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航空工业南京金城液压工程有限公司

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移动机械的电气化对液压系统未来的发展影响——据德国贺德克公司专家赵彬章报告整理

2020/3/24 11:02:34点击:
      随着新的液压技术的发展和现代技术的不断提高、以及政府对新能源的政策鼓励,在新能源方面不管是风能还是光伏接下来都会有一个很大的发展,而新能源主要是以电的形式存在。另外一方面因为对空气质量的要求,很多地区都在推崇低排放,比如巴黎、伦敦等地设置“低排放区”,2020年东京奥运会将禁止燃油车辆进入奥运会区域;同时在欧洲还有一些室内工作的环境要求,比如空气质量、噪音等。这些都促使部分工程机械将会转化为电驱,电驱现在也确实在轰轰烈烈地进行当中。

液压会消失吗?

       电子产品在数字化、智能化、互联化方面得到了长足的发展,也展示出非常强大的优势;同时电驱的功率密度也在不断提高,这使得电驱对液压带来了很大的压力,液压面临着严重的挑战。那么液压会消失吗?

      我们来看一个简单的例子,Volvo是一家全球知名的、具有前瞻性和创新思维的工程机械制造商。他们对一款传统产品翻斗车进行更新设计,新的设计完全集中在电驱技术上。未来液压在他们电气化车辆上的状况如何呢?我们看一下Volvo的新款自动运输翻斗车,未来的概念车(见图1)。在这里,我们可以清楚地看到,同传统车辆一样,不仅对于翻斗功能使用了液压,而且全轮转向系统也是使用的传统电液系统。也就是说从价格、强度和能量密度来看,液压在一个相当长的时间内还不会消失,但是液压必须做出改变。
图1  Volvo的新款自动运输翻斗车

液压能耗分布

      那么怎么改变呢?为了阐明这个问题,我们还是回头看看燃油车辆的动力传动链。

      传统的燃油车辆,100%燃油的能量经过燃烧能够转换为发动机驱动轴上的能量只有35%,65%在燃烧中浪费掉了。35%的能量再经过泵的驱动又将失去一部分能量,能投入使用的液压能大约30%。随后,这30%的能量再通过阀的调速以及执行机构的一些能量折损,到最终转换为液压系统的机械能只有12%。那么在整个能量传递过程当中,液压的能量损耗只占整个链条当中能量损耗的20%。

      再看看电驱系统,电驱系统电池100%的能量,通过电机驱动后还有90%,电动机再驱动液压泵,会损失一部分能量,最后还有大概77%的液压能可以使用。77%的能量经过阀的调速以及执行机构能量折损,到执行机构输出的能量还有30%。所以总体能量上来说还是节能的,但是从整个能量链条上,在电驱系统当中,液压能量的损耗占整个链条上能量损耗的66%。

      对比两个系统,前者更多费用体现在使用成本上,后者则由于电池的容量配置占用了较大的费用。对液压件和系统的优化,提高其效能将是电驱系统中的最为关键和重要的环节。

      如何来对液压件和系统进行优化呢?看看传统液压,100%能量输进去,通过泵大概15%的能量损失,管道系统4%的能量损失,阀大概30%的能量损失,再加上一些机械的能量损失,也就是说100%的能量输入到液压系统,而真正能够有用的能量也只有30%。所以要想电驱节省能量,液压有更多的工作需要去做,比如怎样提高泵的有效性?阀怎样设计会更节能?

贺德克的电气化实施途径

      贺德克有一个强大的团队专门在做电驱化,从部件、调速机构、传感检测系统、电池、充电装置、阀、包括机械电子驱动以及冷却系统,整个一个系统来帮助客户实现系统的电驱化。

      贺德克是如何做这件事情的?现在讲一个简单的例子,一个具体的伸缩叉车的电驱化项目。该伸缩式叉车(见图2)的柴油机功率为55kW,举高6米,举重为2.5吨,液压系统为240bar,100L/Min的定量泵系统。在这个液压系统中涉及到转向,下降安全控制和主控制阀三个主要的液压分系统。后面将阐述这三个分系统的实施途径。
图2  伸缩式叉车

电池费用的计算

      传统伸缩式叉车的液压系统有桥的驱动、有转向、有重物下降以及多路阀动作的控制(见图3)。那么在传统的液压系统当中,轮子的驱动通常是用变量泵、变量马达来实现。而转向和工作液压通常是通过变量泵、优先阀来实现,这是大多数公司的大致配置。

图3  传统伸缩式叉车的液压系统

      如果是进行简单的电驱化,其行走系统通过变频电机、机械减速、到轮子,其效率是相当高的,行走系统对液压来说没有什么工作好做。而转向和工作液压共用一套由电机驱动的液压系统,对于这样的一个系统按照车辆的常规使用,在转向系统中的功耗大约为1kW。这1kW的功率损耗意味着什么呢?

      首先看看这个能量传递链上的传递效率(见图4)。电池在输出能量是有损耗,95%;电机有损耗,90%;液压泵也有损耗,85%;阀的损失已经在这1kW里了;再考虑叉车转向操作的使用率约80%。做功1小时,就相当于需要1.72kWh 的电池容量。也就是说后面转向系统1kW的功耗,就相当于前面要多配置1.72kWh的电池。在欧洲,1kWh的电池大概是400欧元,1.72kWh的电池相当于700欧元。如果叉车按照一个台班实际使用6小时,就相当于需要4200欧元的电池费用。也就是说1kW转向的功率损耗就造成一个台班4200欧元的电池配置费用的增加。
图4  能量传递效率及推算电池费用

三个分系统的节能

      第一,转向。如果我们将转向系统同工作液压分离开来,采用多个油源的方式去控制转向,就可以节省0.5kW的功耗,就相当于整个电池的配置节省2100欧元。

      第二,下降安全控制。我们再来看看叉车的升降动作(见图5)。通过对设备进行仿真、测试,我们可以测量和分析在它举升过程当中能量的输出及损耗情况。大家知道,传统的重物举升系统都要有个平衡阀,平衡阀是一个节流制动元件,将消耗一定的能量。一般我们使用3:1或5:1的平衡阀,在重物下降的时候,平衡阀小腔是需要有开启压力的。对于3:1的平衡阀,重物下降时小腔需要大约60bar的压力,如果换用贺德克15:1的大比例平衡阀,小腔的压力只需大约25bar,也就是说增加变比可以降低控制压力。当然,平衡阀最为关键的是稳定性,这个要保证。另外一方面重物下降为什么如此的需要能量呢?我们完全可以通过重物的自身重量进行速度调整,然后利用泵工作,这也是一种省能的方式。

图5  叉车的举升动作


      在整个过程当中,如果只是简单地把3:1的平衡阀换成贺德克15:1的平衡阀,那基本就可以省掉1.25kW的功率损耗,假如我们再进一步地用自身重量下降,那就可以省掉2.6kW的功耗。如果我们按照每台叉车每天工作6小时,每小时20次的叉装作业,每个叉装作业过程30秒来计算,即每天做功1小时。1个小时的做功折算到电池的配比能量,也就是分别节省1.25kWh、2.6kWh的能量。所以用大比例的平衡阀可以省掉875欧元的电池费用,如果是用重物的自重下降,可以省掉1820欧元的电池费用(见图6)。
图6  举升动作的节能计算

       第三,主控制阀。我们再看看多路阀(见图7),多路阀假如选用后置补偿的负载敏感多路阀,这种阀是动力油2次穿过阀芯,它的压差至少在20bar左右。如果是用普通的前置式负载敏感多路阀LX-6,那么它的压差只有11bar。在这个基础之上,假设进一步用贺德克的主动调节多路阀ACT (Active Control Technology),ACT由于采用了中心油路的主动旁路控制技术,压差可以降低到大约6bar。把这3种阀放在车辆上进行对比试验,如果以压差20bar的后置补偿负载敏感多路阀作为基准,则其一天工作下来是5.75kW的功率损耗;如果采用贺德克前补偿的负载敏感多路阀,5kW;如果是用贺德克主动调节多路阀,只有4.5kW。也就是说采用不同的多路阀可以节省能源:如果采用ACT,可以节省1.2kW的功耗;采用LX-6,可以节省0.75kW的功耗。那么按照上面图6的计算方法,在多路阀上可以省掉875欧元或者525欧元。
图7  3种阀在车辆上进行对比试验

      总结在一起,通过对伸缩式叉车进行能耗的分析(见图8),可以看到:采用多路转向、多路控制可以省掉2100欧元;采用大比例的平衡阀可以省掉875欧元;采用重物的自重下降可以省掉1825欧元;采用能耗低的多路阀可以省掉875欧元。也就是说正确地使用零部件,可以节省4800欧元的电池费用。那么4800欧元意外着什么?意味着车子可以少配置12KWh的电池。按照常用的伸缩式叉车功率55kW,需要选用60kWh的电池;如果采用这3种方式节省能源,那你只需要选用48kWh的电池。同时,由于系统的高效性,随后也节省了电能的使用,降低车辆的使用成本。

图8  伸缩式叉车的能耗分析


其他节能途径

      对液压系统来说,还可以做得更好,贺德克也在大力开发分段阀芯的液压系统。分段阀芯有几个好处,第一它可以很容易实现低压的能量再生、高压的能量再生,以及在运行过程当中背压的适实匹配,也就是可以做到系统在正常运转过程当中,是零背压的状态,这个阀可以进一步帮助用户节省费用。

提升和完善传统机械的电驱化

      我们刚才讲了电驱系统给了我们很大的启示,电驱在数字化、智能化、互联化方面展示了很大的优势,那么作为液压公司,我们液压系统也要智能,也要便于互联。贺德克经过多年的开发,现在有自己的智能泵、智能油缸、智能阀和智能传感器,也就是说在液压件方面我们可以帮助用户实现系统的智能和互联,帮助用户提升和完善传统机械的电驱化。

      最后,也是最重要的,就是机械设备操作的高效性。一个系统、一个部件可能很有效,但是操作呢?举一个抽吸机的例子(见图9),传统的方式需要对4个油缸和一个回转马达进行单个的操作控制,也就是要用5个手柄去控制它的位置。如果是电液驱动,则要4组按钮和一个转角电位器。其调节过程长,控制精度也低,操作是没有效率的。如何才能高效节能呢?可以采用自动操作系统,或者是智能辅助操作系统,操作人员只需操作一个三维的操作手柄,直接控制吸嘴的最终位置,而无需关心每个油缸的行程位置,让它自己智能去计算。这样操作可以简单高效、省掉很多不必要的能耗。
图9  抽吸机的控制

      电驱化是未来工程机械发展的主要方向。贺德克是专业的液压公司,我们不仅从部件上帮助用户高效地实现电驱化,同时我们有一个强大的团队,在系统上帮助用户实现电驱化。


      该文刊登于液压气动与密封2020年第3期