權(quán)龍：《電動化趨勢下工程機械液壓技術(shù)面臨挑戰(zhàn)與發(fā)展路徑探討》
2024年05月28日09:06
2024年5月16日，以“高端·智能·綠色”為主題的工程機械行業(yè)科技節(jié)（以下簡稱科技節(jié)）在浙江杭州盛大開幕?？萍脊?jié)主題演講環(huán)節(jié)，太原理工大學(xué)機械工程學(xué)院院長權(quán)龍教授作題為《電動化趨勢下工程機械液壓技術(shù)面臨挑戰(zhàn)與發(fā)展路徑探討》的主題演講。
一、背景意義及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
2021年，在第十三屆全國人民代表大會第四次會議上，雙碳目標被寫入政府工作報告，這促進了工程機械行業(yè)電動化的迅猛發(fā)展。不到一年時間，國內(nèi)很多工程機械頭部企業(yè)就研發(fā)出電動裝載機、電動挖掘機及其他電動化裝備。也有一些非工程機械企業(yè)希望借助于電動化發(fā)展機遇，分享工程機械電動化紅利，如博雷頓。與此同時，國外工程機械企業(yè)也推出了電動裝載機和電動挖掘機，誕生了專營電動化工程裝備的新企業(yè)，如美國海威。
經(jīng)過近3年的發(fā)展，電動工程機械從裝備研發(fā)到市場推廣進展如何？據(jù)中國工程機械工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2023年，電動裝載機銷量達到3000多臺。早在十多年前，日立建機、小松等企業(yè)就推出了混合動力的裝載機和挖掘機，但很長時間都沒有獲得市場認可。而我們能在這么短的時間內(nèi)取得這樣的成績，說明在技術(shù)上有了很大的創(chuàng)新，特別在2024年，電動裝載機有了更大的發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，僅3月就達到600多臺的銷量。
但在裝載機得以快速推廣應(yīng)用的同時，電動挖掘機的推廣應(yīng)用就不盡如人意。背后的原因是什么？下面我將從能量流的觀點做一些分析，以便能為后續(xù)的技術(shù)研發(fā)有所幫助。
二、存在問題與技術(shù)挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)裝載機的能量傳遞路徑是由柴油機到液力變距器再到減速器，之后一路驅(qū)動液壓泵為作業(yè)系統(tǒng)提供動力，另一路驅(qū)動行走系統(tǒng)，受內(nèi)燃機效率的影響，整機能效都比較低。電動機替代內(nèi)燃機后，雖然液壓系統(tǒng)能效仍然比較低，但因作業(yè)時長和功率占比較小，對系統(tǒng)能效影響不是很大?？蓪嵭凶呦到y(tǒng)去掉液力變矩器后，能量傳遞主要依靠電動機和減速器，且作業(yè)時長和功率占比都比較大，能效達到70%左右，既節(jié)能又減碳，同時在很短的時間內(nèi)能夠收回電池成本，所以電動裝載機得到了市場普遍認可。
再看挖掘機，傳統(tǒng)能量流是內(nèi)燃機驅(qū)動液壓泵再經(jīng)閥控系統(tǒng)驅(qū)動作業(yè)機構(gòu)，受內(nèi)燃機的影響整機能效不足15%，液壓系統(tǒng)能效低于30%。電動化后，動力源能效提升到90%，但受液壓系統(tǒng)影響，整機能效仍然僅為30%左右，這樣70%的電池能量就被浪費。盡管電池容量已增大許多，但由于效率很低，作業(yè)時長不能滿足用戶需求，電池費用占比又達到整機的40%左右，投資回報期比較長，從而造成電動挖掘機難以像電動裝載機一樣快速推廣應(yīng)用。
通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)，電動裝載機液壓系統(tǒng)的能效仍然較低，是下一步需要提升的重點，但因為該產(chǎn)品以行走為主，所以能夠很快獲得市場認可。但液。對于以作業(yè)為主的工程機械，如挖掘機，其核心問題是怎樣提升液壓系統(tǒng)的能效。這是整個行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。
三、純電驅(qū)動解決路徑
2015年，沃爾沃建筑設(shè)備推出全電執(zhí)行器驅(qū)動的挖掘機，使得之前主要應(yīng)用于室內(nèi)裝備中的電動缸引入到工程機械設(shè)備領(lǐng)域。隨后，日本的洋馬和小松公司推出了無人操控的小型純電挖掘機，但目前無人操控技術(shù)在中大型挖掘機上的實用性和可靠性尚有待驗證。國內(nèi)也有企業(yè)推出了采用電動缸作為執(zhí)行器，電池與液化天然氣作動力的中型挖掘機和裝載機，采用增程方式提高了作業(yè)時長。
同時，美國穆格與山貓和小松合作，推出了采用電動缸驅(qū)動的輪式和滑移式裝載機。德國某研究機構(gòu)對分別采用電動缸（EMA）和電靜液執(zhí)行器（EHA）驅(qū)動六自由度平臺的特性做了對比，兩個方案最高能效基本相當，EMA是74%，EHA是71%，但是最大輸出力EHA是EMA的3倍多，說明液壓缸并不是沒有優(yōu)勢，即使在電動缸的發(fā)展驅(qū)使下還有功率密高、輸出力大、抗沖擊振動等優(yōu)勢。
四、電驅(qū)液傳解決方案
美國普渡大學(xué)對分別采用集中式電機經(jīng)分動箱驅(qū)動多臺變排量液壓泵和分布式電機驅(qū)動定量液壓泵用于5t液壓挖掘機的能量特性做了對比，集中式的電機方案可用于發(fā)動機系統(tǒng)。與內(nèi)燃機驅(qū)動的負載敏感液壓系統(tǒng)挖掘機對比，集中式電機方案的裝機功率基本相當，但能效提升了50%以上。完全分布式方案能效也能提升50%以上，但裝機功率要比傳統(tǒng)內(nèi)燃機驅(qū)動的設(shè)備高出好多倍，研究數(shù)據(jù)顯示為8倍（可能條件不同），總體來說分布式方案的裝機功率很大。
荷蘭INNAS和德國BUCHER公司推出了浮杯泵新型液壓泵，泵的整體效率達到94%~97%，這是一個革命性的變革。BUCHER公司已經(jīng)把這個泵和它的系統(tǒng)用到一些臂架類工程機械上，驅(qū)動重載舉升機構(gòu)。相比負載敏感系統(tǒng)，它的驅(qū)動功率和能耗只有原來機型的1/5左右，但泵的啟動效率非常高，所以在液壓領(lǐng)域是一個巨大的提升。
另外一個進展是數(shù)字變排量泵，不是通過改變擺角來改變泵的輸出流量，而是改變每個柱塞的吸排油量來改變泵的輸出流量。這類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上采用模塊化設(shè)計，單泵的柱塞數(shù)可以改變，多個泵可以靈活組合。由于采用閥配流，也使泵的效率較現(xiàn)有的柱塞泵有很大提升。該設(shè)計思路在裝載機和挖掘機上做了大量試驗研究，能效可提高50%~60%。
沃爾沃與芬蘭諾赫德合作，推出了多容腔數(shù)字缸和數(shù)字閥組合驅(qū)動的執(zhí)行器。數(shù)字閥用4個開關(guān)閥代替一個比例閥，采用閥口獨立控制，通過缸和閥的配合，缸的輸出力從正向到負向有數(shù)十個組合，能消除多執(zhí)行器復(fù)合驅(qū)動時載荷差異造成的節(jié)流損失。通過回收動勢能，采用恒壓網(wǎng)絡(luò)等方案，使系統(tǒng)能效由過去不足20%提升到60%以上。這也是行業(yè)里的比較認可的一個方案。沃爾沃也把這樣的技術(shù)用到挖掘機和裝載機中。
五、電氣液壓雙動力一體化驅(qū)控路徑
如果能夠顯著提升液壓系統(tǒng)能效，就可以解決前面提到的由于液壓系統(tǒng)能效低而制約電動化工程機械推廣和應(yīng)用的問題。
前面所講的解決路徑都是國外企業(yè)的研究成果，某些技術(shù)并不對我國開放，如高效率的浮杯泵，目前德國和美國都在推出這樣的產(chǎn)品，其他的技術(shù)路徑也都有知識產(chǎn)權(quán)保護。所以，作為工程機械制造大國，我們必須發(fā)展我國自主的高能效驅(qū)動與傳動技術(shù)方案，應(yīng)對電動化帶來的挑戰(zhàn)。
下面簡要介紹我們正在開展的研究工作。簡單講就是把電動缸EMA和電靜液執(zhí)行器EHA集成在一起，通過改變液壓缸的面積和系統(tǒng)壓力，能夠提高電動缸的功率密度。集成以后，這個執(zhí)行器就同時擁有了EMA和EHA的兩個執(zhí)行器的優(yōu)點，同時克服了各自的不足。本質(zhì)上就是用一個小功率的電動缸，相當于一個比例閥或者伺服閥，但沒有節(jié)流損失，高能效、高性能地代替現(xiàn)有系統(tǒng)的伺服比例閥控制執(zhí)行器的運動。
研究中，我們首先對這個執(zhí)行器的方案在建立的試驗臺上做了全面分析和測試，測試結(jié)果驗證了方案的有效性后，我們把這個執(zhí)行器裝到實驗室的6t液壓挖掘機上，分別代替原有的斗桿液壓缸和動臂液壓缸進行驗證，對抗沖擊、抗振動特性也做了驗證。用液壓缸和電動缸集成一體化，新的執(zhí)行器也繼承了液壓缸抗沖擊、耐振動的特性優(yōu)點。通過試驗表明，相對于原有負載敏感系統(tǒng)，斗桿系統(tǒng)的能耗降低了44%，動臂系統(tǒng)的能耗降低了70%，一個完整的挖掘和裝載循環(huán)整機能效由原系統(tǒng)的25%提升到57%，進一步集成回轉(zhuǎn)和鏟斗技術(shù)，整機能效還可以進一步提升。
六、總結(jié)與結(jié)論
1.傳動系統(tǒng)的能效是制約以作業(yè)為主的電動化工程機械推廣應(yīng)用的關(guān)鍵所在，對購機成本、作業(yè)時長和使用便捷性都有很大影響，大幅提高驅(qū)動與傳動系統(tǒng)的能效是破解這一難題的最佳路徑。
2.電—機械傳動具有能效高、控制特性好的優(yōu)勢，被認為是有望替代液壓技術(shù)的傳動方式，但剛性傳遞動力，傳遞力受電機體積和重量限制，目前在小型工程機械上有一定的優(yōu)勢，應(yīng)用于大功率設(shè)備和在沖擊、振動等交大的惡劣工況的適應(yīng)性、可靠性還有待進一步驗證。
3.國外研發(fā)的數(shù)字排量泵、浮杯泵和數(shù)字液壓缸技術(shù)已比較成熟，可極大提升液壓系統(tǒng)的能效，并在電動化工程機械上獲得了應(yīng)用和驗證，將會對我國發(fā)展電動化工程機械形成新的“卡脖子”技術(shù)。
4.借助電動化技術(shù)實現(xiàn)彎道超車，必須發(fā)展我國自主的高能效傳動技術(shù)破解液壓系統(tǒng)能效低的難題。電氣液壓雙動力一體化驅(qū)動方式集成了電氣和液壓兩種傳動方式的優(yōu)勢，具有高功率密度、高能效和高性能特點，開辟了一條全新的技術(shù)路徑，需要進一步在中大型設(shè)備中驗證技術(shù)的有效性。
作者：權(quán)龍 協(xié)會宣傳部整理并本人審核同意
初審：董萌
復(fù)審：張宏梅
終審：吳培國
編輯：楊艷麗
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