1.3.3 能量流分析法
1.整体能耗概述
日本神钢机械公司对某液压挖掘机的能量利用率做了如下统计：挖掘机最终对能量的利用率只有20%[1]。机构系统能耗较小，能量大部分都损耗在液压系统之中，液压系统的能量利用率只有30%左右，这也是导致挖掘机效率低下的一个重要原因。因此液压系统具有较大的节能空间，同时也是挖掘机节能发展的一个重要方向。下面分析液压系统常见的能耗现象。
（1）液压泵、液压执行元件的能量损耗
液压泵、液压缸和液压马达的能量损耗不仅与元件的性能有关，而且与工作条件有关。由于液压挖掘机的负载工况，元件的工作条件很难得到改善；元件的工作性能受到工作原理、材料性能和加工工艺的限制，能量利用率提高的幅度也比较有限。在仿真建模时，目前大多采用查表法获得液压元件的效率。
（2）多路阀节流损耗
以六通型多路阀为例，多路阀上的能量损耗由进油节流损耗、回油节流损耗和旁路节流损耗三部分组成。
1）进油和回油节流损耗。多路阀的进油和回油节流损耗主要有如下3方面组成。
◆液压缸稳定工作所必须的节流损耗。一方面为了防止进油腔出现空穴现象而保持其拥有一最小允许压力，此压力在多路阀回油阀口上产生一额外的压力损耗；另一方面，为保证液压缸以设定的速度稳定工作，液压缸的回油腔也应保持其拥有一定的背压，此压力也会在多路阀回油阀口上产生额外的压力损耗。进回油口节流有助于提高系统的稳定性、可靠性和可控性，是不可以完全消除的。只能通过能量回收的方法在液压缸的回油腔建立所需的压力，把原本消耗在节流阀口上的液压能通过能量回收系统转化为机械能并储存在储能元件当中。
◆多路阀进回油口联动产生的节流损耗。多路阀的阀芯同时控制着液压缸进油和回油的通流面积。当液压缸开始加速或精细操作时，由于阀口开度较小，进油、回油阀口上会产生较大的节流损耗。进出口联动损耗可以采用进出口独立调节，即按照适当的控制策略，由单独的比例节流阀分别调节进油和回油的通流面积，可以最大程度上消除进油节流损耗，其中一部分会转化为回油节流损耗。因此单纯用进出口独立调节还无法获得最佳效果，为了最大程度地减少能量损耗，应当再配以能量回收系统来消除回油节流损耗。
◆工作负载差异产生的压力补偿节流损耗。液压挖掘机工作过程当中，其中一台液压泵同时驱动动臂和铲斗液压缸，另一台液压泵同时驱动回转液压马达和斗杆液压缸。由于存在着单泵驱动多执行元件的情况，液压泵的压力应高于最大负载压力，而对于小负载执行元件需要的压力，其多余的压力能就会消耗在多路阀的进、回油节流口上，从而产生较大的节流损耗。由于负载的差异造成的压力补偿节流损耗可以通过液压马达能量回收来消除，但由于回收的能量经过液压能—机械能—电能—机械能—液压能这些多环节转化之后，回收效果较差。采用单独驱动方案，即每个执行元件都由单独的液压泵驱动，则可以消除这部分节流损耗。
◆动能和势能损耗。动能和势能损耗主要体现在液压挖掘机的转台制动和动臂下放工作过程中，尤其是大型液压挖掘机，其蕴含的动能和惯性能大，节能效果非常可观，无能量回收系统时，都转换成回油节流损耗。为了尽可能减小或消除液压挖掘机回油节流损耗，采用能量回收是当前一种较为有效的节能措施。
2）旁路节流损耗。多路阀的旁路损耗产生的主要原因是，由于传统液压挖掘机采用的是开中心控制系统，当多路阀阀芯接近中位时，旁路通道打开，液压泵的部分流量通过旁路通道流回油箱。由于其压降就是泵压，因此损耗的能量所占比例较高。详细介绍可以参考第3章液压节能技术。
（3）溢流损耗
液压挖掘机系统中溢流现象一般出现在过载工况下，此时泵的输出压力超出安全阀的设定压力，液压系统就会出现溢流现象；安全阀的溢流损耗与工作过程中的实际工况和操作人员的操作方式有关。
挖掘机工作过程中，主泵的出口压力随负载压力的增大而增大，如果负载过大会导致执行机构停止动作。为防止过载损坏挖掘机，液压系统中设有安全阀。当负载压力大于溢流阀的设定压力时，溢流阀打开，油液溢流回油箱，此时，发动机的输出能量全部转化成热能损耗掉，并造成系统温度升高。由于挖掘机作业工况复杂，尤其在重载挖掘工况下，系统由于过载造成的溢流损耗非常大。
挖掘机工作过程中，除过载造成溢流损耗外，回转过程中也会造成溢流损耗。由于上车机构具有很大的转动惯量，为防止系统压力过大不平稳，常设计回转平衡阀，一方面限制回转起动压力过大而溢流，另一方面在回转制动中将多余的流量溢流，从而造成大量的能量损耗。
（4）沿程压力损耗和局部压力损耗
沿程压力损耗主要是因为粘性摩擦产生的压力损耗。挖掘机液压系统中油液在油管中流动，将变量泵的输出功率传递给执行机构。油液在管道、管接口、阀口等处流动过程中，液压系统的压力损耗不可避免。压力损耗包括沿程压力损耗和局部压力损耗。其中，为减少沿程压力损耗，应合理地加大液压管道的直径。而局部压力损耗是液压系统中主要的压力损耗，应合理布置液压管道的走向，尽可能地减少弯道、管接头及管道截面突变，减少局部压力损耗。
综上所述，液压挖掘机的能量流示意图如图1-20所示。图中由于发动机的能量转化损耗，燃料的一部分燃烧能在发动机的内部被消耗了，剩余部分能量以机械能的形式驱动液压泵，去除掉液压泵、溢流阀、液压执行元件以及驱动外载所消耗的能量，其他能量主要消耗在多路阀上。因此发动机和多路阀阀口上的节流损耗是液压挖掘机节能研究的重要方向。
图1-20 液压挖掘机的能量流示意图[7]
2.发动机的工况与能耗分析
液压挖掘机的发动机工作效率比较低。这一方面与其本身的性能有关，另一方面与液压挖掘机的工作条件有关。由于发动机技术发展已经比较成熟，大幅度地提高工作性能比较困难；发动机的工作条件主要表现在工作点的变化，因此提高发动机工作效率的一个有效方法就是通过工作点的控制来改善发动机的工作条件。发动机通常只能在一定的转矩和转速范围内高效工作，而由图1-21～图1-23可知，其工作点的变化范围较大。因此在实际工作过程中，发动机经常会远离最佳工作点，这是其工作效率低下的原因之一。
液压挖掘机在工作中通常重复地进行同样的动作，其工作具有周期性的特点。由图1-24和图1-25可以看出，工作过程中发动机的输出功率波动非常大，并且也具有周期性的特点，工作周期大约为20s，这就表明液压挖掘机的工况具有强变的特点。
3.多路阀的能耗计算分析
为了便于分析和比较，选取液压泵的总输出能量为基准值，计算得到的各部分能量损耗均取此基准值的其相对值。在一个工作周期中，液压泵所作的总功如下。
图1-21 某20t液压挖掘机双液压泵的工作压力和流量的关系
图1-22 某20t液压挖掘机液压泵出口、动臂液压缸和铲斗液压缸两腔压力实验曲线
图1-23 某20t液压挖掘机液压泵出口、斗杆液压缸和回转液压马达两腔压力实验曲线
式中 Ppout——液压泵的输出功率。
液压挖掘机多路阀的能量损耗主要分3部分：进油节流损耗、回油节流损耗和旁路节流损耗。
1）进油节流损耗
2）回油节流损耗
图1-24 发动机的输出功率仿真曲线
图1-25 发动机的输出功率实测曲线
3）旁路节流损耗
式中 下标i=1、2、3、4分别代表回转马达、斗杆、动臂和铲斗液压缸。
pp1、pp2——两液压泵的出口压力（Pa）；
ppi——i=1或2，ppi=pp1；i=3或4，ppi=pp2（Pa）；
pai、pbi——各执行元件的驱动腔压力（Pa）；
qpai、qpbi——进入各执行元件驱动腔的流量（m3/s）；
qati、qbti——各执行元件回油腔进入油箱的流量（m3/s）；
qby1、qby2——多路阀左联和右联的中路回油流量（m3/s）。
液压挖掘机标准挖掘工况下多路阀能量损耗的仿真结果如表1-2所示。
表1-2 标准挖掘工况下多路阀能量损耗的仿真结果[7]
由于仿真过程中没有对执行机构施加外载，溢流损耗并不存在，实际工况中溢流阀的溢流损耗应该要考虑。因此液压泵的输出能量全部损耗在液压控制阀和执行元件（液压缸和液压马达）上了。由上述仿真结果分析可知，液压泵输出能量的89.4%都损耗在多路阀上，执行元件的能量损耗所占比例很小。
如表1-2所示，多路阀上的能量损耗由进油节流损耗、回油节流损耗和旁路节流损耗3部分组成，各自所占比例分别为10.37%、41.19%和37.86%。可见，回油节流损耗和旁路节流损耗所占比例较大（79.05%），应该作为液压挖掘机节能研究的主要对象。
4.多路阀节能方法的研究
由上述仿真结果可以看出，多路阀的能耗主要是以节流损耗的形式出现的，在整个液压系统所传递的能量当中占有很大比例，是液压系统效率低下的主要原因。多路阀的能耗从整个工作周期来看，其来源都是液压泵。但从能耗的实时性来看，它可以分为两部分，一部分来自液压泵，另一部分来自系统外部执行机构。从节能的角度来看，来自液压泵部分的能耗如进油节流损耗、旁路节流损耗和压力补偿损耗，是可以通过系统结构的调整和控制策略的改进来降低的；而来自系统外部执行机构的能耗，如动臂下放势能或制动能耗，则不能降低，而只能通过系统结构改造进行能量回收，将这部分能量重新利用从而达到节能的目的。