驱动未来 | 下一代的流体动力系统 · 亚琛工大IFAS

为了确保液压传动系统对机电传动的竞争力，不仅需要开发更节能的架构，而且还要确保这些架构具有成本效益，只有将这两个因素结合起来，才能得到行业和消费者的认可。能源效率显著提高的关键不在于元件层面的改进，而在于系统层面的改进。这个关键问题在工业中经常遇到，尽管使用了优化的元件，但整个系统仍然效率低下。其中一个例子是移动液压领域。虽然典型柴油机的峰值效率在 40% 左右，液压系统的峰值效率甚至可以达到 80%，但此类机器的典型总系统效率约为10%，这意味着储存在燃料中的化学能只有10%被转化为了有用的机械能。如图 1 所示，这部分是由于内燃机的低效工作点(平均效率为 25%)、液压泵的损失和比例阀的节流损失增加(平均液压效率为40%) 。

图1 液压系统传动效率分布

成本效益的关键是使用简单的液压元件，并将系统的智能化从液压硬件转移到系统软件中。这种布局通常被称为电液架构，这里引入了灵活性并允许快速原型设计。IFAS 专注于开发智能液压系统和设计方法，不仅适用于土方机械等已有的应用，还适用于可再生能源等新领域。本文首先介绍了一些分类和设计程序，旨在帮助工程师设计更好的系统，随后讨论了用于风力发电应用的新型移动液压系统和传动系统。

系统分类及设计

要开发新的和改进的液压系统架构，首先需要了解当前系统并能够对其进行分类。早在 70 年代，IFAS的 Backé就根据供应（流量或外加压力）和控制（阀门或排量控制）引入了众所周知的操作象限。这些如图 2(a) 所示。在那些年里，使用象限 I-III 架构的机器已经很普遍了。使用这种系统分类，人们很快清晰的发现，在第四象限的系统是不存在的，也就是在恒压系统中运行的排量控制马达系统。

图2a 液压系统分类定义

在 80 年代，同样在 IFAS 的Murrenhoff 测试和开发了这样的系统，显著提高了效率。这个例子说明了对系统进行分类的重要性，因为这有助于理解并指引新的开发。在过去的二十年中，出现了许多新的液压元件，包括液压变压器、数字元件、降压转换器和多工作腔油缸，将这些新的可能性融入已建立的四个象限是很困难的。因此，在2014 年，IFAS 引入了实施条形码的新分类方案，见图 2(b) 。新条码主要针对移动液压系统，也可用于标准工业液压系统。使用条形码可以对使用数字和模拟信号控制概念的系统进行分类和设计，以及能够定义通过回收或再生的能量回收系统，这将帮助工程师改进现有回路并发现新的可能性。

图2b 液压系统分类条码

由于其出色的功率密度，以及使用差动缸实现线性运动的成本效益和可靠性，液压系统得以广泛用于移动机械。下一代高效移动机械必须以提高液压系统效率为目标，同时优化内燃机的工作点，这意味着需要一个整体的设计方法。此外，潜在动能回收能力变得越来越重要。这与某些移动机器（例如挖掘机）由于其执行器的运动学布局而执行频繁的循环动作有关，如图3。

图3 挖掘机油缸典型运动

这意味着每次举起动臂后，最终都会落下回位，以及每次回转加速后，它最终都必须减速。因此，此类机器在能量回收方面具有巨大潜力。IFAS 通过开发 STEAM 移动液压系统来面对这样的挑战。与其他设计不同，该架构基于整体设计方法，同时考虑了液压回路和发动机。

STEAM的一个优点是使用了简单的现有元件，并且系统智能化不再依靠液压硬件，而是置于控制软件中，如图 4(a)。

图4a STEAM液压系统原理图

该系统可以被认为是液压混合动力系统。ICE 和泵仅用于提供平均功率需求，液压蓄能器用于满足峰值功率需求。通过将固定排量泵与恒压系统结合，发动机始终承受恒定负载，从而使其高效运行。除了由泵提供的高压系统 (HP) 之外，还引入了中压系统 (MP)来减少阀的节流损失。为了让业界相信该系统的潜在优势，目前正在将其安装到一台 18 吨轮式挖掘机中，如图 4(b) 所示。

图4b 18t挖机测试样机

配置STEAM系统的18 吨轮式挖掘机和传统的LS系统工作效率测试对比视频：

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基本上，HST 将转子功率传输到发电机，同时将恒定的发电机速度转换为所需的转子速度。使用马达的排量设置调节转子速度。因为转子产生的流量较少，低风速需要低排量设置，而较高的风速会产生更多的流量并需要更大的马达排量。由于这种可变的功率输入，系统的效率将根据风速而变化。而低于额定速度的所有组件都将在部分负载条件下运行，会导致效率降低。

新架构允许根据当前工作点打开和关闭单个泵和马达。两个固定排量泵将风力转化为加压流体形式的液压动力。然后使用两组马达驱动两台发电机。每个组件，除了最小的泵，都可以切换到空闲模式，允许不同的泵-马达组合用于不同的工作点。通过允许根据当前工作点打开和关闭单个泵和马达，新架构可以提高整个工作范围内的系统效率，见图 6(b)。

图6b HST系统总效率

图7 IFAS 1MW风力涡轮机试验台