工程機(jī)械剎車能回收方案對比研究

東鑫淵 杜傳祥

摘要： 工程機(jī)械在我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中起著重要作用，其在作業(yè)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(chǎn)生能量損失。本文綜合比較了剎車能回收系統(tǒng)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(jī)械的剎車能回收方案。

關(guān)鍵詞： 工程機(jī)械;剎車能;回收方案

基金項目：西安思源學(xué)院科研資助項目（XASY-B1911）

我國市場工程機(jī)械保有量已經(jīng)達(dá)到上百萬臺，這類工程機(jī)械作業(yè)環(huán)境惡劣、工作任務(wù)繁重、生產(chǎn)效率不高。由于特定的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)程序，工程機(jī)械需要完成頻繁的前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)向、剎車等運(yùn)動，造成能量損失嚴(yán)重，如果能將這部分能量回收再利用，必將節(jié)省大量的能量[1]。本文從不同傳動方式下設(shè)計不同的剎車能回收方案，闡述剎車能量回收原理，進(jìn)行比較分析，制定出適合大多數(shù)工程機(jī)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(zhuǎn)的飛輪中儲存能量。當(dāng)需要剎車時，蓄能系統(tǒng)將車輛的慣性動能通過連接器回收起來并轉(zhuǎn)化為飛輪的旋轉(zhuǎn)動能。當(dāng)機(jī)械啟動或加速時，飛輪通過釋放本身旋轉(zhuǎn)動能來驅(qū)動車輛，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。但飛輪儲能系統(tǒng)布置有一定的困難，系統(tǒng)能量吸收率較低。高速旋轉(zhuǎn)的飛輪會產(chǎn)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(shù)發(fā)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(huán)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(dá)到100Wh/kg，功率密度可達(dá)到300W/kg，并且循環(huán)使用壽命長。但其價格較高，安全性尚需進(jìn)一步提高。低功率密度，充放電頻率小，不能迅速轉(zhuǎn)化吸收大功率使得蓄電池在大型工程機(jī)械應(yīng)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(huán)效率、長時間儲能以及全充和全放能力強(qiáng)等特點(diǎn)。液壓蓄能器具有優(yōu)越的工作循環(huán)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(jī)械的行走裝置。但傳統(tǒng)液壓蓄能器能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率，循環(huán)效率最高可達(dá)98.2%。采用碳纖維或復(fù)合材料等輕質(zhì)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(qiáng)度[2]。

因此，液壓蓄能器特別適合頻繁剎車的工程機(jī)械的回收原件。

不同傳動方式下回收方案對比

液力機(jī)械式剎車能回收方案

液力機(jī)械式剎車能回收方案原理是在工程機(jī)械原傳動系統(tǒng)不變的情況下，增加了一套由二次元件，剎車能回收系統(tǒng)控制器，電磁離合器等主要元件組成的剎車能回收系統(tǒng)。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(dá)到剎車的目的。當(dāng)工程機(jī)械需要加速或鏟掘作業(yè)時，控制二次元件切換為馬達(dá)工況，輸出的動力經(jīng)扭矩耦合器與發(fā)機(jī)動力耦合到一起，共同為工程機(jī)械提供牽引力，從而減輕發(fā)動機(jī)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(dá)改造為二次元件，該能量回收系統(tǒng)原理簡單，實(shí)際上就是四個二次元件并聯(lián)起來的串聯(lián)系統(tǒng)，每個二次元件達(dá)均具有相等的輸入壓力。可以同時并聯(lián)多個元件，并且元件彼此之間可以互不影響。該系統(tǒng)具有一個特殊的優(yōu)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)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(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多樣化的工作模式，具有較好的節(jié)油效果和駕駛性能[3]。但整體節(jié)能效果差于液力機(jī)械式剎車能回收方案。

剎車能回收系統(tǒng)的主要工作模式

配有剎車能回收系統(tǒng)的工程機(jī)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(fù)載增加。

停車蓄能

無論是在料場轉(zhuǎn)移過程，還是在作業(yè)過程中，當(dāng)施工完成時，都要進(jìn)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(tǒng)剎車，而且是采用蓄能器進(jìn)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(fā)動機(jī)，直接靠蓄能器進(jìn)行啟動。如果滿足，蓄能器提供能量對工程機(jī)械進(jìn)行冷啟動，從而節(jié)省發(fā)動機(jī)的油耗;如果蓄能器的壓力不足以滿足啟動工程機(jī)械的需求，駕駛員必須依靠傳統(tǒng)工程機(jī)械的啟動方式，依靠發(fā)動機(jī)進(jìn)行啟動車輛。

正常行駛

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

制動減速

在工程機(jī)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(tài)，這時剎車能回收系統(tǒng)與行駛系統(tǒng)結(jié)為一體，在作業(yè)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(jìn)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(jìn)行微調(diào)。

負(fù)載增加

在作業(yè)工況下，會遇到很大的阻力，傳統(tǒng)的工程機(jī)械需要加大油門，增加發(fā)動機(jī)的功率來完成。而裝有剎車能回收的工程機(jī)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機(jī)耦合在一起，共同為工程機(jī)械提供牽引力。

結(jié)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(shí)用性方面進(jìn)行了綜合比較分析，得出液壓蓄能器是最適合工程機(jī)械剎車能回收能量的儲存元件，然后根據(jù)不同的傳動系統(tǒng)，制定出不同的剎車能回收方案，由于液力機(jī)械式最普遍，回收效果最好，因此詳細(xì)地制定了其五個主要的工作模塊和模式。

參考文獻(xiàn)

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

趙金祥.液壓節(jié)能汽車制動能量回收及動態(tài)調(diào)節(jié)策略研究[D].長春：吉林大學(xué)，2009.

賀利樂.建設(shè)機(jī)械液壓與液力傳動[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.