輪式裝載機(jī)能量回收技術(shù)研究

摘要：裝載機(jī)能量回收存在著效率較低、能量利用與發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出缺少配合等問(wèn)題，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油耗偏高、部分工況排放惡劣等現(xiàn)象。文章對(duì)常見(jiàn)能量回收技術(shù)進(jìn)行分析，指出液電混合能量回收系統(tǒng)是裝載機(jī)節(jié)能減排最有前途的方式。

關(guān)鍵詞：輪式裝載機(jī)；能量回收技術(shù)；電液系統(tǒng)；節(jié)能減排；發(fā)動(dòng)機(jī) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，作為工程機(jī)械應(yīng)用最廣的裝載機(jī)的保有量急劇增加，截至2013年底裝載機(jī)全國(guó)保有量已經(jīng)達(dá)到150萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)5.24%。同時(shí)，作為裝載機(jī)能量源泉的石油在2013年的進(jìn)口量達(dá)到2.82萬(wàn)噸，對(duì)外依存度上升至57.39%，我國(guó)的能源安全受到了嚴(yán)重的威脅。目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展同時(shí)面臨著能源危機(jī)與環(huán)境污染雙重挑戰(zhàn)。因此，針對(duì)裝載機(jī)的節(jié)能技術(shù)研究，特別是整機(jī)能量回收技術(shù)的研究，對(duì)減少燃油消耗與降低排放有著重要意義。

1 能量回收技術(shù)研究進(jìn)展

在節(jié)能與環(huán)保的雙重壓力下，研究人員發(fā)現(xiàn)裝載機(jī)在部分工作過(guò)程中存在有較大的能量，為了能夠?qū)⑦@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(jí)電容蓄能等多種能量回收方式，然后在裝載機(jī)起步、加速時(shí)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行工作。相關(guān)資料表明，通過(guò)有效地回收制動(dòng)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(huán)平均油耗降低30%，極大地提高了整車經(jīng)濟(jì)與排放性能。因此，在目前節(jié)能減排的嚴(yán)峻形式下，根據(jù)裝載機(jī)的特點(diǎn)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(dòng)技術(shù)對(duì)各種驅(qū)動(dòng)型汽車進(jìn)行研究，結(jié)果表明：通過(guò)能量的回收與利用，可以使每循環(huán)（加速、減速）平均油耗降低30%，極大地提高了裝載機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、降低了排放量。根據(jù)裝載機(jī)能量回收系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置形式的不同，能量回收系統(tǒng)可以分為飛輪儲(chǔ)能回收系統(tǒng)、液壓儲(chǔ)能回收系統(tǒng)及電儲(chǔ)能回收系統(tǒng)。

2 回收形式分析

2.1 飛輪儲(chǔ)能回收系統(tǒng)

飛輪儲(chǔ)能回收系統(tǒng)是以飛輪作為能量?jī)?chǔ)備元件，用飛輪的高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放能量的一種裝置，是一種機(jī)械慣性勢(shì)能進(jìn)行蓄能的裝置。儲(chǔ)能飛輪在裝載機(jī)減速時(shí)裝載機(jī)的慣性勢(shì)能使飛輪加速，使裝載機(jī)的動(dòng)能儲(chǔ)存進(jìn)高速飛輪中；當(dāng)裝載機(jī)加速時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪減速將儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)行駛。由于飛輪蓄能的技術(shù)要求高，反之節(jié)油效果不高。飛輪儲(chǔ)能的主要缺點(diǎn)是抗震性能較差，噪聲大，對(duì)工作環(huán)境要求苛刻，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造要求精度高。因此，盡管飛輪蓄能具有較好的應(yīng)用前景，但目前還尚停留在試驗(yàn)階段，距離工程化應(yīng)用還有一段較長(zhǎng)距離。

2.2 液壓儲(chǔ)能回收系統(tǒng)

液壓蓄能器是通過(guò)液壓能形式將能量進(jìn)行存儲(chǔ)，其中氣體皮囊式蓄能器使用最為廣泛。液壓儲(chǔ)能回收系統(tǒng)利用液壓蓄能器與液壓泵/馬達(dá)組成能量回收及利用系統(tǒng)，當(dāng)裝載機(jī)減速時(shí)，液壓泵/馬達(dá)以泵的形式工作將慣性勢(shì)能轉(zhuǎn)化成液壓能儲(chǔ)存到蓄能器中，實(shí)現(xiàn)能量回收。當(dāng)裝載機(jī)啟動(dòng)、加速或爬坡時(shí)，液壓泵/馬達(dá)以馬達(dá)的形式工作將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能供應(yīng)裝載機(jī)動(dòng)力。

2.3 蓄電池儲(chǔ)能回收系統(tǒng)

蓄電池儲(chǔ)能回收系統(tǒng)相對(duì)于以上兩種能量回收系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)成熟，蓄電池與具有可逆作用的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組成輔助動(dòng)力單元，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝載機(jī)能量的回收與利用。近年來(lái)，蓄電池回收技術(shù)得到了快速的發(fā)展，但主要局限于轎車業(yè)。主要原因在于雖然蓄電池儲(chǔ)能性能較好，但功率密度較低，充放電速度小，不能迅速轉(zhuǎn)化大功率，因此蓄電池儲(chǔ)能不利于負(fù)載變化較快的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行能量回收和利用。對(duì)于乘用車及工程機(jī)械用裝載機(jī)，啟動(dòng)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(diǎn)，使得電儲(chǔ)能回收系統(tǒng)在乘用車及工程裝載機(jī)上的應(yīng)用無(wú)法大面積推廣應(yīng)用。

2.4 其他能量回收系統(tǒng)

除了上述能量回收系統(tǒng)外，有人提出復(fù)合式能量回收系統(tǒng)，比如液壓-飛輪能量回收系統(tǒng)、蓄電池-飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)和液電混合能量回收系統(tǒng)，其中液電能量回收系統(tǒng)在裝載機(jī)制動(dòng)時(shí)，液壓蓄能系統(tǒng)將泵/馬達(dá)以泵的形式工作，裝載機(jī)行駛的動(dòng)能帶動(dòng)泵旋轉(zhuǎn)，將高壓油壓入蓄能器中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能或者勢(shì)能到液壓能的轉(zhuǎn)化；在裝載機(jī)行進(jìn)時(shí)，液壓蓄能系統(tǒng)再將泵/馬達(dá)以馬達(dá)的形式工作，高壓油從蓄能器中輸出帶動(dòng)馬達(dá)，馬達(dá)與蓄電池系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)通過(guò)離合器連接，此時(shí)以發(fā)電機(jī)形式工作，并將產(chǎn)生的電輸送至蓄電池，從而將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｔ谘b載機(jī)啟動(dòng)、加速時(shí)液壓蓄能系統(tǒng)與蓄電池蓄能系統(tǒng)同時(shí)工作，將儲(chǔ)存能量轉(zhuǎn)變機(jī)械能輔助發(fā)動(dòng)機(jī)為裝載機(jī)提供能量。

3 能量回收技術(shù)的應(yīng)用

在20世紀(jì)70年代，美國(guó)威斯康辛大學(xué)的Norman H.Beachley等研究人員就已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)能量回收進(jìn)行研究。1979年，丹麥P.Buchwald等研究人員對(duì)能量回收理論進(jìn)行詳細(xì)研究，并以Ford EscortVan車為原型，研制出液壓蓄能式制動(dòng)能量再生系統(tǒng)。1987年，日本三菱公司在公交汽車上應(yīng)用了新開(kāi)發(fā)了一種液壓儲(chǔ)能系統(tǒng)，使經(jīng)濟(jì)性得到顯著提高。2004年，美國(guó)環(huán)保署（EPA）在全球汽車工程師會(huì)議（SAE）上展示了一臺(tái)串聯(lián)液壓儲(chǔ)能商務(wù)SUV，據(jù)根據(jù)相關(guān)報(bào)道，油耗可降低55%。1987年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)姜繼海教授開(kāi)始液壓節(jié)能技術(shù)方面的研究，1997年研究了二次調(diào)節(jié)靜液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并從2001年開(kāi)始將該技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用于城市公交車，應(yīng)用二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)節(jié)能技術(shù)回收勢(shì)能回收，同時(shí)深入地研究了液壓抽油機(jī)、挖掘機(jī)等工程機(jī)械。趙尚福、劉昕暉詳細(xì)地分析了裝載機(jī)液壓系統(tǒng)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(jìn)了動(dòng)臂下降過(guò)程中的節(jié)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(jié)能的裝載機(jī)節(jié)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)回收動(dòng)臂和鏟斗靜止時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的多余能量、裝載機(jī)制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)動(dòng)能和動(dòng)臂下降與鏟斗翻轉(zhuǎn)卸料過(guò)程中的重力勢(shì)能，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定功率的經(jīng)濟(jì)工況下，從而提高裝載機(jī)的工作效率，同時(shí)降低燃油消耗。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)各種能量回收方式特點(diǎn)進(jìn)行分析后，指出液電混合能量回收系統(tǒng)將會(huì)成為能量回收研究的重點(diǎn)。液電能量回收系統(tǒng)通過(guò)液壓蓄能系統(tǒng)和蓄電池蓄能系統(tǒng)之間的能量傳遞，實(shí)現(xiàn)了快速回收能量，同時(shí)具備較大的能量和功率密度的特點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)。液電能量回收再生系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)目前裝載機(jī)的節(jié)能減排有著至關(guān)重要的意義。

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作者簡(jiǎn)介：朱文華（1970-），男，江蘇泗陽(yáng)人，淮陰工學(xué)院技師。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）