的燃油消耗可由以下公式获得：

“零排放”挖掘机系统研究

 

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图2 能量分析的仿真模型[4]

 

表2 仿真与实际测试能量分析对比

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图3给出整个挖掘机系统的能量流据[5]。图中显示最大的能量损失来自于内燃机，大约是整个燃油消耗的60%以上。这部分损失对于正流量（PFC）挖掘机系统来说十分巨大，也是比较正常的。对于整个液压系统来说，能量损失（Ehydr）来自于液压泵、 液压阀、 管路损失和其他损失，总计28%。可回收能量（Emech,neg）在特定工况，主要来自于动臂下放以及回转减速，大约7.5%,这部分能量被认为是液压系统损失和液压系统效率（ηhydr）。同时分析组合工况平地和怠速情况下，液压系统效率大约只有18%。

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图3 挖掘机系统的能量流（其中EP为液压泵能量）
 
基于以上分析，影响液压系统效率的两大主要因素：①液压阀节流损失[6-8]；②能量回收较难利用。
3
零排放挖掘机两种边界解决方案

图4中2种边界方案的提出[9]，可以分析现有系统潜在节能点，同时提出优化方案的设计需求。

 

“零排放”挖掘机系统研究

图4 全电控挖机的两种边界方案

 

3.1 第一种边界方案

第一种方案（Sol1）对于现有系统方案更改最小，只是将一个电机驱动取代内燃机，液压系统与现有挖掘机系统保持一致。由于液压系统原理没有更改，能量回收仍不可行。当提供相同的机械输出，液压系统效率如上述系统一样，电机驱动的输出能量（EM,Sol1）与上述系统内燃机的输出能量(EICE,RS)相同。电机效率（ηM）,转换器效率（ηconv）和电池效率（ηB）的总和，这种方案所消耗电能（Eel,Sol1）和系统效率（ηSys,Sol1）,由以下公式计算得出：

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通过对此方案的分析，可得出目前液压系统采用电能供应是不合适的。对于液压系统来说，特别是效率方面需要全面提升。液压系统效率的提升，能量回收方案必须考虑在内。

 

3.2 第二种边界方案
方案2（Sol2）中，最有效的液压回路-集成排量控制回路（DC）[10]，在这个DC回路中，执行器动作控制取决于泵的排量。因此， 液压系统不再存在溢流损失[11-12]，主要是由于泵只需提供执行器需要的流量。同时，现有系统中，提供流量分配的液压阀将不再使用，这样就不存在液压阀内部的压降节流损失。因此，这个DC回路的液压系统的效率主要取决于主泵的效率，大约能提升到75%。由于其原理特点，DC回路液压系统可以被叫做泵直驱回路。
通过对图5中工作点的分析，我们可以看到每个执行器的流量及能量需求是不同的。这就意味着，对于液压泵和电驱需求也是不同的。为了更大限度地提高液压系统的效率，每个执行器都需一个电动机单独控制和驱动（图4b）。每个线性执行器（动臂Bm，斗杆Am，铲斗Bu）分别由其单独的带电机的DC回路驱动。每个转动执行器（回转Sw，行走TrL\TrR）直接由电机驱动。这个系统除了减少溢流和节流损失，同时也实现最大限度的能量回收。当电机工作在马达工况时，转动执行器的刹车能量和线性执行器由于负负载产生的能量都可以被回收。

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图5 工作点和执行机构的能量需求
为了评估这个方案挖掘机系统的效率，首先需要评估这个DC回路的效率（ηDC）。不同种的DC回路，它们的效率是不一样的。因此，以动臂回路作为例子，图6的仿真模型，可以估算其效率ηDC，根据仿真结果，乐观地估计其效率为0.6。对于回转驱动，在“挖掘和装载”工况下，不需要考虑行走电机。对于电机直接驱动的回转来说，电机的输出能量为EMech,Sw,pos。对于现有系统液压马达输出能量计算为EMech,Sw,neg，同时不考虑减速机能量损失，EMech,Sw,neg可以直接用于电机的能量输入，这个时候电机把其转换成为电能。

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图6 DC回路效率仿真模型
考虑到由方案1同样方法计算的电驱系统的效率（ηel），所消耗的电能(Eel,Sol2,pos)和回收的能量（Eel,Sol2,neg）可以计算为：

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根据以上分析，在理想情况下，系统效率可以提高到0.59，这个方案所用的电池体积相对比较合理。然而， 得到以上效率的前提条件是回转能量可以被全部吸收，斗杆、铲斗回路的效率可以达到动臂回路的效率水平。但是，由图7可以看到铲斗和斗杆经常是空载运行，这样会带来额外的能量损失，因此，所设计的液压系统能达到的效率低于0.59。
 

“零排放”挖掘机系统研究图7 各执行器的能量分配

 
从图7可以看到，每个执行器的平均和最高能量需求是不一样的，特别对于回转驱动来说。回转驱动的平均能量需求为20kW，而其最大能量需求大约60kW。这个信息对于电能储备系统和混合动力系统是非常重要的。为了充分利用挖掘机装机功率，挖掘机系统需要独立的能量源，这些能量源可以分别覆盖平均和最高能量需求。
4
结论
本文通过研究传统挖掘机液压系统的工况及效率情况，提出零排放挖掘机两种边界解决方案。基于以上两个边界解决方案，可以分阶段和类型设计不同的系统解决方案，针对不同的系统方案，进一步设计和选择相应的电驱和液压元件，以符合未来法律法规规定的零排放要求。
 

参考文献

[1] VUKOVIC M，LEIFELD R，MUTTRNHOFF H. Reducing Fuel Consumption in Hydraulic Excavators—A Comprehens-ive Analysis［J］. Energies, 2017,(10):687.
[2] FECKE M. Standardisierung definierter Lastzyklen und Mes-smethoden zur Energieverbrauchsermittlung von Baumas-chinen［R］.Dresden: the 5th Fachtgaung Baumas-chinentechnik, 2015.
[3] 陈艳军.中型液压挖掘机装载及复位动作协同性研究［D］.长沙：中南大学,2012.
[4] E Imanshi, T Nanjo, A Tsutsui. Simulation Techniques for Fuel Efficiency Improvement in Hydraulic Excavators［J］. R&d神戸製鋼技報, 2012,62(1):32-36.
[5] 费树辉,王振兴,贺艳飞.挖掘机液压系统能量分析［J］.科技创新与应用,2015,(16):48-48.
[6] Aardema, J. Koehler, D. System and Method for Controlling an Independent Metering Valve: United States Patent, No.5947140［P］.1999.
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[10] WEBER J. Beck, B Fischer E，et al. Novel System Architec-tures by Individual Drives ［R］. Dresden: 10 th. International Fluid Power Conference, 2016.
[11] CETINKUNT S. Pinsopon, U. CHEN, C. et al. Positive Flow Control of Closed-center Electrohydraulic Implement-by-wire Systems for Mobile Equipment Applications ［J］. Mechatronics, 2004, 14:403-420.
[12] LIAO W. Chen, S.Chen C. et al. Research of Negative Flow Control Characteristics for Axial Piston Pump Based on Hydraulic and Mechanical Co-simulation ［R］. Chengdu:2012 3rd. International Conference on System Science, Engineering Design and Manufacturing Informatization, 2012.

该文刊登于我刊2021年第10期

原文始发于微信公众号（液压气动与密封）：“零排放”挖掘机系统研究

本文来自液压气动与密封，本文观点不代表iHydrostatics静液压立场。

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