權龍：《電動化趨勢下工程機械液壓技術面臨挑戰與發展路徑探討》
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科技節（以下簡稱科技節）在浙江杭州盛大開幕。科技節主題演講環節，太原理工大學機械工程學院院長權龍教授作題為《電動化趨勢下工程機械液壓技術面臨挑戰與發展路徑探討》的主題演講。
一、背景意義及產業現狀
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電動化的迅猛發展。不到一年時間，國內很多工程機械頭部企業就研發出電動裝載機、電動挖掘機及其他電動化裝備。也有一些非工程機械企業希望借助于電動化發展機遇，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，如美國海威。
經過近3年的發展，電動工程機械從裝備研發到市場推廣進展如何？據中國工程機械工業協會數據統計，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取得這樣的成績，說明在技術上有了很大的創新，特別在2024年，電動裝載機有了更大的發展，據統計數據顯示，僅3月就達到600多臺的銷量。
但在裝載機得以快速推廣應用的同時，電動挖掘機的推廣應用就不盡如人意。背后的原因是什么？下面我將從能量流的觀點做一些分析，以便能為后續的技術研發有所幫助。
二、存在問題與技術挑戰
傳統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，之后一路驅動液壓泵為作業系統提供動力，另一路驅動行走系統，受內燃機效率的影響，整機能效都比較低。電動機替代內燃機后，雖然液壓系統能效仍然比較低，但因作業時長和功率占比較小，對系統能效影響不是很大。可實行走系統去掉液力變矩器后，能量傳遞主要依靠電動機和減速器，且作業時長和功率占比都比較大，能效達到70%左右，既節能又減碳，同時在很短的時間內能夠收回電池成本，所以電動裝載機得到了市場普遍認可。
再看挖掘機，傳統能量流是內燃機驅動液壓泵再經閥控系統驅動作業機構，受內燃機的影響整機能效不足15%，液壓系統能效低于30%。電動化后，動力源能效提升到90%，但受液壓系統影響，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用。
通過總結發現，電動裝載機液壓系統的能效仍然較低，是下一步需要提升的重點，但因為該產品以行走為主，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的能效。這是整個行業面臨的挑戰。
三、純電驅動解決路徑
2015年，沃爾沃建筑設備推出全電執行器驅動的挖掘機，使得之前主要應用于室內裝備中的電動缸引入到工程機械設備領域。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在中大型挖掘機上的實用性和可靠性尚有待驗證。國內也有企業推出了采用電動缸作為執行器，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動的輪式和滑移式裝載機。德國某研究機構對分別采用電動缸（EMA）和電靜液執行器（EHA）驅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勢，即使在電動缸的發展驅使下還有功率密高、輸出力大、抗沖擊振動等優勢。
四、電驅液傳解決方案
美國普渡大學對分別采用集中式電機經分動箱驅動多臺變排量液壓泵和分布式電機驅動定量液壓泵用于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動機系統。與內燃機驅動的負載敏感液壓系統挖掘機對比，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內燃機驅動的設備高出好多倍，研究數據顯示為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公司已經把這個泵和它的系統用到一些臂架類工程機械上，驅動重載舉升機構。相比負載敏感系統，它的驅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，所以在液壓領域是一個巨大的提升。
另外一個進展是數字變排量泵，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。這類產品結構上采用模塊化設計，單泵的柱塞數可以改變，多個泵可以靈活組合。由于采用閥配流，也使泵的效率較現有的柱塞泵有很大提升。該設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，推出了多容腔數字缸和數字閥組合驅動的執行器。數字閥用4個開關閥代替一個比例閥，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十個組合，能消除多執行器復合驅動時載荷差異造成的節流損失。通過回收動勢能，采用恒壓網絡等方案，使系統能效由過去不足20%提升到60%以上。這也是行業里的比較認可的一個方案。沃爾沃也把這樣的技術用到挖掘機和裝載機中。
五、電氣液壓雙動力一體化驅控路徑
如果能夠顯著提升液壓系統能效，就可以解決前面提到的由于液壓系統能效低而制約電動化工程機械推廣和應用的問題。
前面所講的解決路徑都是國外企業的研究成果，某些技術并不對我國開放，如高效率的浮杯泵，目前德國和美國都在推出這樣的產品，其他的技術路徑也都有知識產權保護。所以，作為工程機械制造大國，我們必須發展我國自主的高能效驅動與傳動技術方案，應對電動化帶來的挑戰。
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和電靜液執行器EHA集成在一起，通過改變液壓缸的面積和系統壓力，能夠提高電動缸的功率密度。集成以后，這個執行器就同時擁有了EMA和EHA的兩個執行器的優點，同時克服了各自的不足。本質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，但沒有節流損失，高能效、高性能地代替現有系統的伺服比例閥控制執行器的運動。
研究中，我們首先對這個執行器的方案在建立的試驗臺上做了全面分析和測試，測試結果驗證了方案的有效性后，我們把這個執行器裝到實驗室的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，新的執行器也繼承了液壓缸抗沖擊、耐振動的特性優點。通過試驗表明，相對于原有負載敏感系統，斗桿系統的能耗降低了44%，動臂系統的能耗降低了70%，一個完整的挖掘和裝載循環整機能效由原系統的25%提升到57%，進一步集成回轉和鏟斗技術，整機能效還可以進一步提升。
六、總結與結論
1.傳動系統的能效是制約以作業為主的電動化工程機械推廣應用的關鍵所在，對購機成本、作業時長和使用便捷性都有很大影響，大幅提高驅動與傳動系統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、控制特性好的優勢，被認為是有望替代液壓技術的傳動方式，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勢，應用于大功率設備和在沖擊、振動等交大的惡劣工況的適應性、可靠性還有待進一步驗證。
3.國外研發的數字排量泵、浮杯泵和數字液壓缸技術已比較成熟，可極大提升液壓系統的能效，并在電動化工程機械上獲得了應用和驗證，將會對我國發展電動化工程機械形成新的“卡脖子”技術。
4.借助電動化技術實現彎道超車，必須發展我國自主的高能效傳動技術破解液壓系統能效低的難題。電氣液壓雙動力一體化驅動方式集成了電氣和液壓兩種傳動方式的優勢，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路徑，需要進一步在中大型設備中驗證技術的有效性。
作者：權龍 協會宣傳部整理并本人審核同意
初審：董萌
復審：張宏梅
終審：吳培國
編輯：楊艷麗
市場動態
更多>>行業展會
更多>>
京公網安備 11011502006194號
