关键词：工程机械；作业机构；能量回收技术；现状
引言
我国是全球最大的能源消费国，环境问题、原油进口和短缺危机已经成为我国持续发展的沉重负担。工程机械是我国的重要支柱产业之一，提高其能源利用效率是满足国民经济发展能源需求和应对环境问题的有效途径。针对工程机械许多作业机构都存在向系统回馈能量的情况，从工程机械动势能回收技术方面，介绍了对大质量和转动惯量的高频次作业机构进行节能降耗的主要技术进展和新的研究成果。希望能从能量回收原理和方法，推动行业发展和技术进步，从而提升我国工程机械的质量和水平。
1工程机械能量回收潜力分析
如前所述，能量回收是工程机械提高能量利用效率的有效手段之一，其工作原理是:在工作装置下放、行走制动与回转体制动过程中，采用合理的能量转换元件，将势能和动能转换为其它能量形式保存在储能装置中并加以利用。实际上并不是所有的势能和动能都能够被回收利用，影响能量回收的因素主要有以下几个方面:(1)由精细操作产生的液压系统节流损失与克服工作装置运动阻力(摩擦与风阻等)所消耗的能量无法回收利用;(2)传动部件的工作效率。通常，工程机械的能量回收要经过多个能量的转换环节(机械能—液压能—电能(或空气能))，由于各环节都不可避免地存在能量损失，因此各部件的传动效率对能量回收过程有着重要影响;(3)作业工况的影响。可回收的能量与工程机械在作业过程中的施工范围、作业强度以及工作条件都有密切的关系，不同作业工况下的可回收能量也有较大的差别。这里将重点讨论工程机械在典型工况下的能量回收潜力。以工程机械代表性产品液压挖掘机与装载机为例来说明工程机械的工况特点。与普通的路面机械不同，装载机除了要驱动车辆在工作场地进行移动外，还要完成工作装置的作业任务(铲土、举升、转向、卸土等)。其典型的工作循环可以描述为:空载前进—铲装—提斗—负载运输—等待—举升物料—卸料—空载返程。液压挖掘机能够完成多种复杂的工作，其各执行机构的动作组合也是多种多样的。最为常见的一种作业工况是挖掘装载，包括动臂下放—挖掘提升+90度回转—卸土—回转复位五个环节。从对装载机与挖掘机的工况分析可以看出，其工作循环具有作业任务变化性强、加减速起制动频繁、功率波动大、周期性和规律性明显等特点。工程机械的加/减速与起/制动频繁、功率波动大等工况特点决定了其可观的能量回收潜力。这里以20吨级挖掘机为例，对工程机械在典型工况下的可回收能量进行定量分析。在典型挖掘工况下，挖掘机将完成两次回转平台的加速与减速、一次工作装置的举升与下降。因此，挖掘机可回收能量来自于回转平台减速与工作装置下降时所损失的动能和势能。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2工程机械能量回收技术
2.1重力势能回收
典型的工程机械势能回收方式是流量再生、转换为液压能存储在蓄能器、转换为电能存储在蓄电池或超级电容中，也可以惯性能的形式存储于飞轮中。不同能量存储单元的功率密度和能量密度对比，蓄电池具有较大的能量密度，而钢制蓄能器具有较高的功率密度，复合材料液压蓄能器综合性能最佳。工程机械常用液压蓄能器作为势能回收的储存装置，然后在特定的作业工况中再加以利用。该系统由控制阀、液压蓄能器、液压先导泵/马达、负载敏感系统和电子控制单元构成，在动臂下降过程中进行能量回收。当开关阀X关闭后液压油进入流量控制阀，能量回收功能关闭，切换为常规负载敏感模式。当有些工况时蓄能器压力无法平衡动臂时，比例液压阀Y控制动臂下降以提高操作的可控性，并避免动臂油缸有杆腔产生气穴。液压马达与内燃机同轴且可作先导泵，当动臂上升时，蓄能器中存储的液压能量通过开关阀3驱动液压马达实现回收能量利用。当混合动力模式失效或关闭时，安全阀5防止液压蓄能器过载。一种基于压力补偿装置与能量回收相结合的液压缸驱动方案负载敏感先导管路通过梭阀采集操作执行器的最高进口压力，将泵出口压力调控在最高负载压力与设定压力裕度之和上;在负载敏感系统出口节流油管上安装节能型压力补偿系统平衡超载;采用液压马达同轴耦合发电机进行能量回收。当液压缸超载或工作压力尚未达到最大压力时，液压马达驱动发电机将液压缸出口的压力能转化为电能，回收的能量可以储存在蓄电池/超级电容中，也可以直接供给其他用电设备。类似于负载独立流量分配系统，当主泵流量饱和时，该节能系统也可以按比例减少系统中各执行机构的流量，保证了复合动作的协调。
2.2回转制动动能回收
液压挖掘机回转机构在作业过程中存在着大量的可回收能量，在液压挖掘机中由液压马达、电机、电机控制器、超级电容构成能量回收系统，该回转制动能量回收系统结构方案。当控制阀17处于左位、回转制动能量回收阀13处于下位时，变量泵2输出的压力油进入回转马达16的B口，回转机构转动加速，能量回收系统不起作用。当控制阀17处于中位、回转制动能量回收阀13处于上位时，回转机构制动减速并惯性转动，马达16工作于泵工况，高压油经阀13进入回收马达12带动发电机9发电，通过整流/逆变器6进入超级电容7，电机控制器8调节发电机－马达转速进而调节回转马达16出口的压力，实现回转马达减速制动。上述过程可以控制液压挖掘机回转机构减速制动至指定位置，并完成回转制动的能量回收。
结语
由于工程机械的巨大能量回收潜力，采用能量回收技术的工程机械能大幅提高系统的燃油经济性，降低排放，可以满足21世纪日益严格的环保与节能要求，具有良好的商品化和产业化前景。当前，世界范围内工程机械能量回收技术已成为研究热点，以能量回收为主体特征的节能系统也成为工程机械系统供应商与主机厂商的开发重点，并已有部分实现了商品化与小规模产业化。对于我国来说，加大能量回收等新型技术的研发与产业化投入，有利于促进我国工程机械装备的产业升级，增加我国工程机械行业的创新附加值，提高产品核心竞争力。
参考文献
［1］赵波，刘杰，戴丽，等．挖掘机液压系统的节能技术分析［J］．流体传动与控制，2007，(4):43～45．
［2］彭天好，杨华勇，傅新．液压挖掘机全局功率匹配与协调控制［J］．机械工程学报，2001，37(11):50～53．
［3］柳波，何清华，杨忠炯．基于转速感应的液压旋挖钻机功率匹配模糊控制［J］．中国公路学报，2007，20(1):122～126．
［4］邹乃威，章二平，戴群亮，等．并联混合动力装载机建模与仿真研究［J］．工程机械，2010，41(11):6～12．
论文作者:黄颖晃
论文发表刊物:《城镇建设》2019年2卷17期
论文发表时间:2019/12/2
标签：能量论文; 工程机械论文; 工况论文; 液压论文; 作业论文; 蓄能器论文; 马达论文; 《城镇建设》2019年2卷17期论文;