Q51：液压缸还能数字变排量？看这款NorrDigi智能缸的“七十二变”

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编撰整理：静液压

从Volvo的这个奖说起

啥也不说，先上一段视频。既然从Volvo的这个奖说起，那我们先通过这段视频了解下这个奖背后的故事…

这个奖项是2021年度的Volvo Technology Award，授予了Volvo集团的CE事业部(Construction Equipment) 。从这个奖项的名字 Technology就知道，这个肯定是和技术相关的内容，并且这个技术含量还不低哦。其实这个黑技术就在上面的视频中，不知道各位小伙伴有没有看出端倪。

这款来自Norrhydro公司的专利产品NorrDigi液压缸，到底有着怎样的神奇黑科技，捕获让一向对技术追求极致的Volvo的芳心？我们一起来深挖一下…

NorrDigi缸的初印象

NorrDigi?是Norrhydro公司的一款专利技术，主打的产品便是这款“智能缸”。对于液压缸这个液压元件，是大家再熟悉不过的产品了。常规的液压缸由一个无杆腔和一个有杆腔构成，通过对两腔的进出油控制来实现油缸的运动控制。

常规液压油缸结构

而对于NorrDigi缸的特别之处主要有两点：一是这款油缸是由多个工作腔组成，而非单一的有杆或无杆腔。咋一看从外形上看不出什么差别，内里却是大有乾坤。下图中的A,B,C,D区域都是工作腔，共4个。每一个工作容腔有一条油路连通，作为进出油的通道。再深入一点，可以将这4个工作腔分为推进腔（推动活塞的伸出）- A和C腔和阻力腔（推动活塞的缩回）- B和D腔。注意：这里的B和D腔是不相通的哦

另外一个特点是各工作腔是由单独的进出油开关阀控制，实现各腔的独立压力流量控制而不相互干扰。每一个工作腔都配置有高压油路开关阀和低压油路开关阀，通过对各开关阀的时序控制，实现根据工况的油缸驱动压力和伸出缩回动作的流量控制。

当然，对于NorrDigi?技术，上述的油缸只是这项技术中的硬件组成部分，还有内置的传感器，芯片处理器以及控制算法等。

相比于传统的液压缸，这款NorrDigi缸确实复杂了不少。那么问题来了，对于我们搞工程的业内人来说，整这么复杂的结构，又是多个工作腔，又是一排开关阀组的，到底能带来什么样的不同价值呢？

NorrDigi缸的“72变”

能挖掘出多大的价值，首先我们需要对这款液压缸的工作原理有更深一步的认识。老规矩，先进一段工作原理的视频。

这段动画演示了采用NorrDigi缸控制两节臂的工作过程，在慢速和快速两种情况下起升和下落重物。从中我们可以获知如下几点认识：

从结构设计上看，这4个独立的工作腔的有效作用面积关系为：AA:AB:AC:AD= 8:4:2:1，配合HP和LP两级压力，液压缸的驱动力可以达到24=16种组合结果。

如下组合表格中的0代表连通LP，1代表连通HP。16种不同的组合方式即如下表所示。

如下图直观的展示16种不同组合所对应的静态驱动合力Fhyd之间的递阶关系。从这个递阶图也可以看出和常规液压缸的本质区别：常规双作用工作腔油缸通过主阀的节流控制来达到速度的控制，而驱动力是随负载的变化而变化，可以说是典型的模拟控制；对于NorrDigi缸，系统中不再需要主阀，通过灵活使能各个工作腔，实现不同速度和最大驱动力的控制，在16种状态中切换，这种工作模式可以说是典型的数字控制方式。

另外，通过改变HP和LP的压力，又可以实现更多的压力组合方式，如下图。

以组合6为例，此种组合情况下，A和B腔通LP，C和D通HP。A，C腔为推进腔，B，D腔为阻力腔，A:B:C:D的面积比为8:4:2:1，从而可以计算出液压缸的总驱动力为：AD*(4LP+HP)。

NorrDigi油缸对比传统油缸，可以省掉系统中的主阀结构，从而减少了节流造成的压力损失。高低压侧的蓄能器可以直接实现系统的能量回收，从官方公布的数据来看，可提高效率至80%。下面的视频展示了在发动机熄火的情况下，伐木机竟然还可以多次连续举升和落下重物。(注意：在第一次起升下落后，发动机熄火)

当前NorrDigi技术的一个典型应用场景是挖掘机设备。常规的挖掘机配置是通过系统主回路中多路阀的节流作用来控制各油缸的协调动作。配置NorrDigi油缸的挖掘机从根本上改变了挖掘机的控制方案，采用分布于每个油缸上的开关阀组实现对各个油缸的独立控制。

落地Volvo的30t挖机

落地

回到文章开头的故事，我们接着聊。

Norrhydro和Volvo就NorrDigi技术，正在Volvo的一款30t挖掘机上开展应用合作，来提高建筑设备的燃油效率。据了解，已经完成原型机测试。

此款机型原有的系统配置为常规的多路阀的开式系统，改造后的系统为配置NorrDigi数字变量缸的混合动力系统。具体系统框架如下。

NorrDigi数字液压执行器可以用来设计一种新型的液压系统，克服传统系统中的一些缺点，如无法回收动能过大的压力补偿损失。此系统可创建共压轨系统，其中所有执行器都连接到包含用于系统解耦和能量存储的液压蓄能器的压力轨。通过这种设计，压力仅施加到产生应用所需力所需的油缸面积，从根本上减少了压力补偿损失。它还能够双向能量流入和流出共压轨，这意味着动臂下降运动中的动能可以回收并存储在蓄能器中。

迄今为止，Volvo公司已经在一台30吨的挖掘机上进行了原型测试，结果表明，燃油效率提高了50%。这种改进一部分来自降低的燃料消耗，另一部分来自生产率的提高。此项技术适合用于负载惯性相对较高的机器。

Kim Heybroek

关于此项新技术在Volvo的应用，OEM off-highway专访了Kim Heybroek。来听听Kim是怎么来解读这项新技术。

视频时长14‘32”, 英语无字幕

参考资料：

· Norrhydro官方 站. www.norrhydro.com

· OEM off-highway. Improved Hydraulic System Design and Control Benefit Overall Machine Efficiency

· Volvo官方媒体. Groundbreaking electro-hydraulic system wins Volvo Technology Award

· Volvo Group Video. https://youtu.be/vUUmoH-DDuM

· Kim Heybroek and Erik Norlin. Hydraulic Multi-Chamber Cylinders in Construction Machinery

· Kim Heybroeka and Mika Sahlmanb. A hydraulic hybrid excavator based on multi-chamber cylinders and secondary control – design and experimental validation

· M Linjama. SECONDARY CONTROLLED MULTI-CHAMBER HYDRAULIC CYLINDER

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