综述国内外工程机械应用的液压节能技术，介绍变量泵的排量控制、ls负载敏感控制和l.udv控制等几种节能控制方式，以及它们在不iqj工况下的控制措施。介绍混合动力控制在工程机械中的应用，对工程机械液压节能的发展趋势进行分析，提出基于全局功率匹配控制的节能构想。

随着工程机械品种和数量的不断增加，大量工程机械所消耗的资源、排放的污染物以及施工中产生的噪声、粉尘对环境产生了难以估计的影响，“环境”已成为阻碍工程机械发展的新因素。工程机械产品的设计与制造要考虑适应环境生态发展的要求，开发研制环保、节能型产品是今后工程机械发展的趋势[fll，研究工程机械的节能技术具有重要的实际意义。本文主要介绍了目前工程机械液压系统的几种节能技术及其发展趋势。

为了提高产品的节能效果和满足日益严格的环保要求，国内外工程机械制造商主要从降低发动机排放，提高液压系统效率和减振、降噪等方面入手。由于在工程机械中节能最能体现在液压系统和控制系统上，所以对此方面的研究较多。

20世纪60年代，液压挖掘机开始应用恒功率变量泵，目的是既能充分利用柴油机功率，又不会使柴油机过载。将恒功率控制原理应用于双泵系统，从而出现了多种控制形式，如全功率和分功率控制。

全功率液压泵中，双泵排量靠机械或液压机构保持一致，任何情况下双泵流量都相同。但由于其本身的结构特点，全功率系统不可避免地存在功率损失，因此，目前国外的大中型挖掘机已经基本上不采用。0世纪70一80年代，正流量控制系统出现，其目的是为了用容积调速代替定量系统中的节流调速。为提高系统效率，用先导压力直接控制泵排量，在控制中，随着先导压力的增加，泵排量也相应增加。操纵手柄可同时操纵两个液压缸，引出的先导液压信号一方面控制两个六通多路阀，另一方面通过梭阀组将最大先导压力选择出来，用来控制泵排量，使液压泵输出流量与多路阀工作口的开度成正比。这种系统能减少旁路节流损失，但不能完全消除。采用这种液压系统在国外比较典型的一种产品是日立建机(hitachv生产的ex400型液压挖掘机，国内产品中比较典型的有四川长江挖掘机厂生产的wy403型全液压挖掘机和广西玉柴工程机械有限公司出产的wy20-yc型液压挖掘机。

20世纪80年代初期，日本小松(i}omatsu)公司首先推出了负流量控制系统，这种系统有助于消除六通多路阀中产生的空流损失和节流损失。通过在六通阀的旁路回油路上设置流量检测装置，控制泵排量与旁路回油流量成负线性关系，从而减小旁路回油功率损失。该技术称为olss( open centerload sensing systerr}系统，并应用于小松公司生产的pc系列挖掘机上。国内采用这种系统的挖掘机，比较典型的有贵州詹阳机械工业有限公司生产的jy320型履带式液压挖掘机。20世纪90年代后，负荷传感控制技术[f21在挖掘机上的应用越来越多，同时在其系统的多路阀上采用流量分配型的压力补偿措施，压力补偿阀设在多路阀的下游，这样，所有的多路阀阀口上的压差就可以控制在同一个值。即使泵输出流量不足，无法维持多路阀阀口上正常的负荷传感压差，在溢流型压力补偿阀的作用下，仍然可以使所有多路阀阀口上的压差继续保持一致。典型的产品有 linde 公司的 vw 系列同步阀和rexroth 公司的 ludv 阀。采用同样技术的还有韩国大宇、小松公司等。国内目前只有与国外合资的公司能够生产具有这种液压系统的挖掘机，如合肥日立公司生产的 ex 系列挖掘机[3]。

1 工程机械液压节能技术的研究现状

目前国内外工程机械的液压系统节能技术可以归纳为采用变量泵控制、电液比例控制及混合动力等几种方式。在实际应用中，几种节能途径之间各自采用的技术并不是孤立的，它们往往是紧密地结合在一起，互相渗透，形成综合的节能技术。

1.1 采用变量泵的控制方式

变量泵可以通过调节排量来适应工程机械在作业时的复杂工况要求，采用压力感应控制，有效地利用发动机功率，将节流调速改为容积调速，减少能量损失，由于其具有明显的优点而被广泛使用。变量泵只有排量一个被控对象，在采用不同的制方式时，可以使变量泵具有不同的输出特性。应根据具体的应用场合，选用相适应的变量控制形式，以便获得合适的输出特性[4-5]。变量泵的控制方式多种多样，归类起来主要有排量控制、ls 负载敏感控制和 ludv 控制三种基本控制方式。

1.1.1 排量控制

排量控制是指对变量泵的排量进行直接控制的控制方式，施加一个控制压力就可以得到一个相应的排量值。排量控制分为正流量控制和负流量控制。正流量控制的目的是为了用容积调速代替定量统中的节流调速，以提高系统效率，并在 20 世纪70—80 年代开始用于液压挖掘机。在正流量控制挖掘机上，通常采用先导式三位六通多路阀，比较典型的一种产品是日立建机生产的 ex400 型液压挖掘机，其泵排量与先导操纵压力成正比，但是在其控制系统中由于梭阀组的存在一直是正流量控制系统中的不足，不但增加了系统的复杂性，而且影响了系统的响应速度。

负流量控制系统有助于消除六通多路阀中产生的空流损失和节流损失，是一种负荷传感系统，由日本小松公司在 20 世纪 80 年代初期首先推出并用于其生产的 pc 系列挖掘机上。除小松公司外，世界上其他主要挖掘机生产商如日立建机、卡特彼勒(caterpillar)等都推出了类似的液压系统。其中包括日立建机在 1986 年推出的 ex 系列挖掘机如 ex200、卡特彼勒 cat300 系列挖掘机等，都是应用的负流量控制技术。

图 1 为川崎(kawasaki)k3v 系列负流量控制[6，9-10](指流量变化与先导控制压力成反比)的输出特性和控制方式。当先导控制压力 pi增大时，变量控制阀阀芯右移，使泵的排量减小，从而使泵的流量 q 随着 pi的增大成比例地减小。

1.1.2 ls 负载敏感控制系统

负载敏感控制能使泵的输出压力和流量自动适应负载需求，大幅度提高液压系统效率。将负载敏感控制用于类似挖掘机这样的行走式工程机械，早在 20 世纪 60—70 年代就被提出，但直到 1988年才在欧洲真正用于液压挖掘机。进入 20 世纪 90年代后，日本也开始在这方面加以研究，并推出了一系列相应的挖掘机产品，如小松公司的 pc200-6、日立建机的 ex200-2 等。

图 2 所示是 ls 控制的典型实现形式，它通过压力差对泵的排量进行控制，当 δp 与弹簧压力不平衡时，变量控制阀阀芯偏移，使泵排量发生相应变化。

图 3 所示是采用 ls 控制变量泵实现 ls 调速系统的基本原理。δp 为节流口前后压力差，δp=pa-pl，其中 pa为泵口压力，pl为负载压力。其最大的特点就是可以根据负载大小和调速要求对泵进行控制，从而实现按需供流的同时，使调速节流损失 δp控制在很小的固定值，提高系统的效率[2-11]。但是 ls控制的缺点在于，当阀开度太大，系统要求的流量超过泵的供油能力时，高负载上的执行元件的速度就会降低直至停止，使整机的操作失去协调性。

1.1.3 ludv 控制系统

为了解决 ls 负载敏感系统中出现的问题，博世力士乐公司研发出了一套系统，其系统原理图如图 4 所示。

此系统与普通负载传感不同的是：

1)压力补偿阀设在节流阀后面;

2)负载压力信号取决于梭阀的最高压力，而不是取决于本身。

由图 4 并根据压力补偿阀的受力情况可知：

式(图 4)中：pi———操纵阀阀后压力;

pm———最大负载压力;

ak———补偿阀作用面积;

fk———补偿阀弹簧压力;

pp———泵的出口压力;

δpi———操纵阀压力损失，i=1，2。

因为弹簧刚度很小，所以 fk很小，因而 pi(i=1，2)基本相等：

δp1≈δp2≈…≈pp-pi(2)

由式(2)可知，所有节流环节的压差基本都相等[12]。这样，所有的多路阀阀口上的压差就可以控制在同一个值。即使泵输出流量不足，无法维持多路阀阀口上正常的负荷传感压差，但在溢流型压力补偿阀的作用下，仍然可以使所有多路阀阀口上的压差继续保持一致。在这种情况下，虽然各执行机械的工作速度会降低，但由于所有阀口上的压差一致，因此各执行机构的工作速度之间的比例关系仍然保持不变，从而保证了挖掘机动作的准确性，这种系统在 20 世纪 90 年代得到广泛应用。

通过对上述 3 种液压系统的了解，可以得出它们的共同点和不同点，这对于我们在实际生产中究竟选用哪一套系统提供了一个参考，控制系统的比较如表 1 所示。

1.2 电液比例控制智能化

电液比例技术用于工程机械，可以省去复杂、庞大的液压信号传递管路，用电信号传递液压参数，不但能加快系统响应，而且使整个挖掘机动力系统控制更方便、灵活。

随着计算机技术的发展，电液比例控制将进一步“智能化”，这种智能化主要体现在计算机能够自动监测液压系统和柴油机的运行参数，如压力、柴油机转速等，并能根据这些参数自动控制整个挖掘机动力系统，使其运行在高效节能状态，这将是节能技术发展的一个趋势[13]。

1.3 柴油机电喷控制

现代柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术，电喷柴油机在汽车行业已开始应用，而在工程机械领域刚起步，不久将普遍推广。柴油机的电控喷射系统是通过控制喷油时间来调节负荷的大小。柴油机电控喷射系统由传感器、控制单元(ecu)和执行机构等三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与控制单元(ecu)中储存的参数值进行比较，经过处理计算，按照最佳值对执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运行状态达到最佳。

工程机械用柴油机采用电喷控制技术，可以使喷油泵的循环供油量和喷油提前角不再受转速的影响，使机械一直工作在最佳状态，并且动力响应速度快，油耗小，功率利用率高。工程机械用柴油机采用电喷控制技术是节能的一个重要环节和发展趋势。

1.4 多路阀多方式组合控制

工程机械广泛采用四通道、六通道多路阀，在多路阀的系统中有直通供油路可组成优先回路;中位时直通回油和并联供油路可组成并联回路，并将压力、流量和功率变化的信号组合进行反馈，实现控制功能较全面的负荷传感阀。如 nordhydraulic 公司在通用阀上组合一片进油联，就可实现流量负荷传感控制(ls)系统。日本小松、神钢挖掘机用川崎kmx15 多路阀，佳友挖掘机用东芝 u28 多路阀，韩国大宇挖掘机用 dx28 多路阀，均组合了压力反馈液压泵排量控制、直线行驶、回转优先、动臂和斗杆自合流等功能。多路阀的组合方式越来越智能化，将更有利于液压系统的节能[14]。

1.5 混合动力系统

目前在工程机械和汽车上已经开始使用了混合动力系统，如一些液压挖掘机和城市公交车等。混合动力分为以电能为存储方式的混合动力系统和以压力作为储能方式的混合动力系统。

1.5.1 以电能为存储方式的混合动力系统

(1)串联式混合动力系统 发动机不直接与动力传动系统相连，可保持在高效率区稳定工作。电动机随负荷的变化调节转矩和转速输出，电动机所需电能直接来源于发电机或蓄电池。由于发动机的工作区域稳定，所以排放性能好，能量效率较高。不足之处是系统的负载能力完全取决于电动机额定功率的大小，而且电动机的转速不能太低或太高，否则效率很低。

(2)并联式混合动力系统 其动力来源有两个：一个是发动机，另一个是蓄电池和电动机，二者通过转矩合成器与动力传动系统相连。机械行驶时专可以由发动机单独提供转矩，也可以由二者协同驱动(一般电驱动起辅助作用)或者当低速低负荷时只利用电驱动行驶。该系统的主要特点是发动机与电动机联合驱动，动力强劲，对控制系统的要求较高，与串联系统相比不需要发电机，当制动时电动机发挥发电机的作用可回收制动能量。

(3)混联式混合动力系统 综合了串联式和并联式混合动力的结构特点。混合式混合动力系统按照电机相对发动机的功率比大小可以分为助力型(轻度混合)、双模式型(中度混合)和续驶里程延长型。按行驶过程中电池电量的控制方式，则可分为电量维持型混合动力系统和电量消耗型混合动力系统[15-16]。

1.5.2 以压力作为储能方式的混合动力系统

(1)cumulo 驱动系统 由瑞典 volvo 公司首先提出，对城市公交车传统的机械传动系汽车进行制动能量回收的研究，并取得了成功。这种公共汽车的传动轴同时与发动机和液压泵/马达相连。当公共汽车制动时，传动轴就驱动液压泵，将备罐中的油液泵入一个压缩器，压缩器随即将氮气压入两个高压容器中。当汽车重新发动时，压缩气体被释放回原系统驱动汽车[17]。试验结果表明，在城市使用的车辆，燃料消耗量大约可降低 30%，或者在相同的燃料消耗条件下，车辆可以多行驶 45%的里程数。同时，汽车易损件制动器及同步器的使用寿命提高了 3 倍以上。与传统汽车相比，汽车的废气排放可减少约 30%，改善了汽车对环境的污染。

(2)二次调节静液驱动系统 波兰罗茨工业大学的帕沃斯基博士研究了一种采用二次调节静液驱动的新型方案。利用该方案可以使老式市内公共汽车仅用很小的花费就可以实现现代化，哈尔滨工业学液压与气动教研室正在进行这方面的研究。这是一个带有二次调节闭环控制的驱动装置，公共汽车在加速过程中，所需功率通过一次元件从柴油机和直接从液压蓄能器中吸取。当达到行驶的正常速度后，所需的功率将减小，这时仅由一次元件的输出功率即可满足;在制动时，二次元件工作在泵工况，并且为液压蓄能器重新充压。这样，液压蓄能器一方面满足功率峰值(在加速时)的要求，另一方面可回收汽车的制动能量。其优点是柴油机只用来提供汽车恒转速行驶的能量和补充系统中的液压损失，这样驱动装置构成了一个无级变速传动，使得柴油机能够工作在一个合理的工作区内，使其消耗最为合理[18-19]。

(3)cps 系统 20 世纪 90 年代，日本著名学者 hiroshi nakazawa、yasuo kita 等开始研究定压源液压驱动系统，并取得了较大进展。由于车辆全部采用了液压传动系统，因而使汽车底盘的布置更为方便。试验证明，汽车的部分性能(如动力性、燃油经济性、舒适性及制动安全性等)也得到了明显的改善。使用定压源(constant pressure source，简称 cps)的飞轮系统由于结构简单、效率高等优点，成为目前汽车能量回收系统的主要形式之一。通过发动机和飞轮的混合驱动为系统提供动力，采用定压源液压驱动系统代替传统的能量传递，从而实现能量的传递及汽车牵引力(加速/减速)的控制[20-22]。

1.6 现场总线和嵌入式系统

对于挖掘机而言，随着液压挖掘机“智能化”程度的提高，各种传感器和控制器将遍布挖掘机的各处，这将导致挖掘机内部充斥各种导线、线头，使控制系统变得复杂，可靠性降低。解决这一问题的方法是采用现场总线和嵌入式系统，使控制系统在具有强大功能的同时，还具有体积小，结构简单和可靠性高的优点。目前，在行走机械领域，已经有了这样一种现场总线，称为 can 总线。电子技术的发展也使控制芯片的体积更小，功能更强，能很容易地嵌入到行走机械各种部件的内部[7]。

1.7 其他节能措施

研发新的实用化的节能液压元件及系统，如自由活塞发动机及相关的液压变压器等。改变液压油的物理性质，如采用黏性指数高的多级液压油，也将是节能技术发展的另一个新趋势[23]。

2 工程机械液压节能技术的发展趋势

就目前的发展趋势而言，在工程机械中，功率匹配对于系统的节能有重大的影响。介绍一种全局功率匹配思想，较传统的局部功率匹配而言，调节更简单、灵活。

在挖掘机中，单纯的局部功率匹配并不能很好地实现节能效果，这是因为在作出具体的调节时，图 5 全局功率匹配流程图发动机与泵的匹配需要调节泵的排量，而泵与负载的匹配也需要调节泵的排量，这就在调节时出现了干涉现象，因此需要对这三者进行综合考虑。

目前大多数挖掘机使用的是变量泵和负载敏感系统，利用负载敏感系统中泵对负载压力和流量的自适应性实现泵与负载的匹配;然后按照泵与负载的匹配功率，确定发动机的最佳工作点，通过自动调节发动机油门的大小，使发动机在最佳工作点附近工作，这样就实现了全局的功率匹配，流程图如图 5 所示。

以挖掘机为例，具体的推导过程如下。要实现发动机、泵和负载的整体功率匹配，必须满足下式：

nte=npvg=plql(3)

式中：n———发动机转速;

te———发动机最佳节能点的转矩;

ps———泵的出口压力;

vg———泵几何排量;

pl———负载压力;

ql———负载所需流量。

计算匹配功率的负载压力 pl可通过压力传感器获得，因此只需计算负载所需的流量。介绍一种检测先导压力的方法间接获得负载所需流量。

由 2 个压力传感器分别检测左右 2 个控制手柄的先导压力。假设左手柄控制斗杆运动，右手柄控制动臂运动，压力传感器 1 检测斗杆换向阀的压力 p1，压力传感器 2 检测动臂换向阀的压力 p2。假设：a1是斗杆控制阀口开度，a2是动臂控制阀口开度，q1是斗杆液压缸所需流量，q2是动臂液压缸所需流量。

由 p1，p2与 a1，a2的关系可知：

事实上，从先导装置的数学特性可知，先导手柄位移、先导控制压力与控制流量成线性关系，则式(4)可表示成：

则负载所需流量为：

ql=q1+q2=k1p1+k22(7)

然后通过发动机的转速感应控制自动调节发动机的油门，使其与负载所需的流量达到一致，从而达到功率的有效匹配[24-25]。