王翔宇，郝云晓，杨敬，张红娟，权龙，王波

(太原理工大学新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室，山西太原，030024)

在当今社会发展中，特别是在能耗高、排放多、用途广的工程机械领域，对高能效、低排放的节能环保型高新技术的需求越来越迫切。作为一种保有量较高的工程机械，装载机采用由单个定量泵供油的阀控系统控制动臂举升系统频繁地装载和卸载货物，此过程中存在能量消耗大和电气化应用程度较低等问题[1−2]。在装载和卸载作业中，动臂举升液压系统损耗的能量占整机液压系统总能量损耗的一半左右[3]。此外，在卸载作业中，举升系统于装载作业过程积累的重力势往往会通过阀控系统节流阀耗散到环境中，不仅造成了严重的系统发热和能量浪费，还缩短系统元件寿命。因此，回收利用动臂举升系统重力势能，提高动臂液压举升系统的能耗效率，是传统装载机液压系统中降耗减排等研究领域的重点探索方向。

装载机液压举升系统可分为阀控和泵控系统。为降低液压系统的能量损耗，在阀控液压系统中，樊文建[4]分析了装载机举升系统中定量液压系统能耗特性，明确了液压系统能量效率提升的改进方向，并设计了改进方案；刘旭[5]分析了装载机阀控液压系统中油温对能量损耗的影响，改进了装载机的散热系统，提高了装载机液压系统的总能量效率；王翔宇等[6]采用伺服电机驱动定量泵的方式驱动装载机阀控转向液压系统，实现了液压转向系统中的供需流量匹配，试验结果表明该方案可减少液压系统能量损耗16%。在泵控液压系统中，可采用正流量泵控系统[7]、进出口独立液压泵控制系统[8]或者闭式泵控系统[9−10]等方式提高液压系统效率，特别是闭式泵控系统将液压泵进出油口直接与液压缸进出油口相连，消除了液压系统中的节流和溢流损失，节能效果显著。此外，王振宝等[11−12]分析了装载机整机液压系统的能耗，优化了传动液压系统，减少3.3%耗油量；FRANK 等[13−14]对装载机举升、翻斗、转向等工况中装载机的工作和操作轨迹进行了优化，减少液压系统的能量损耗。

为回收利用装载机举升系统在上升过程中积累的势能，并进一步减少液压系统的能量损耗，采用动势能回收利用技术对装载机液压举升系统进行升级改进[15]。重载举升系统的势能回收利用方法主要有液压回收技术、电气回收技术和液电混合回收技术[16−18]。

1)液压回收技术。张宇[19]采用液压蓄能器回收装载机的动势能，并将其作为额外动力源辅助装载机行走系统启停和举升系统工作，整机液压系统能耗效率可提升11.3%。此技术中，势能只经过机械能和液压能的2次转换，传递链短，效率高。

2)电气回收技术。赵丁选等[20−21]采用超级电容对装载机的动势能进行回收利用，分别采用与原系统串联和并联的混动方式驱动液压系统，与原系统相比，最高可减少燃油消耗16.6%。超级电容等电气元件较高的成本限制了此技术的应用与推广。

3)电液混合回收技术。刘昌盛等[22]采用发电机、定量液压马达和蓄能器复合的回收方式，回收利用举升系统的重力势能。此技术在能量回收利用过程中传递链较长，能量回收效率有限。

由上述分析可知，闭式泵控系统可消除液压系统节流损失，液压回收技术具有能量转换次数少、传递链短等优点，故提出基于闭式泵控和液气储能的装载机高能效驱动举升系统。在所提系统中，将三腔液压缸的2个油口直接与泵的进出油口相连，组成闭式泵控液压回路；将三腔液压缸第3腔直接与液压蓄能器相连，组成势能直接回收利用液气储能单元。

1 系统工作原理

基于三腔液压缸和闭式泵控的装载机高能效驱动举升液压系统工作原理如图1所示，由图1可知：所提系统主要由三腔液压缸、位移传感器、蓄能器、补油泵、定排量液压泵、压力传感器和伺服电机等构成。三腔液压缸由重力势能回收腔、有杆腔和柱塞腔3个容腔构成。为消除原有阀控液压系统中的节流损失，将柱塞腔和有杆腔分别与液压泵的进油口和出油口直接相连，构成闭式泵控回路。为消除原有阀控液压系统中的溢流损失，采用伺服电机直接驱动定排量液压泵，通过控制伺服电机的转速控制液压泵的输出流量，实时匹配所提系统液压泵供给流量与液压缸需求流量。将柱塞腔与有杆腔有效截面积比设计为1∶1，进一步降低补油系统造成的能量损失，提高系统的能量效率。为平衡举升装置重量，参考原有两腔液压缸工作压力，并尽量降低蓄能器规格，设计重力势能回收腔面积为柱塞腔面积的2倍。

图1 高能效举升液压系统工作原理Fig.1 Working principle of high energy efficiency lifting system

为回收利用举升装置和负载在举升工况中积累的重力势能，减少下降过程中节流口产生的能耗损失，将三腔液压缸的第3个腔重力势能回收腔直接与蓄能器相连。当动臂举升装置下降时，势能回收腔内油液充入蓄能器，由于重力势能直接转换为液压能，此过程没有其他能量转换元件参与，故能量回收效率较高；在上升过程中，通过蓄能器的初始油压平衡举升装置自重，蓄能器与液压泵共同为举升装置提供运行动力，从而直接利用存储在蓄能器中的重力势能，并进一步降低闭式泵控举升系统的装机功率。

2 仿真分析

2.1 仿真模型的构建

为验证基于三腔液压缸和闭式泵控的装载机高能效驱动举升液压系统的可行性及工作特性，根据所提出的系统的工作原理，在多学科仿真软件SimulationX中构建其机电液联合仿真模型。

首先，在仿真软件中构建所提举升装置液压系统的仿真模型。

其次，将测绘的实验室装载机机械结构三维模型导入SimulationX 软件中，保持装载机中原有的动臂机械结构连接不变，采用所设计的高能效驱动闭式泵控三腔液压缸举升系统液压对原有举升液压系统进行替换。

第三，通过软件中的机液耦合模块将装载机的机械模型与所提系统液压模型进行耦合，实现机械装置的运动学参数与液压系统的动力学参数的实时交互。

最后，结合系统工作原理和搭建的仿真模型设计可行有效的控制策略，实现动臂液压缸跟随设定曲线运动。

在仿真软件中，将所提液压系统的液压连接设定为一个控制体积，通过质量平衡方程计算压力，仿真系统中的质量平衡方程为

式中：p为仿真模型液压系统工作压力；T为仿真模型液压油工作温度；ρ为仿真模型液压油密度；γ为仿真模型液压油热膨胀系数；Ch为仿真模型中的液压容积系数；m为仿真模型液压油总质量；Vt为仿真模型液压系统总流量。

在仿真软件中两腔液压缸元件的基础上，额外增添一个液压腔室，构成如图1中所示的三腔液压缸。三腔液压缸中的有杆腔和柱塞腔分别与定排量液压泵的进出油口相连，第三腔重力势能回收腔直接与蓄能器相连。仿真模型中蓄能器的气体压力pg为可简化为

式中：Rg为单位摩尔质量下的气体常数；Tg为蓄能器气体温度；m为蓄能器的气体总质量；Vg为蓄能器的气体总体积。

蓄能器提供压力pa为

式中：Va为蓄能器预充油液体积；n为气体多变指数，取1.4。

根据现有装载机机械结构、所提系统工作原理和上述分析，在仿真软件中构建如图2所示的高能效驱动举升系统多学科联合仿真模型。由图2可知：所提系统的机电液联合仿真模型主要包括装载机整机三维模型、三腔液压缸动臂举升系统模型、转向系统模型、车架轮胎模型和铲斗模型等。仿真模型三腔液压缸和蓄能器的具体参数如下：三腔液压缸缸径D3为90 mm，活塞杆直径D2为75 mm，柱塞直径D1为50 mm，三腔液压缸行程为600 mm；蓄能器容积为10 L，额定压力为20 MPa。

图2 高能效举升系统机电液联合仿真模型Fig.2 Joint simulation model of high energy efficiency lifting system

所设计三腔液压缸和系统增添的蓄能器为所提系统关键能量回收利用元件，其工作状况直接决定所提系统的能量回收效率，直接影响系统工作特性。经受力分析可知，当蓄能器初始压力为5 MPa时，蓄能器提供动力等于举升系统重力，系统处于平衡状态；当蓄能器初始压力为6 MPa 时，蓄能器提供动力高于举升系统重力，系统处于过平衡状态；当蓄能器初始压力为4 MPa时，蓄能器提供动力小于举升系统重力，系统处于欠平衡状态。将蓄能器初始压力分别设为6，5 和4 MPa，对所提系统在不同动臂重力势能回收腔压力下进行仿真分析。仿真中设定液压缸位移为400 mm，负载为0.8 t。

2.2 仿真结果分析

所得举升和下降工况的仿真结果曲线如图3所示。图3中p1为举升系统三腔液压缸柱塞腔压力；p2为举升系统三腔液压有杆腔压力；p3为举升系统三腔液压重力势能回收腔压力；xr为三腔液压缸实际位移；xset为三腔液压缸设定位移。

由图3(a)，(c)和(e)可知：在举升过程初始阶段，蓄能器初始压力不同时，重力势能回收腔初始压力不同，液压缸为平衡举升系统重力与维持运动，有杆腔压力也随之增加；在相同蓄能器初始压力下，整个举升过程中柱塞腔最高压力可达10 MPa，有杆腔压力维持在补油压力2 MPa；实际位移随着设定位移变化而变化，当重力势能回收腔压力为4 MPa 和6 MPa 时，实际位移存在微小波动。

图3 高能效举升系统仿真结果Fig.3 Simulation results of high energy efficiency lifting system

由图3(b)，(d)和(f)可知：在不同蓄能器初始压力下，下降过程初始阶段柱塞腔存在2～3 MPa的波动，重力势能回收腔压力越小波动越明显；在下降末尾阶段，重力势能回收腔压力为4.9，6.4和7.5 MPa，高于举升工况的初始值，三腔液压缸的实际位移与设定位移在此过程中存在7 mm 误差。综合分析对比图3可知：当重力势能回收腔压力为5 MPa时，由于重力势能回收腔提供动力与动臂举升系统自重平衡，系统压力波动和位移误差最小。

因此，提出的基于三腔液压缸和闭式泵控的高能效举升系统，可平稳、精确地按照所设定曲线完成举升和下降动作，其可行性和工作特性得到了初步验证，并通过仿真初步确定了所提液压系统的关键元件的参数，为下一步试验测试奠定了理论基础。

3 试验验证

3.1 工作特性

为验证基于三腔液压缸和闭式泵控的高能效驱动举升系统在实际工作中的动态特性，根据上述分析，对实验室中装载机动臂举升系统原有单出杆液压缸进行置换，采用可编程控制的伺服电机驱动定排量液压泵，为举升系统提供所需液压油液，选配蓄能器回收动臂举升系统的重力势能。所搭建的基于三腔液压缸和闭式泵控液压系统的高能效驱动系统试验样机如图4所示，试验样机中三腔液压缸和闭式泵控举升系统核心元件参数如表1所示。

图4 高能效举升系统试验样机Fig.4 Experiment prototype of the high energy efficiency lifting system

表1 所提举升系统核心参数Table 1 Core-parameters of the proposed system

保持与仿真过程相同的工作工况，即设定液压缸位移为400 mm，负载为0.8 t，对所提液压系统在不同重力势能回收腔压力下的工作特性进行试验测试分析，试验结果如图5所示。

由图5(a)，(c)和(e)可知：由于与仿真工况采取相同的控制信号，各腔室压力与位移随时间变化趋势与仿真中图3(a)，(c)和(e)中的类似。但相较于仿真模型，由于试验工况较仿真工况复杂，试验过程中所受的阻力较大，3种工况中的实际位移相较于设定位移有约0.3 s 滞后，三腔液压缸各个腔室的最高压力均高于仿真过程中的最高压力。

由图5(b)，(d)和(f)可知：各腔室压力与位移变化趋势与仿真中类似，三腔液压缸各个腔室最高压力仍高于仿真过程中的最高压力，实际位移仍存在滞后，并且在下降初始与末尾阶段柱塞腔压力和有杆腔压力存在微小波动。综合图5可知，当重力势能回收腔压力设为5 MPa时，三腔液压缸的波动幅度与频率均比4 MPa和6 MPa工况中的小。

为明确所提高能效驱动系统中动臂的操控性，分析图5中5 MPa工况下的三腔液压缸实际和设定的速度与位移曲线，可得如图6所示液压缸举升和下降工况中的速度与位移曲线。由图6可知：在上升和下降工况中，液压缸的实际速度vr与设定速度vset存在0.22 s滞后，在匀速运行时液压缸实际速度存在小范围的波动，最大值为7.38 mm/s。

分析对比图5和图6中可知：所构建的举升系统试验样机可平稳精确地按照所设定的曲线完成上升和下降工况，运行中响应快，超调小，具有良好的操控性。

图5 高能效举升系统试验结果Fig.5 Test results of high energy efficiency lifting system

图6 5 MPa工况高能效驱动举升系统速度曲线Fig.6 Working speed curves of high energy efficiency drive lifting system under 5 MPa working condition

3.2 能效特性

为明确所提系统的能耗特性，对试验中的系统能量消耗进行分析。

在所提液压系统中，伺服电机输出功率Pm为

伺服电机所消耗能量Em为

定排量液压泵输出功率Pp为

式中：ωm为伺服电机转速；Tm为伺服电机输出总转矩；ηp为液压泵效率；ηm为伺服电机到液压泵的传递效率。

下降过程中蓄能器回收能量E1为

式中：vr为三腔液压缸运行速度；A3为三腔液压缸重力势能回收腔的截面积。

举升过程中蓄能器提供能量E2为

蓄能器在下降过程中回收能量的效率ηR为

蓄能器在举升过程中提供能量占比ηP为

高能效驱动举升系统电机功率能耗曲线图7所示。由图7可知，在举升工况中，当重力势能回收腔初始压力为6 MPa 时，伺服电机的峰值功率最低，为3.8 kW，整个举升过程所消耗能量最低，为17.9 kJ；在下降工况中，重力势能回收腔初始压力为4 MPa 时伺服电机的峰值功率最低，为2.1 kW，整个下降过程所消耗能量最低，为5.8 kJ；在举升和下降2个工况中，当重力势能回收腔初始压力为5 MPa时，伺服电机所消耗总能量最低，为27.4 kJ。

图7 高能效驱动举升系统电机功率能耗曲线Fig.7 Servo motor output power curves of high energy efficiency drive lifting system

通过式(9)和(10)可得表2所示的蓄能器提供能量占比和回收能量效率。由表2可知，所提系统举升过程蓄能器平均可提供举升能量38.5%；下降过程中系统平均能量回收率可达73.9%；在重力势能回收腔初始压力p3=5 MPa 工况下，蓄能器能量回收率最高，为79.4%。

表2 在不同工况中蓄能器提供能量占比和回收能量效率Table 2 Energy recovery proportion provided by accumulation and efficiency of accumulator in different working processes

由上述分析可知，在下降工况举升系统和负载的重力势能直接转换为蓄能器的液压能，在上升工况蓄能器中的液压能直接转化为举升系统的重力势能，实现了装载机动臂举升系统重力势能的高效回收与利用。

4 结论

1)采用三腔液压缸，将重力势能回收腔与液压蓄能器直接相连，回收利用动臂举升系统的重力势能，此过程具有能量传递链短和能量存储效率高等优点。

2)采用闭式泵控液压系统，将三腔液压缸的柱塞腔和有杆腔直接与液压泵进出油口相连，消除了液压系统中的节流和溢流损失，通过伺服电机变转速驱动定排量液压泵，实现了动臂液压系统供需流量匹配。

3)所提系统在载质量为0.8 t、蓄能器初始压力为5 MPa工况下，蓄能器在举升过程可提供能量12.1 kJ，占总举升能量的37.7%；在下降过程中可回收能量13.9 kJ，占可回收总能量的79.4%。