液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收專(zhuān)利技術(shù)綜述

戶(hù)秀妹+韓蘭蘭

摘 要：液壓挖掘機(jī)在工作過(guò)程中，動(dòng)臂需要頻繁舉升和下降，并且由于動(dòng)臂在下降過(guò)程中存在著很大的重力勢(shì)能，而大部分重力勢(shì)能都消耗在多路閥的閥口上，轉(zhuǎn)化為熱能，引起了系統(tǒng)的溫度升高并造成了資源的浪費(fèi)。本文對(duì)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行分析，從中國(guó)、國(guó)外的專(zhuān)利申請(qǐng)量、申請(qǐng)人的分布等多方面統(tǒng)計(jì)分析，闡述了動(dòng)臂勢(shì)能回收領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)發(fā)展趨勢(shì)，追蹤了動(dòng)臂勢(shì)能回收領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)，重點(diǎn)針對(duì)蓄能器、再生流量閥、混合動(dòng)力技術(shù)這三大回收方式進(jìn)行研究，對(duì)其發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了梳理。針對(duì)國(guó)外重要申請(qǐng)人進(jìn)行分析，同時(shí)通過(guò)實(shí)際案例介紹了專(zhuān)利技術(shù)綜述在審查實(shí)踐中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；液壓系統(tǒng)；節(jié)能；動(dòng)臂；勢(shì)能；回收；再生閥；油液混合動(dòng)力；油電混合動(dòng)力

中圖分類(lèi)號(hào)：TU712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 概述

目前，液壓挖掘機(jī)是液壓系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的機(jī)械設(shè)備，在各種基礎(chǔ)建設(shè)中起著相當(dāng)重要的作用。隨著科技的不斷發(fā)展，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)的數(shù)量迅速增長(zhǎng)。然而快速增長(zhǎng)的液壓挖掘機(jī)數(shù)量勢(shì)必會(huì)帶來(lái)一系列的能源消耗、環(huán)境污染等問(wèn)題。因此，提高液壓挖掘機(jī)的能源有效利用率成成企業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。通過(guò)大量研究表明：傳統(tǒng)的液壓挖掘機(jī)中，發(fā)動(dòng)機(jī)僅有20%的輸出功率轉(zhuǎn)變?yōu)橥诰驒C(jī)的有效功率。隨著能源匱乏和環(huán)境污染的日益加重，能源的有效利用率成為評(píng)價(jià)挖掘機(jī)是否先進(jìn)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。因此，液壓挖掘機(jī)的能源有效利用率逐漸引起人們的關(guān)注，成為液壓挖掘機(jī)企業(yè)發(fā)展與進(jìn)步的趨勢(shì)。

2 動(dòng)臂勢(shì)能回收技術(shù)專(zhuān)利分析

考慮到本文所分析主題的特點(diǎn)，主要采用以了分類(lèi)號(hào)為主，關(guān)鍵詞為輔的檢索方式，國(guó)際專(zhuān)利分類(lèi)表中分類(lèi)號(hào)F15B21/14是關(guān)于能量回收裝置的分類(lèi)，F(xiàn)15B1/00是關(guān)于蓄能器的分類(lèi)，E02F9/22是關(guān)于挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)的分類(lèi)，另外在外文庫(kù)中使用更為細(xì)分的FT、FI和EC等分類(lèi)號(hào)進(jìn)行檢索。

動(dòng)臂勢(shì)能回收技術(shù)是一項(xiàng)在中國(guó)起步較晚的技術(shù)，其申請(qǐng)?jiān)?000年以后才逐步開(kāi)始，其專(zhuān)利申請(qǐng)量總體上呈逐年上升趨勢(shì)，且可以劃分為以下3個(gè)階段：技術(shù)起步期（2002-2005）、初步發(fā)展（2005-2011）和迅速發(fā)展期（2011-2015）。在技術(shù)起步初期，主要是以國(guó)外申請(qǐng)為主，國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)技術(shù)尚處于發(fā)展初期；在初步發(fā)展期，專(zhuān)利申請(qǐng)量較起步其已有了明顯增長(zhǎng)，但尚無(wú)大量申請(qǐng)；到了迅速發(fā)展期，專(zhuān)利申請(qǐng)量有了質(zhì)的飛躍，這與科技的迅速發(fā)展與市場(chǎng)需求是緊密相關(guān)的。

在動(dòng)臂勢(shì)能回收領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)主要申請(qǐng)人以大公司和高校/研究院所為主，個(gè)人申請(qǐng)相對(duì)較少。實(shí)際上，由于相較日本、美國(guó)等液壓技術(shù)較為先進(jìn)的國(guó)家，動(dòng)臂勢(shì)能回收技術(shù)在國(guó)內(nèi)起步較晚，并且很多技術(shù)尚在研發(fā)階段，因而研發(fā)主力主要集中于大公司和高校/研究院所。

國(guó)外申請(qǐng)人主要集中在日本、美國(guó)和德國(guó)等液壓技術(shù)較為發(fā)達(dá)的國(guó)家，其中日本獨(dú)占鰲頭，申請(qǐng)量占到總申請(qǐng)量的將近75%。由于日本的礦產(chǎn)資源較為匱乏，因此日本人的節(jié)能環(huán)保意識(shí)較強(qiáng)，這一點(diǎn)也體現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的能量回收這一技術(shù)的發(fā)展上。并且主要集中在日立建機(jī)（HITT）、卡特比勒（CATE）和小松制作所（KOMS）等挖掘機(jī)技術(shù)較先進(jìn)的公司。

3 動(dòng)臂勢(shì)能回收技術(shù)的發(fā)展概況

目前，對(duì)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收方案主要有使用蓄能器、流量再生和混合動(dòng)力3種方案。

在早期的申請(qǐng)中主要是以蓄能器作為能量回收的儲(chǔ)能元件，蓄能器的作用主要是儲(chǔ)存系統(tǒng)液壓油的壓力能，在動(dòng)臂勢(shì)能回收技術(shù)中主要是在動(dòng)臂液壓缸回油油路上設(shè)置蓄能器。例如文獻(xiàn)（JPS5337283A）公開(kāi)了一種油壓回路，其在動(dòng)臂液壓缸回油油路上設(shè)置蓄能器，將動(dòng)臂下降時(shí)的勢(shì)能儲(chǔ)存在蓄能器中，當(dāng)動(dòng)臂上升時(shí)再將儲(chǔ)存在蓄能器中的壓力能釋放出來(lái)。即簡(jiǎn)單地將蓄能器設(shè)置在液壓缸的回路上，而這種僅僅使用蓄能器進(jìn)行勢(shì)能回收的專(zhuān)利申請(qǐng)大量存在與早期申請(qǐng)中，而其申請(qǐng)量相比其他兩種方式正在逐漸減小。

使用流量再生閥進(jìn)行能量回收主要是在動(dòng)臂液壓缸回油油路上增加了流量再生閥，將一部分回油油液引回進(jìn)油回路上，提高系統(tǒng)的工作效率。但是這種方案是基于節(jié)流調(diào)速技術(shù)，仍然存在著節(jié)流損失。再生閥是目前在大型挖掘機(jī)上普遍采用的一種能量回收裝置。

混合動(dòng)力技術(shù)按儲(chǔ)能元件類(lèi)型可分為油電混合動(dòng)力和油液混合動(dòng)力，其中油電混合動(dòng)力采用蓄電池或超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，而油液混合動(dòng)力技術(shù)主要是利用液壓蓄能器作為儲(chǔ)能元件。

油電混合動(dòng)力技術(shù)一般是在動(dòng)臂液壓缸回油油路上串聯(lián)液壓馬達(dá)，該液壓馬達(dá)與發(fā)電機(jī)同軸相聯(lián)，通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)將動(dòng)臂的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成電能存儲(chǔ)到蓄電池或超級(jí)電容中，或者是待動(dòng)臂再次上升時(shí)，這部分電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)做功，與發(fā)動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，將電能轉(zhuǎn)化為液壓能。如文獻(xiàn)（JP2010216189A）公開(kāi)了一種油電混合動(dòng)力，液壓缸下降時(shí)的重力勢(shì)能帶動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，蓄電裝置將電能儲(chǔ)存在其中，待動(dòng)臂再次上升時(shí)，這部分電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)做功，與發(fā)動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，將電能轉(zhuǎn)化為液壓能。從中可以看出，能量回收經(jīng)過(guò)了液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、蓄電池或超級(jí)電容、電動(dòng)機(jī)等元件，能量轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)復(fù)雜，每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)有能量損失。所以，油電混合動(dòng)力技術(shù)成本高、能量回收效率低，并且蓄電池或超級(jí)電容存在功率密度低，價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。

油液混合動(dòng)力一般在動(dòng)臂液壓缸回油油路上串聯(lián)蓄能器和液壓馬達(dá)，將動(dòng)臂下降的重力勢(shì)能儲(chǔ)存在蓄能器中，待動(dòng)臂再次上升時(shí)，這部分勢(shì)能驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，馬達(dá)帶動(dòng)液壓泵旋轉(zhuǎn)作為輔助油源。如文獻(xiàn)（CN103671365A）公開(kāi)了一種油液混合動(dòng)力，當(dāng)動(dòng)臂下降時(shí)，儲(chǔ)存在液壓缸無(wú)桿腔中的液壓能通過(guò)升壓設(shè)備暫時(shí)儲(chǔ)存在蓄能器中，液壓油的壓力得到增強(qiáng)。當(dāng)動(dòng)臂上升時(shí)，儲(chǔ)存在蓄能器中的壓力油通過(guò)單向閥進(jìn)入到液壓缸的無(wú)桿腔，動(dòng)臂的勢(shì)能得到了循環(huán)利用。并可看出，其轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較少，能量損失較少。因此，油液混合動(dòng)力技術(shù)是目前能量回收研究的重點(diǎn)，越來(lái)越受到各大公司和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的重視，并逐漸成為未來(lái)能量回收的研究方向。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，混合動(dòng)力技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，在液壓挖掘機(jī)領(lǐng)域也得到了很大的發(fā)展，使用混合動(dòng)力的液壓挖掘機(jī)已經(jīng)受到全球各大重型工業(yè)廠商以及高?？蒲袡C(jī)構(gòu)的關(guān)注，并逐漸開(kāi)展該方面的研究。一些液壓挖掘機(jī)技術(shù)較先進(jìn)的企業(yè)已經(jīng)生產(chǎn)出了小批量的樣機(jī)，而且推向市場(chǎng)并取得了良好的反響。當(dāng)混合動(dòng)力技術(shù)日臻成熟，混合動(dòng)力挖掘機(jī)發(fā)展規(guī)模日趨增大，當(dāng)其大量投放市場(chǎng)時(shí)，因?yàn)槠鋭?dòng)力系統(tǒng)自身裝備的蓄能裝置及能量轉(zhuǎn)換裝置，其為液壓挖掘機(jī)機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收提供了有利的發(fā)展條件。因此，為提高液壓挖掘機(jī)的能量有效利用率，降低液壓系統(tǒng)的能量損失，有必要研究采用混合動(dòng)力的液壓挖掘機(jī)及其中的能量回收方法。

展望未來(lái)，由于科技的不斷進(jìn)步，一些新興技術(shù)也得到了快速發(fā)展，比如微電子技術(shù)、傳感控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等，這些技術(shù)與節(jié)約能源的理念相融合，將大大地提高液壓系統(tǒng)的能源有效利用率，制造出對(duì)環(huán)境更為友好的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

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