高效操作：动臂势能快速回收技术

目前，常规的动臂势能回收技术主要包括电气式和液压式，机械式回收基本不适合工程机械。下面按电气式和液压式两种动臂势能回收技术进行阐述。

1.动臂势能电气式能量回收系统

目前工程机械动臂势能电气式回收方案还没有和平衡液压缸结合在一起的能量回收方案。在无平衡单元的电气式势能回收系统中，主要在驱动液压缸的无杆腔通过液压马达-发电机组成的电气式能量转换单元将动臂势能转化成电能实现，而动臂下放的速度通过容积调速或者容积节流复合调速控制。目前电气式能量回收方案的操控性已经得到了较好的解决，但不能完全和传统的节流调速相匹配。

此外，目前在回收效率方面仍然存在一定的问题。首先，液压挖掘机的动臂可回收工况波动剧烈，能量回收系统中发电机的发电转矩和转速也随之大范围内剧烈波动，因此如何在这么短的时间内提高液压马达-发电机-电池/超级电容的能量回收效率是一个瓶颈。其次，在工程机械上的动臂势能回收和再利用不是同一条途径，而工程机械自身又是一个液压驱动型，所有的动臂势能都经过从势能-驱动液压缸-液压控制阀-液压马达-发电机-电池/超级电容-电动机-液压泵-液压控制阀-驱动液压缸等多次能量转化，系统中能量转换环节较多，影响了系统的能量回收和释放的整体效率。就目前的技术而言，动臂势能电气式回收系统的能量回收效率大约只能达到50%，如果再考虑电气式释放效率，能量回收和释放的整体效率将会更低。因此如何提高能量回收和释放效率是电气式能量回收系统的关键技术之一。

2.动臂势能液压式能量回收系统

动臂势能液压式回收系统分成无平衡液压缸和有平衡液压缸两种。下面分别阐述。

（1）无平衡液压缸的液压式动臂势能回收

在无平衡液压缸的液压式能量回收中，液压蓄能器一般通过控制阀块直接与动臂驱动液压缸的无杆腔连接，动臂势能回收过程中液压蓄能器压力逐渐升高会影响动臂下放的速度。这种方案原理较为简单，但目前在节能性和操控性上都不理想。(www.xing528.com)

1）难以解决液压蓄能器压力波动对动臂速度和位移的影响。动臂下放时，液压蓄能器压力逐渐升高，在相同的先导手柄信号时，动臂的速度会逐渐变慢，影响了驾驶人的操作习惯；目前，大部分学者主要是通过对液压蓄能器的静态参数进行优化设计来保证执行元件实现从某一位置下降到目标位置。该方案实际上并不适用于下降位置和下放速度均动态变化的液压挖掘机。对于液压挖掘机的驾驶人来说，下放速度要和操作手柄的行程成一比例关系，而不能随液压蓄能器的压力变化而变化。而下降的位置也随实际现场变化而变化，并没有相对固定的位置，因此液压蓄能器的气囊体积变化量也不能确定，必然导致液压蓄能器额定体积也难以确定。

2）在动臂势能回收过程中，液压蓄能器的压力并非恒定，导致控制阀的前后压差并不是调节流量所需要的最低压差，因此仍然有部分动臂势能转换成节流损耗，尤其是在动臂开始下放时，液压蓄能器的压力较低，节流阀口的前后压差较大，影响了回收效率。

3）由于驱动和再生的压力等级不同，难以直接把液压蓄能器回收的势能直接释放出来驱动动臂液压缸，不能实现驱动和再生一体化，降低了节能效果。

（2）有平衡液压缸的液压式机械势能回收

在有平衡液压缸的液压式能量回收系统中，目前的系统中驱动液压缸仍然和主控阀的两个工作油口相连，而平衡液压缸的有杆腔始终和油箱相连，无杆腔和液压蓄能器相连，平衡液压缸的两腔并没有交替和液压蓄能器或者油箱相连。动臂势能回收流程为动臂势能-平衡液压缸的无杆腔，通过控制驱动液压缸来保证动臂速度。动臂下放时，液压蓄能器压力虽然会逐渐升高，但只会导致驱动液压缸无杆腔的压力逐渐降低，动臂下放的速度仍然可以由和驱动液压缸无杆腔相连的调速阀来保证；但该系统目前也存在以下不足之处。

1）与叉车、起重机等不同，液压挖掘机的工作模式较为复杂，液压挖掘机的动臂液压缸需要双向输出力，即动臂在实际下放时，动臂无杆腔压力大于有杆腔压力，而在动臂挖掘时，动臂无杆腔压力小于有杆腔压力，此时如果平衡液压缸无杆腔仍然直接和液压蓄能器相连，反而会减少了挖掘力。

2）平衡单元的平衡能力和动臂重力的动态匹配问题。液压蓄能器压力在动臂下放过程中压力为一个被动升高的过程，进而会影响平衡液压缸的平衡能力，平衡能力的大小也会导致动臂势能在驱动液压缸和平衡液压缸的分配比发生变化，必然导致动臂势能难以大部分转化成平衡液压缸无杆腔的液压能并通过液压蓄能器回收，仍然存在部分动臂势能转换成驱动液压缸的无杆腔液压能消耗在主控阀的阀口上。一种平衡能力可主动控制的方案可以参考本书编者申请的发明专利^[1]。