探讨工程机械液压节能技术现状与发展

1）节流控制

静压传动控制中，节流控制技术是相对传统的系统控制技术，按泵的变量控制方式又可分为“正流量”节流控制和“负流量”节流控制^[4]。这种控制方式最早应用于挖掘机液压系统上，功率损失最小；在工作时，先导压力控制的阀芯行程和泵输出的流量成正比例。所以叫“正流量”控制^[5]。根据“正流量”控制方式（见图1），由于先导式三位六通多路阀的调节作用，保持泵排量和操纵压力的一致性，但是正流量控制液压系统的阀组系统十分复杂，因此会在一定程度上影响系统的响应速度。

图1 “正流量”控制液压系统原理图

负流量控制使得多路阀中的空流和节流损失的降低成为可能。如图2所示，当阀处于中位时，控制压力来自回油节流阀前，泵流量根据此压力变化而变化。即控制压力与泵排量成反比，所以这种控制方式被称为“负流量”控制。

图2 “负流量”控制液压系统原理图

2）LS负载敏感控制

LS负载敏感控制的原理是当外部负载发生变化时，系统能自动调整泵和阀的流量，使得液压系统能向外负载管路提供适应负载的流量和压力，这样可以大幅提高液压系统效率。

如图3所示，它通过压差对泵排量进行控制，当压力差与控制阀上的弹簧力不平衡的时候，控制阀的阀芯会发生位移，从而使得泵的排量发生变化。

图3 LS控制变量泵的典型实现方式

如图4所示是LS负载敏感控制变量泵实现负载敏感调速系统的基本原理。泵口压力减去负载压力所得到的压力差可以根据负载大小以及调速要求对泵进行控制，这样不但能实现按需供流，还能降低调速节流损失，从而提高效率。但是LS负载敏感还有一个很大的缺点，当阀开度过大时，泵的供油能力将不足以提供系统所要求的流量，有着较高负载的执行元件将无法正常工作。

图4 LS调速系统原理

3）LUDV控制

如图5显示了LUDV负载敏感挖掘机液压系统工作示意图。主要展现了挖掘机的回转、动臂、斗杆、以及铲斗工作时使用的液压回路。具体的操作细节是：操作员在座位上通过液压操纵杆控制挖掘机。挖掘机的液压系统所需油量由图中主泵提供，主变量泵通过主油路分别向各个执行机构的支路提供液压油，每个支路分别配有一个三位六通电磁阀，用来提供一个阀后压降以匹配执行器所需要的压力。系统通过先导油路将最大负载压力反馈到负载敏感泵的变量机构与泵的出口压力进行比较。如果负载压力大于泵的出口压力时，负载压力推动变量机构转动，泵的输出流量变小。反之，负载压力小于泵的出口压力时，泵的输出压力推动变量机构转动，使得泵的输出流量变大^[6]。在LUDV负载敏感系统的应用中，当多个执行器复合或者联合动作时，泵的供应压力被多个控制阀连续调节，主泵提供多个致动器中最高的负载压力，所以虽然最高压力支路得到了最高压力匹配。虽然LUDV能较好地匹配液压系统压力，使得挖掘机工作顺畅，但是其他压力低支路会有很大的压降，从而导致低压执行器端有很大的功率损失,解决了上述LS负载敏感系统存在的缺点。

图5 LUDV负载敏感挖掘机液压系统工作示意图

2.2 回收再利用能量技术

在液压系统中存在着很多的能量损失，例如在制动时会造成很大的能量损失；在装载机，挖掘机等工作时出现的工作装置回落情况会造成多余能量的浪费。这些损失或浪费的能量其实都可以用蓄能器转化成液压能储存起来^[7]。如图6所示，普渡大学的研究团队开发的泵控挖掘机系统就采用了这项技术，该液压回路中的蓄能器可以回收利用挖掘机在运行过程中多余的能量，例如，当发动机的输出功率大于挖掘机工作时的所需能量时，多出来的能量就被蓄能器储存起来；而当发动机输出功率小于挖掘机工作所需能量时，蓄能器储存的能量就可以释放出来，帮助挖掘机进行工作。

图6 泵控挖掘机系统的能量回收技术