液壓節(jié)能技術(shù)在電動叉車行業(yè)的應(yīng)用研究

□ 李靈芝 □ 柯 堅 □ 楊志軍 □ 楊雯雯 □ 王一新

西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院 成都 610031

現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展，我國作為資源和人口大國，對能源的消耗和需求量逐年激增。然而，由于傳統(tǒng)化石能源枯竭短缺，導(dǎo)致能源供應(yīng)緊張，能源危機和節(jié)能減排壓力情況嚴峻，能源和環(huán)境問題已成為當今工業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)，龐大的市場需求和嚴峻的能源環(huán)境約束之間的矛盾日益尖銳。

節(jié)能環(huán)保事業(yè)大力推動了車輛電動化的轉(zhuǎn)型升級，對電動叉車的液壓系統(tǒng)能耗也提出了更高的標準和要求。因此，對電動叉車進行液壓節(jié)能研究分析，有助于解決叉車能耗問題，提升車載電池續(xù)航能力，延長整車作業(yè)時間，推動電動叉車的普及。

1 電動叉車液壓傳動系統(tǒng)工作特點

液壓傳動系統(tǒng)是叉車的核心組成部分，目前幾乎所有電動叉車的工作裝置都采用液壓傳動系統(tǒng)，另外，驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等也多采用液壓傳動。液壓傳動系統(tǒng)的特性直接影響電動叉車的作業(yè)性能和工作效率。

電動叉車液壓傳動系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由舉升液壓回路、轉(zhuǎn)向液壓回路、傾斜液壓回路和液壓動力源組成。電動機驅(qū)動液壓泵，為系統(tǒng)提供壓力油。優(yōu)先流量控制閥為轉(zhuǎn)向液壓缸優(yōu)先供油，保證任何情況下轉(zhuǎn)向安全有效。同時，全液壓轉(zhuǎn)向器可以增大操縱力矩，實現(xiàn)叉車轉(zhuǎn)向的靈活控制。多路換向閥用于實現(xiàn)舉升液壓缸和傾斜液壓缸的方向控制，其中的溢流閥用于設(shè)定系統(tǒng)回路的最大工作壓力［1］。

由于運輸裝卸作業(yè)性質(zhì)為工作不連續(xù)且負荷變化頻繁，電動叉車需實現(xiàn)循環(huán)啟停和升降等動作，導(dǎo)致叉車液壓傳動系統(tǒng)的各類閥頻繁動作，液壓油發(fā)熱嚴重，能量損失較大，系統(tǒng)效率低下。

2 電動叉車能耗分析

電動叉車能量消耗主要集中于舉升負載、車輪驅(qū)動、轉(zhuǎn)向和傾斜這四個方面。舉升過程通過升降叉架，實現(xiàn)液壓能到貨物勢能的轉(zhuǎn)換。車輪驅(qū)動由行走電機消耗電能，并轉(zhuǎn)換為車輪的動能。轉(zhuǎn)向過程消耗液壓能，完成轉(zhuǎn)向液壓缸的轉(zhuǎn)向作業(yè)。傾斜動作的能耗較少，通常不予討論。

電動叉車能耗消耗試驗采用JB/T 3300—2010《平衡重式叉車整機試驗方法》，標準工況運行路線如圖2所示。按標準載荷及運行狀態(tài)進行能耗測定試驗，不間斷進行操作和運行，直至滿足60次/h標準循環(huán)的試驗要求［2］。

用電流、電壓、流量、壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集卡記錄整個試驗過程的數(shù)據(jù)，繪制整理電動叉車各項運行工況時電流、電壓與時間的關(guān)系曲線，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算得出一次標準循環(huán)工作中電動叉車的各項工況耗能分布情況，見表1［3］。

▲圖1 電動叉車液壓傳動系統(tǒng)

▲圖2 電動叉車標準工況運行路線

表1 電動叉車耗能分布

由表1可知，電動叉車舉升和行走工況的能耗占比較大，而傳統(tǒng)叉車液壓傳動系統(tǒng)在下降負載時通過溢流閥向油箱釋放高壓油，制動時通過制動分泵推動摩擦片將車輪動能轉(zhuǎn)換為熱能，能量損失較大。因此，目前的電動叉車節(jié)能研究內(nèi)容主要偏重于對舉升勢能和車輪動能的回收再利用。

3 電動叉車液壓節(jié)能技術(shù)

3.1 伺服電機-液壓泵/馬達驅(qū)動技術(shù)

結(jié)合二次元件和現(xiàn)代電力傳動特點的伺服電機-液壓泵/馬達驅(qū)動技術(shù)，采用伺服調(diào)速驅(qū)動電動機、液壓泵或馬達代替?zhèn)鹘y(tǒng)叉車液壓傳動系統(tǒng)中控制液壓缸活塞位置的比例閥，能實現(xiàn)精確調(diào)速控制和負載勢能回收。

當負載下降時，負載勢能由處于馬達工況的二次元件轉(zhuǎn)換為動能，驅(qū)動處于發(fā)電機工況的變頻器控制伺服電機，其快于毫秒級的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度主動將產(chǎn)生的電能反饋至直流電路。電網(wǎng)系統(tǒng)選用充放電速度優(yōu)于鉛酸蓄電池的超級電容作為蓄能元件，用以儲存回收的電能［4］，如圖3所示。

▲圖3 伺服電機-液壓泵/馬達驅(qū)動技術(shù)電液回路

3.2 變頻液壓動力傳動技術(shù)

變頻調(diào)速技術(shù)依靠改變供電電源的頻率，實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的無級調(diào)速功能，使電動機始終處在高效率的工作狀態(tài)。將電動機的變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電動叉車液壓傳動系統(tǒng)中，發(fā)展出變頻液壓動力傳動新型節(jié)能技術(shù)［5］，形成全局型節(jié)能的變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速系統(tǒng)，其工作效率將明顯高于傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)和容積控制系統(tǒng)。

通過采用變頻器+交流電動機+定量泵的組合形式，取代傳統(tǒng)液壓傳動系統(tǒng)中的變量泵，如圖4所示?？刂破鞲鶕?jù)系統(tǒng)油路反饋信息，自動調(diào)整變頻器的輸出信號，從而改變電動機轉(zhuǎn)速匹配系統(tǒng)的實際功率。在節(jié)省安全閥使用數(shù)量、簡化液壓傳動系統(tǒng)回路的同時，可以減少液壓傳動系統(tǒng)的能量損失，提高電源的利用效率［6］，擴大電動機的調(diào)速范圍，且可達到更好的調(diào)速控制特性，大大降低噪聲，具有良好的節(jié)能效果。

▲圖4 變頻液壓動力傳動技術(shù)原理框圖

3.3 二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)

二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)是在恒壓網(wǎng)絡(luò)中對二次元件進行排量控制，實現(xiàn)液壓能與機械能相互轉(zhuǎn)換的一種新型容積調(diào)速液壓節(jié)能技術(shù)［7］。系統(tǒng)中壓力基本保持穩(wěn)定，只通過對二次元件的排量控制來實現(xiàn)系統(tǒng)和負載兩端的功率匹配。

電動叉車節(jié)能研究中通常將二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)應(yīng)用于車輪制動時的動能回收，如圖5所示。具有可逆功能的二次元件起到節(jié)能的關(guān)鍵作用：在電動叉車正常作業(yè)時，處于馬達工況，驅(qū)動車輪，輸出功率；車輪制動時，處于泵工況，將車輪的慣性能轉(zhuǎn)換為液壓能，反向向系統(tǒng)恒壓源的蓄能器輸入能量，待下次需驅(qū)動車輪時再釋放回收的液壓能，以減輕電動機的驅(qū)動負荷，實現(xiàn)節(jié)能。

▲圖5 二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)原理

由于二次元件直接與叉車驅(qū)動系統(tǒng)中的恒壓油源相連，因此沒有原理性的節(jié)流損失，系統(tǒng)效率較高，避免了工作過程中不必要的能量損失。另外，恒壓油源中的蓄能器不但能平穩(wěn)系統(tǒng)油壓峰值，而且可通過回收和釋放液壓能有效提高系統(tǒng)的工作效率。

3.4 負載敏感技術(shù)

負載敏感技術(shù)是一種能夠感知系統(tǒng)壓力和流量需求，而且僅提供系統(tǒng)所需流量和壓力，大幅提高系統(tǒng)效率的壓力閉環(huán)泵控液壓節(jié)能技術(shù)。這一技術(shù)具有低功率損失的特點，節(jié)省了系統(tǒng)能量損耗，降低了液壓系統(tǒng)油液的發(fā)熱量，所以相比其它傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)，其效率更高。

普通電動叉車通常采用定量泵液壓傳動系統(tǒng)，由于固定分流的形式，造成系統(tǒng)的能量損失較大，系統(tǒng)發(fā)熱嚴重，元件壽命較短。如圖6所示，電動叉車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，通過采用定量泵負載敏感技術(shù)［8］，可以按照轉(zhuǎn)向油路的流量需求向系統(tǒng)提供合適的壓力油，對轉(zhuǎn)向回路進行壓力補償，保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供油充足，轉(zhuǎn)向輕便，改善系統(tǒng)的熱平衡。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多出的油液可直接供給叉車的其它工作裝置，所以在給系統(tǒng)配置定量泵時，可以考慮選擇排量較小的定量泵，在節(jié)能的同時還能確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

▲圖6 定量泵負載敏感技術(shù)原理

3.5 蓄能器能量回收技術(shù)

相比機械蓄能元件和電氣蓄能元件，蓄能器作為液壓屬性蓄能元件，功率密度較高，更適用于負載變化頻繁的場合，且具有更高的能量回收效率，在電動叉車液壓節(jié)能元件選擇中占據(jù)一定的優(yōu)勢。

采用蓄能器進行電動叉車液壓節(jié)能時，通常將其連接在負載下降的液壓回路，必要時還可在系統(tǒng)回油路和蓄能器之間加入液壓變壓器，調(diào)高回油壓力，提升蓄能器回收的能量，如圖7所示。

當電動叉車進行貨物下降動作時，負載勢能轉(zhuǎn)換為液壓能，使舉升液壓缸中的液壓油進入蓄能器支路，蓄能器開始回收舉升勢能。當下一次需要舉升貨物時，蓄能器釋放所吸收的液壓能，聯(lián)合輔助電動機一并實現(xiàn)電動叉車的負載舉升，達到節(jié)能效果。此外，蓄能器還可以抑制系統(tǒng)的油壓波動，提高整車的可靠性和使用壽命。

▲圖7 蓄能器能量回收技術(shù)原理

4 電動叉車液壓節(jié)能研究思考

目前，電動叉車液壓節(jié)能研究的成果主要集中于對計算機仿真分析和試驗測試，技術(shù)尚不成熟，市場應(yīng)用規(guī)模較小，距離實際的工程應(yīng)用還有一定差距。為此，必須多與實踐結(jié)合，加快從試驗測試到工程應(yīng)用的進程，將科研成果轉(zhuǎn)化為工程實踐。

龐大的能量回收裝置加重了電動叉車車身質(zhì)量，無形中增大了電動叉車的驅(qū)動能耗。因此，節(jié)能的同時必須兼顧車身附加設(shè)備耗能等潛在問題，不斷完善和加強對設(shè)備元件的輕量化設(shè)計。

當前液壓節(jié)能方案中，所應(yīng)用的部分元器件價格昂貴，設(shè)計過程中對成本問題欠缺考慮。在實現(xiàn)工程應(yīng)用和市場推廣前，成本控制問題必須得到合理解決。

5 總結(jié)和展望

通過對電動叉車行業(yè)液壓節(jié)能技術(shù)的分析可見，目前傳統(tǒng)電動叉車普遍為非環(huán)保節(jié)能型，其節(jié)能改造空間大有可為，發(fā)展前景廣闊。對其進行液壓節(jié)能研究，不僅可以提高能源利用效率，帶來可觀的經(jīng)濟效益，而且能夠直接推動節(jié)能減排環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。

不難預(yù)料，伴隨著科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，電動叉車的液壓節(jié)能技術(shù)和智能制造工業(yè)、工控自動化等技術(shù)結(jié)合將越來越緊密，逐步向?qū)崿F(xiàn)機電液一體化趨勢發(fā)展［9-11］。各學(xué)科協(xié)同發(fā)展的新局面必將引領(lǐng)電動叉車在運輸物流領(lǐng)域中發(fā)揮更重要的作用，更加高效、靈活地完成各項預(yù)期的工程任務(wù)。