使用数字排量技术(Digital Displacement®)的高效液压能量回收系统

原文作者：John Hutcheson 节选翻译：静液压

1 引言

重型非公路机械中使用的液压系统用于将动力从发动机传递到执行器。通常，这些系统的效率较差，约为 30%。系统效率低下会导致高油耗和碳排放——在美国，仅挖掘机就占建筑设备机械产生的二氧化碳排放量的15%。众所周知，液压系统的效率可以通过回收浪费的能量来提高，并且液压挖掘机上的动臂工况为能量回收提供了良好的潜力。系统可以利用回收的能量，从而降低发动机负荷，最终节省燃料。本文中提出了两种主要的能量回收方法，蓄能器储能和能量转移，能量转移是本研究的重点。

能量转移时，机器驱动轴上承受的是负载合扭矩作用。能量变送器可用于在两个动作之间传输流体动力以实现瞬时能量回收，或在执行器和蓄能器之间传输流体动力以进行能量存储。由于不同执行器负载最终表现为和扭矩作用，能量变送器使能量能够在不同压力水平（更高或更低）的负载端之间传递，而无需节流。

动作一的反作用马达扭矩等效作用于动作二上的泵扭矩。当然，机器本身是有能量损失的，因此实际上作用于动作二上的扭矩会降低，具体取决于机器的效率。显然，使用高效的液压机器以最大限度地提高回收效率很重要。Artemis Intelligent Power 最近的一项研究表明，基于多出口的数字泵马达 (DDPM) ，并通过转换利用能量回收的液压系统架构可以在16吨液压挖掘机记录的工作循环中节省超过50%的燃料。多用途 DDPM 由多个独立控制的高压出口组成，称为“独立油口”。每个独立油口可以作为泵或马达使用，提供双向流动。该系统使用 DDPM 将存储在执行器中的能量转移为驱动其他执行器（如图 1 所示），存储在液压蓄能器中（如图 2 所示）或在机器上空转时降低发动机油耗或为其他附件提供能量。

使用数字排量技术(Digital Displacement®)的高效液压能量回收系统

图 1

图 2

启用这些能量回收方法的关键特征是 DDPM 的转移流体动力的能力。为了开发基于 DDPM 的能量回收系统，有必要了解它可用于转换能源的效率。本文介绍了为测量 DDPM 的转换效率或本文所称的“往复效率”而进行的测试。以便对其进行表征并更好地了解不同的因素会如何影响往复效率。最后，将DDPM与传统斜盘泵的能耗在负载敏感和排量控制系统架构中进行了比较。

2 往复效率计算

往复效率定义为驱动流体时产生的机械轴功率与泵送流体时所需的机械轴功率之比，净流体排量为零。这在图3中以图表形式显示。

图 3

往复效率使用如下公式计算，其中1 和2 是泵送阶段的启动和停止时间，1 和2 是马达阶段期间的启动和停止时间，是轴扭矩，是轴速度，是往复效率。

开始和停止时间对应于升降循环的油缸的上限和下限。对于给定的排量命令，DDPM 的有效排量是不同的，无论机器是泵送的还是马达工况。因此，驱动相同体积的流体所需的时间会略有不同。

这种差异是由于高速阀的设计和 DDPM 驱动马达冲程的方式。高速阀的设计就是这样当出口压力高于柱塞腔压力时，它们不会打开。为了启动马达冲程，需要短时的泵工况来提高柱塞腔压力并允许阀门打开。通过考虑在一个马达冲程期间流入和流出柱塞腔的总流量，很明显，由于这部分泵工况，净流体排量会更低。

3 往复效率计算

使用 96cc/rev DDPM（Artemis型号为“M96”）测试往复效率，其中单个高压出口直接连接到液压缸。这是一种径向柱塞机器，由两组6个8cc柱塞腔组成。每个腔的流量输出由一个主动的高低压阀控制。改变阀门驱动的时间决定了机器是泵还是马达。液压缸以机械方式连接到一个吊杆上，当它被驱动时，它会升高和降低。该测试台被称为运动控制台或 MCR，如图4所示。

图 4

该测试台旨在模拟液压挖掘机和轮式装载机应用中的负载压力和运动范围。可以添加和移除重量，并且可以改变柱塞的位置以改变负载压力和系统动力学。M96在泵工况提升动臂，马达工况下降动臂。泵和液压缸之间不需要额外的阀门来控制动臂位置。通过测量泵工况和马达工况驱动期间的轴速度和扭矩，可以计算往复效率。

图 5

4 与传统系统的模拟比较

为了证明这些测量的往复效率的重要性，从往复效率测试中获得的数据用于模拟不同系统的能耗。考虑了两种系统架构——负载敏感（LS）控制，这是常用的在移动液压机器中，不能回收能量，以及能够回收能量的排量控制(DC)。负载敏感系统采用传统中载斜盘泵（如 Rexroth A10）的典型损失模型和E-dyn96 数字泵。两台泵都无法越过中心，因此无法回收能量。排量控制系统采用传统的大功率斜盘泵损失模型（如力士乐 A11 或川崎 K3V）和 DDPM 进行建模。两台机器都被假定为能够过中心，因此能够回收能量。这项研究允许对传统机器与数字排量 (DD) 机器进行比较，以及不同系统架构的能耗。

负载敏感系统回路配置如图6所示。等效几何排量（即 96cc）的斜盘泵被建模为在负载敏感模式下以 20bar的LS压差运行。在提升过程中，斜盘泵向液压缸的输出通过比例方向控制阀，由于 20 bar 的压差，泵在超过负载压力 20 bar 的情况下运行。在下降过程中，能量无法回收，必须节流到油箱。泵仍必须在 20 bar 的压差下运行，并且由于执行器控制阀内的内部泄漏和泵本身的能量仍然被消耗，即使在降低时也是如此。直接排量控制的系统架构测试回路类似。

图 6

结果以每台机器的标准化能耗表示。该项被确定为泵在一个提升和降低循环期间消耗的能量与在一个循环期间仅提升动臂所需的能量之比，即被确定为有用的工作。有用功被定义为 M96 输出流量的流体动力，因为它直接连接到液压缸，系统损失最小。流体功率是根据测量的压力数据和流速计算的。归一化能耗是允许比较不同系统的能源效率的度量标准。一个标准化的消耗表明泵是 100% 有效的，但没有能量回收。大于1的值表明泵需要的能量多于提高负载所需的有用功，表明泵具有一定程度的低效率，没有能量回收。小于1的值只有在能量恢复时才有可能。归一化能量消耗为零表示所有有用功都被再次恢复，并且表示系统没有损失。接近于零的标准化能量消耗将表明利用能量回收的高效液压系统。

图 7

图 7 显示了每个主要测试回路的结果。从所有测试点的结果我们可以看出，两个负载敏感系统，一个带有 DDP，另一个带有中载斜盘泵，其归一化能耗均大于 1。这是意料之中的，因为这两个系统都无法回收能量。带有 DDP 的系统在整个范围内的标准化能耗略低，因为它比斜盘泵的效率更高。由于具有回收能量的能力，排量控制系统都表现出小于 1 的归一化能耗。与负载敏感案例类似，我们看到 DDPM 在所有测试点的能耗都略低，这是由于数字排量技术的卓越效率。