輪式裝載機能量回收技術研究

摘要：裝載機能量回收存在著效率較低、能量利用與發動機功率輸出缺少配合等問題，導致發動機油耗偏高、部分工況排放惡劣等現象。文章對常見能量回收技術進行分析，指出液電混合能量回收系統是裝載機節能減排最有前途的方式。

關鍵詞：輪式裝載機；能量回收技術；電液系統；節能減排；發動機 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH243 文章編號：1009-2374（2015）18-0089-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.046

隨著我國國民經濟的飛速發展，作為工程機械應用最廣的裝載機的保有量急劇增加，截至2013年底裝載機全國保有量已經達到150萬臺，同比增長5.24%。同時，作為裝載機能量源泉的石油在2013年的進口量達到2.82萬噸，對外依存度上升至57.39%，我國的能源安全受到了嚴重的威脅。目前，我國經濟可持續發展同時面臨著能源危機與環境污染雙重挑戰。因此，針對裝載機的節能技術研究，特別是整機能量回收技術的研究，對減少燃油消耗與降低排放有著重要意義。

1 能量回收技術研究進展

在節能與環保的雙重壓力下，研究人員發現裝載機在部分工作過程中存在有較大的能量，為了能夠將這些能量加以回收利用，人們分別提出了飛輪蓄能、液力蓄能、蓄電池蓄能及超級電容蓄能等多種能量回收方式，然后在裝載機起步、加速時輔助發動機進行工作。相關資料表明，通過有效地回收制動能量并合理地加以利用，可以使特定工況下（加速、減速）每循環平均油耗降低30%，極大地提高了整車經濟與排放性能。因此，在目前節能減排的嚴峻形式下，根據裝載機的特點選擇合適的能量回收就顯得尤為重要。

為了能夠有效回收能量，人們分別使用液壓和電動技術對各種驅動型汽車進行研究，結果表明：通過能量的回收與利用，可以使每循環（加速、減速）平均油耗降低30%，極大地提高了裝載機的燃油經濟性、降低了排放量。根據裝載機能量回收系統儲能裝置形式的不同，能量回收系統可以分為飛輪儲能回收系統、液壓儲能回收系統及電儲能回收系統。

2 回收形式分析

2.1 飛輪儲能回收系統

飛輪儲能回收系統是以飛輪作為能量儲備元件，用飛輪的高速旋轉進行儲存和釋放能量的一種裝置，是一種機械慣性勢能進行蓄能的裝置。儲能飛輪在裝載機減速時裝載機的慣性勢能使飛輪加速，使裝載機的動能儲存進高速飛輪中；當裝載機加速時，高速旋轉的飛輪減速將儲存的能量釋放出來驅動裝載機行駛。由于飛輪蓄能的技術要求高，反之節油效果不高。飛輪儲能的主要缺點是抗震性能較差，噪聲大，對工作環境要求苛刻，結構復雜，制造要求精度高。因此，盡管飛輪蓄能具有較好的應用前景，但目前還尚停留在試驗階段，距離工程化應用還有一段較長距離。

2.2 液壓儲能回收系統

液壓蓄能器是通過液壓能形式將能量進行存儲，其中氣體皮囊式蓄能器使用最為廣泛。液壓儲能回收系統利用液壓蓄能器與液壓泵/馬達組成能量回收及利用系統，當裝載機減速時，液壓泵/馬達以泵的形式工作將慣性勢能轉化成液壓能儲存到蓄能器中，實現能量回收。當裝載機啟動、加速或爬坡時，液壓泵/馬達以馬達的形式工作將液壓能轉變為機械能供應裝載機動力。

2.3 蓄電池儲能回收系統

蓄電池儲能回收系統相對于以上兩種能量回收系統技術相對成熟，蓄電池與具有可逆作用的電動機/發電機組成輔助動力單元，從而實現對裝載機能量的回收與利用。近年來，蓄電池回收技術得到了快速的發展，但主要局限于轎車業。主要原因在于雖然蓄電池儲能性能較好，但功率密度較低，充放電速度小，不能迅速轉化大功率，因此蓄電池儲能不利于負載變化較快的傳動系統進行能量回收和利用。對于乘用車及工程機械用裝載機，啟動頻繁和要求能量快速釋放與回收，而蓄電池由于自身的缺點，使得電儲能回收系統在乘用車及工程裝載機上的應用無法大面積推廣應用。

2.4 其他能量回收系統

除了上述能量回收系統外，有人提出復合式能量回收系統，比如液壓-飛輪能量回收系統、蓄電池-飛輪儲能系統和液電混合能量回收系統，其中液電能量回收系統在裝載機制動時，液壓蓄能系統將泵/馬達以泵的形式工作，裝載機行駛的動能帶動泵旋轉，將高壓油壓入蓄能器中，實現動能或者勢能到液壓能的轉化；在裝載機行進時，液壓蓄能系統再將泵/馬達以馬達的形式工作，高壓油從蓄能器中輸出帶動馬達，馬達與蓄電池系統中發電機/電動機通過離合器連接，此時以發電機形式工作，并將產生的電輸送至蓄電池，從而將液壓能轉變為電能。在裝載機啟動、加速時液壓蓄能系統與蓄電池蓄能系統同時工作，將儲存能量轉變機械能輔助發動機為裝載機提供能量。

3 能量回收技術的應用

在20世紀70年代，美國威斯康辛大學的Norman H.Beachley等研究人員就已經開始了對能量回收進行研究。1979年，丹麥P.Buchwald等研究人員對能量回收理論進行詳細研究，并以Ford EscortVan車為原型，研制出液壓蓄能式制動能量再生系統。1987年，日本三菱公司在公交汽車上應用了新開發了一種液壓儲能系統，使經濟性得到顯著提高。2004年，美國環保署（EPA）在全球汽車工程師會議（SAE）上展示了一臺串聯液壓儲能商務SUV，據根據相關報道，油耗可降低55%。1987年，哈爾濱工業大學姜繼海教授開始液壓節能技術方面的研究，1997年研究了二次調節靜液驅動系統并從2001年開始將該技術進行應用于城市公交車，應用二次調節靜液傳動節能技術回收勢能回收，同時深入地研究了液壓抽油機、挖掘機等工程機械。趙尚福、劉昕暉詳細地分析了裝載機液壓系統中能量損失較大的部位，分析并找出了能量損失的原因，并改進了動臂下降過程中的節流損失。曲金玉、任傳波、李東榮等人提出一種基于液壓蓄能節能的裝載機節能系統，該系統通過回收動臂和鏟斗靜止時發動機輸出的多余能量、裝載機制動過程中的制動動能和動臂下降與鏟斗翻轉卸料過程中的重力勢能，使發動機工作在一個相對穩定功率的經濟工況下，從而提高裝載機的工作效率，同時降低燃油消耗。

4 結語

本文通過對各種能量回收方式特點進行分析后，指出液電混合能量回收系統將會成為能量回收研究的重點。液電能量回收系統通過液壓蓄能系統和蓄電池蓄能系統之間的能量傳遞，實現了快速回收能量，同時具備較大的能量和功率密度的特點，通過現有技術即可實現。液電能量回收再生系統的實現，對目前裝載機的節能減排有著至關重要的意義。

參考文獻

[1] 2013年裝載機銷售情況數據分析.http：//news.lmjx.net/2014/201401/2014012009492337.shtml.

[2] 沈勝強，李素芬，徐鋼.可持續發展戰略與節能技術節能[J].節能，1998，（12）.

[3] 姚懷新.工程裝載機液壓動力學與控制原理[M].北京：人民交通出版社，2006.

[4] 羅玉濤，俞明，陳炳坤，等.電動車制動能量再生反饋控制研究[J].機床與液壓，2002，（5）.

[5] 曾小華，王慶年，王偉華.混合動力汽車混合度設計方法研究[J].農業機械學報，2006，（12）.

作者簡介：朱文華（1970-），男，江蘇泗陽人，淮陰工學院技師。

（責任編輯：黃銀芳）