1.液压挖掘机的能耗问题

挖掘机的传统节能方法主要集中于液压系统的改进和发动机与负载功率匹配这两个方面。其中液压系统的改进主要通过电液比例控制技术，提高液压系统性能，实现节能。

目前所生产的大部分液压挖掘机上，动力系统都采用由发动机驱动泵的方式。因此发动机的输出功率随着负载的变化波动很大，经常偏离其理想的经济区，从而导致发动机的能耗大，排放量大。在这种传统的驱动方式中，为减小发动机的油耗和降低发动机的排放，通常采用的是对动力系统（发动机—液压泵）进行功率匹配。常用的控制方法有发动机负载自适应控制、自动怠速控制、恒功率控制、分工况控制、压力切断控制、转速感应控制和发动机功率匹配等。

混合动力技术在汽车上的成功应用，给各个领域的节能和环保研究带来新的希望，尤其在工程机械领域。先行混合动力液压挖掘机采用比例电子液压阀的开式液压系统和混合动力系统。对于混合动力液压挖掘机的研究只是集中到混合动力结构和动力控制策略，仍用以前的液压系统。因混合动力的采用，液压挖掘机整机效率被提高了，但是通过动力控制策略的改善大幅度提高液压挖掘机节能效果很难做到。

2.液压挖掘机能耗分析及节能途径

挖掘机工作过程中存在巨大能量损失，对挖掘机功率损失进行分析是对其进行节能控制的前提。典型混合动力液压挖掘机的结构，如图1-43所示。如图1-44所示，一般液压挖掘机能量损失分成两个部分；液压系统的损失和发动机的损失。液压系统的损失有液压泵、液压马达、液压缸、液压阀的损失（进油损失、回油损失、旁路损失）。从图1-44可以看到发动机的能量转化损失占能量损失比较大的一部分。采用混合动力技术可以降耗。

液压系统的能量损失基本上可以分成三个部分：液压元件本身的损失，主控制阀的节流损失和溢流损失。液压元件内部损失有液压泵、液压马达、液压缸的损失。对于液压元件，由于技术已经较为成熟，不可能再有较大的改进。

某挖掘机仿真结果见表1-15。传统的液压挖掘机上液压系统进油节流损失、回油节流损失、旁路节流损失的总和各占液压泵输出的总能量的13.13%、48.59%、38.22%。溢流损失占1%以下。旁路节流损失占的比率较大。

同一系统采用比例阀作为液压泵排量控制信号，在同一条件下进行仿真，仿真结果见表1-16。液压泵所做的总功减少一半，旁路节流损失大幅度地减少了。

图1-43 典型混合动力液压挖掘机结构

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图1-44 传统液压挖掘机的能量流

表1-15 挖掘机主控阀和溢流阀能量损失仿真结果

表1-16 改进的主控阀和溢流阀能量损失仿真结果

主控阀旁路损失产生的原因主要在于传统液压挖掘机采用的开环液压系统。当主控阀阀芯接近中位时，旁路通道打开，液压泵的部分流量通过旁路通道流回油箱。通过闭环液压系统交替打开的液压系统，能减少旁路损失。但是执行机构的运动速度控制一定采用泵控制方案。

采用泵控制方案和闭环系统，回油节流损失没有减少，回油损失占82%。回油损失大的原因在于液压挖掘机的工作特性。液压挖掘机回转部分的止动能量和工作机构下降时，可能回收的能量比较多。特别是回转部分和动臂回收的能量可能相对比较多。为了把其回油损失回收再利用，可采用液压马达的专用能量回收液压系统和混合动力结构，如图1-45所示。

图1-45 采用能量回收液压系统的混合动力挖掘机

进油节流损失、回油节流损失、旁路节流损失存在的基本原因在于传统液压挖掘机采用的是节流控制。如果液压挖掘机利用闭环的液压系统和依据液压泵的排量控制进行液压执行机构的速度调节，那么就可以减小节流损失。

综上所述，液压系统的合理构成在液压挖掘机节能环节上是不能忽略的关键。闭环的液压节能系统与混合动力结合起来可以达到较大的节能效果。在未来的研发中，要开发没有节流的液压元件和能量回收的液压系统。