權(quán)龍：《電動(dòng)化趨勢(shì)下工程機(jī)械液壓技術(shù)面臨挑戰(zhàn)與發(fā)展路徑探討》

2024年5月16日，以“高端·智能·綠色”為主題的工程機(jī)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。科技節(jié)主題演講環(huán)節(jié)，太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長權(quán)龍教授作題為《電動(dòng)化趨勢(shì)下工程機(jī)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(huì)第四次會(huì)議上，雙碳目標(biāo)被寫入政府工作報(bào)告，這促進(jìn)了工程機(jī)械行業(yè)電動(dòng)化的迅猛發(fā)展。不到一年時(shí)間，國內(nèi)很多工程機(jī)械頭部企業(yè)就研發(fā)出電動(dòng)裝載機(jī)、電動(dòng)挖掘機(jī)及其他電動(dòng)化裝備。也有一些非工程機(jī)械企業(yè)希望借助于電動(dòng)化發(fā)展機(jī)遇，分享工程機(jī)械電動(dòng)化紅利，如博雷頓。與此同時(shí)，國外工程機(jī)械企業(yè)也推出了電動(dòng)裝載機(jī)和電動(dòng)挖掘機(jī)，誕生了專營電動(dòng)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(dòng)工程機(jī)械從裝備研發(fā)到市場(chǎng)推廣進(jìn)展如何？據(jù)中國工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2023年，電動(dòng)裝載機(jī)銷量達(dá)到3000多臺(tái)。早在十多年前，日立建機(jī)、小松等企業(yè)就推出了混合動(dòng)力的裝載機(jī)和挖掘機(jī)，但很長時(shí)間都沒有獲得市場(chǎng)認(rèn)可。而我們能在這么短的時(shí)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(dòng)裝載機(jī)有了更大的發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，僅3月就達(dá)到600多臺(tái)的銷量。

但在裝載機(jī)得以快速推廣應(yīng)用的同時(shí)，電動(dòng)挖掘機(jī)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(diǎn)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(jī)的能量傳遞路徑是由柴油機(jī)到液力變距器再到減速器，之后一路驅(qū)動(dòng)液壓泵為作業(yè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，另一路驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)，受內(nèi)燃機(jī)效率的影響，整機(jī)能效都比較低。電動(dòng)機(jī)替代內(nèi)燃機(jī)后，雖然液壓系統(tǒng)能效仍然比較低，但因作業(yè)時(shí)長和功率占比較小，對(duì)系統(tǒng)能效影響不是很大?？蓪?shí)行走系統(tǒng)去掉液力變矩器后，能量傳遞主要依靠電動(dòng)機(jī)和減速器，且作業(yè)時(shí)長和功率占比都比較大，能效達(dá)到70%左右，既節(jié)能又減碳，同時(shí)在很短的時(shí)間內(nèi)能夠收回電池成本，所以電動(dòng)裝載機(jī)得到了市場(chǎng)普遍認(rèn)可。

再看挖掘機(jī)，傳統(tǒng)能量流是內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵再經(jīng)閥控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)作業(yè)機(jī)構(gòu)，受內(nèi)燃機(jī)的影響整機(jī)能效不足15%，液壓系統(tǒng)能效低于30%。電動(dòng)化后，動(dòng)力源能效提升到90%，但受液壓系統(tǒng)影響，整機(jī)能效仍然僅為30%左右，這樣70%的電池能量就被浪費(fèi)。盡管電池容量已增大許多，但由于效率很低，作業(yè)時(shí)長不能滿足用戶需求，電池費(fèi)用占比又達(dá)到整機(jī)的40%左右，投資回報(bào)期比較長，從而造成電動(dòng)挖掘機(jī)難以像電動(dòng)裝載機(jī)一樣快速推廣應(yīng)用。

通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的能效仍然較低，是下一步需要提升的重點(diǎn)，但因?yàn)樵摦a(chǎn)品以行走為主，所以能夠很快獲得市場(chǎng)認(rèn)可。但液。對(duì)于以作業(yè)為主的工程機(jī)械，如挖掘機(jī)，其核心問題是怎樣提升液壓系統(tǒng)的能效。這是整個(gè)行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。

三、純電驅(qū)動(dòng)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(dòng)的挖掘機(jī)，使得之前主要應(yīng)用于室內(nèi)裝備中的電動(dòng)缸引入到工程機(jī)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(jī)，但目前無人操控技術(shù)在中大型挖掘機(jī)上的實(shí)用性和可靠性尚有待驗(yàn)證。國內(nèi)也有企業(yè)推出了采用電動(dòng)缸作為執(zhí)行器，電池與液化天然氣作動(dòng)力的中型挖掘機(jī)和裝載機(jī)，采用增程方式提高了作業(yè)時(shí)長。

同時(shí)，美國穆格與山貓和小松合作，推出了采用電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)的輪式和滑移式裝載機(jī)。德國某研究機(jī)構(gòu)對(duì)分別采用電動(dòng)缸（EMA）和電靜液執(zhí)行器（EHA）驅(qū)動(dòng)六自由度平臺(tái)的特性做了對(duì)比，兩個(gè)方案最高能效基本相當(dāng)，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(shì)，即使在電動(dòng)缸的發(fā)展驅(qū)使下還有功率密高、輸出力大、抗沖擊振動(dòng)等優(yōu)勢(shì)。

四、 電驅(qū)液傳解決方案

美國普渡大學(xué)對(duì)分別采用集中式電機(jī)經(jīng)分動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)多臺(tái)變排量液壓泵和分布式電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量液壓泵用于5t液壓挖掘機(jī)的能量特性做了對(duì)比，集中式的電機(jī)方案可用于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。與內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)挖掘機(jī)對(duì)比，集中式電機(jī)方案的裝機(jī)功率基本相當(dāng)，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(jī)功率要比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)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(dá)到94%~97%，這是一個(gè)革命性的變革。BUCHER公司已經(jīng)把這個(gè)泵和它的系統(tǒng)用到一些臂架類工程機(jī)械上，驅(qū)動(dòng)重載舉升機(jī)構(gòu)。相比負(fù)載敏感系統(tǒng)，它的驅(qū)動(dòng)功率和能耗只有原來機(jī)型的1/5左右，但泵的啟動(dòng)效率非常高，所以在液壓領(lǐng)域是一個(gè)巨大的提升。

另外一個(gè)進(jìn)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(gè)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(jì)，單泵的柱塞數(shù)可以改變，多個(gè)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(jì)思路在裝載機(jī)和挖掘機(jī)上做了大量試驗(yàn)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(dòng)的執(zhí)行器。數(shù)字閥用4個(gè)開關(guān)閥代替一個(gè)比例閥，采用閥口獨(dú)立控制，通過缸和閥的配合，缸的輸出力從正向到負(fù)向有數(shù)十個(gè)組合，能消除多執(zhí)行器復(fù)合驅(qū)動(dòng)時(shí)載荷差異造成的節(jié)流損失。通過回收動(dòng)勢(shì)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(rèn)可的一個(gè)方案。沃爾沃也把這樣的技術(shù)用到挖掘機(jī)和裝載機(jī)中。

五、電氣液壓雙動(dòng)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(dòng)化工程機(jī)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(duì)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(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。所以，作為工程機(jī)械制造大國，我們必須發(fā)展我國自主的高能效驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)方案，應(yīng)對(duì)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)缸的功率密度。集成以后，這個(gè)執(zhí)行器就同時(shí)擁有了EMA和EHA的兩個(gè)執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了各自的不足。本質(zhì)上就是用一個(gè)小功率的電動(dòng)缸，相當(dāng)于一個(gè)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(yùn)動(dòng)。

研究中，我們首先對(duì)這個(gè)執(zhí)行器的方案在建立的試驗(yàn)臺(tái)上做了全面分析和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了方案的有效性后，我們把這個(gè)執(zhí)行器裝到實(shí)驗(yàn)室的6t液壓挖掘機(jī)上，分別代替原有的斗桿液壓缸和動(dòng)臂液壓缸進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)抗沖擊、抗振動(dòng)特性也做了驗(yàn)證。用液壓缸和電動(dòng)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(dòng)的特性優(yōu)點(diǎn)。通過試驗(yàn)表明，相對(duì)于原有負(fù)載敏感系統(tǒng)，斗桿系統(tǒng)的能耗降低了44%，動(dòng)臂系統(tǒng)的能耗降低了70%，一個(gè)完整的挖掘和裝載循環(huán)整機(jī)能效由原系統(tǒng)的25% 提升到57%，進(jìn)一步集成回轉(zhuǎn)和鏟斗技術(shù)，整機(jī)能效還可以進(jìn)一步提升。

六、總結(jié)與結(jié)論

1. 傳動(dòng)系統(tǒng)的能效是制約以作業(yè)為主的電動(dòng)化工程機(jī)械推廣應(yīng)用的關(guān)鍵所在，對(duì)購機(jī)成本、作業(yè)時(shí)長和使用便捷性都有很大影響，大幅提高驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的能效是破解這一難題的最佳路徑。

2. 電—機(jī)械傳動(dòng)具有能效高、控制特性好的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是有望替代液壓技術(shù)的傳動(dòng)方式，但剛性傳遞動(dòng)力，傳遞力受電機(jī)體積和重量限制，目前在小型工程機(jī)械上有一定的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于大功率設(shè)備和在沖擊、振動(dòng)等交大的惡劣工況的適應(yīng)性、可靠性還有待進(jìn)一步驗(yàn)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(dòng)化工程機(jī)械上獲得了應(yīng)用和驗(yàn)證，將會(huì)對(duì)我國發(fā)展電動(dòng)化工程機(jī)械形成新的“卡脖子”技術(shù)。

4. 借助電動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)彎道超車，必須發(fā)展我國自主的高能效傳動(dòng)技術(shù)破解液壓系統(tǒng)能效低的難題。電氣液壓雙動(dòng)力一體化驅(qū)動(dòng)方式集成了電氣和液壓兩種傳動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)，具有高功率密度、高能效和高性能特點(diǎn)，開辟了一條全新的技術(shù)路徑，需要進(jìn)一步在中大型設(shè)備中驗(yàn)證技術(shù)的有效性。

作者：權(quán)　龍　協(xié)會(huì)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：李吉旺

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