工程機械剎車能回收方案對比研究

東鑫淵 杜傳祥

摘要： 工程機械在我國基礎設施建設中起著重要作用，其在作業過程中面臨著頻繁剎車，剎車過程會造成制動裝置摩擦片急劇磨損，產生能量損失。本文綜合比較了剎車能回收系統的儲能元件，分別討論其工作原理和制動模式，選擇了適合工程機械的剎車能回收方案。

關鍵詞： 工程機械;剎車能;回收方案

基金項目：西安思源學院科研資助項目（XASY-B1911）

我國市場工程機械保有量已經達到上百萬臺，這類工程機械作業環境惡劣、工作任務繁重、生產效率不高。由于特定的作業環境和作業程序，工程機械需要完成頻繁的前進、倒退、轉向、剎車等運動，造成能量損失嚴重，如果能將這部分能量回收再利用，必將節省大量的能量[1]。本文從不同傳動方式下設計不同的剎車能回收方案，闡述剎車能量回收原理，進行比較分析，制定出適合大多數工程機械的剎車能回收方案。

能量回收元件比較分析

飛輪儲能

飛輪是以慣性能的方式，在高速旋轉的飛輪中儲存能量。當需要剎車時，蓄能系統將車輛的慣性動能通過連接器回收起來并轉化為飛輪的旋轉動能。當機械啟動或加速時，飛輪通過釋放本身旋轉動能來驅動車輛，從而實現能量的傳遞。但飛輪儲能系統布置有一定的困難，系統能量吸收率較低。高速旋轉的飛輪會產生較大的噪音，飛輪制造精度，支撐方式和支撐剛度要求較高，會提高制造成本。

電池儲能

目前來說鉛酸電池技術發展比較成熟，其可靠性高、而且原料易得、價格便宜，但是由于鉛酸電池的比能量相對較低，在過放電和過充電時，會縮短其使用壽命。另外深度放電以及環境溫度變化也對電池性能也有一定影響。鋰離子電池能量密度可達到100Wh/kg，功率密度可達到300W/kg，并且循環使用壽命長。但其價格較高，安全性尚需進一步提高。低功率密度，充放電頻率小，不能迅速轉化吸收大功率使得蓄電池在大型工程機械應用方面顯得力不從心。

液壓蓄能器儲能

液壓蓄能器是一種以液壓能的方式來存儲能量的裝置。液壓蓄能器具有高比功率、高循環效率、長時間儲能以及全充和全放能力強等特點。液壓蓄能器具有優越的工作循環承受能力和壽命，另外由于其能量密度較低，適用于頻繁起停的城市公交和工程機械的行走裝置。但傳統液壓蓄能器能量轉換效率較低。然而，在惰性氣體部分充入開孔型泡沫，可有效地提高液壓蓄能器的能量轉換效率，循環效率最高可達98.2%。采用碳纖維或復合材料等輕質材料，可明顯降低液壓蓄能器的重量，同時也能明顯地提高液壓蓄能器的強度[2]。

因此，液壓蓄能器特別適合頻繁剎車的工程機械的回收原件。

不同傳動方式下回收方案對比

液力機械式剎車能回收方案

液力機械式剎車能回收方案原理是在工程機械原傳動系統不變的情況下，增加了一套由二次元件，剎車能回收系統控制器，電磁離合器等主要元件組成的剎車能回收系統。工作中控制器控制二次元件為泵的工況，將液壓油吸入高壓蓄能器，以壓力能的形式儲存起來。同時提供制動力矩，達到剎車的目的。當工程機械需要加速或鏟掘作業時，控制二次元件切換為馬達工況，輸出的動力經扭矩耦合器與發機動力耦合到一起，共同為工程機械提供牽引力，從而減輕發動機的工作壓力。

全液壓剎車能回收方案

全液壓剎車能回收方案是將原來輪邊液壓馬達改造為二次元件，該能量回收系統原理簡單，實際上就是四個二次元件并聯起來的串聯系統，每個二次元件達均具有相等的輸入壓力。可以同時并聯多個元件，并且元件彼此之間可以互不影響。該系統具有一個特殊的優點，即可實現無級調速，這樣就大大改善車輛的動力性，同時也大大簡化了車輛的底盤系統，可實現多樣化的工作模式，具有較好的節油效果和駕駛性能[3]。但整體節能效果差于液力機械式剎車能回收方案。

剎車能回收系統的主要工作模式

配有剎車能回收系統的工程機械有五個工作模式：停車蓄能、車輛起步、正常行駛、制動減速、負載增加。

停車蓄能

無論是在料場轉移過程，還是在作業過程中，當施工完成時，都要進行停車，而且此時剎車不是緊急制動，沒有安全隱患，完全采用剎車能回收系統剎車，而且是采用蓄能器進行回收，將車輛的慣性能儲存在高壓蓄能器中。

車輛起步

在裝載啟動車前，首先檢測蓄能器的壓力是否滿足冷啟動的要求，即不需要發動機，直接靠蓄能器進行啟動。如果滿足，蓄能器提供能量對工程機械進行冷啟動，從而節省發動機的油耗;如果蓄能器的壓力不足以滿足啟動工程機械的需求，駕駛員必須依靠傳統工程機械的啟動方式，依靠發動機進行啟動車輛。

正常行駛

正常行駛階段跟普通工程機械一樣，要求電磁離合器處于離的狀態，剎車能回收系統與傳動系統處于分離狀態，剎車能回收系統和行走系統分別是兩個獨立的系統，互不影響。

制動減速

在工程機械需要制動減速時，此時控制器控制電磁離合器處于合的狀態，這時剎車能回收系統與行駛系統結為一體，在作業工況下，行駛速度比較低，由蓄能器完成儲能減速;在行駛工況下，速度較高，由液壓蓄能器進行儲能減速。若此時的制動沒有滿足制動要求，可以依靠液壓蓄能器對位移進行微調。

負載增加

在作業工況下，會遇到很大的阻力，傳統的工程機械需要加大油門，增加發動機的功率來完成。而裝有剎車能回收的工程機械則可以在此時釋放蓄能器中的液壓能，由二次元件提供的轉速和轉矩與發動機耦合在一起，共同為工程機械提供牽引力。

結論

本文首先對不同的能量回收元件，飛輪、蓄電池、液壓蓄能器等元件在功率密度和能量密度以及實用性方面進行了綜合比較分析，得出液壓蓄能器是最適合工程機械剎車能回收能量的儲存元件，然后根據不同的傳動系統，制定出不同的剎車能回收方案，由于液力機械式最普遍，回收效果最好，因此詳細地制定了其五個主要的工作模塊和模式。

參考文獻

東鑫淵.礦用井下裝載機變速器的總成性能試驗研究[J].民營科技，2018，4：52–53.

趙金祥.液壓節能汽車制動能量回收及動態調節策略研究[D].長春：吉林大學，2009.

賀利樂.建設機械液壓與液力傳動[M].北京：機械工業出版社，2004.