轮式装载机能量回收技术研究

摘要：装载机能量回收存在着效率较低、能量利用与发动机功率输出缺少配合等问题，导致发动机油耗偏高、部分工况排放恶劣等现象。文章对常见能量回收技术进行分析，指出液电混合能量回收系统是装载机节能减排最有前途的方式。

关键词：轮式装载机；能量回收技术；电液系统；节能减排；发动机 文献标识码：A

中图分类号：TH243 文章编号：1009-2374（2015）18-0089-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.046

随着我国国民经济的飞速发展，作为工程机械应用最广的装载机的保有量急剧增加，截至2013年底装载机全国保有量已经达到150万台，同比增长5.24%。同时，作为装载机能量源泉的石油在2013年的进口量达到2.82万吨，对外依存度上升至57.39%，我国的能源安全受到了严重的威胁。目前，我国经济可持续发展同时面临着能源危机与环境污染双重挑战。因此，针对装载机的节能技术研究，特别是整机能量回收技术的研究，对减少燃油消耗与降低排放有着重要意义。

1 能量回收技术研究进展

在节能与环保的双重压力下，研究人员发现装载机在部分工作过程中存在有较大的能量，为了能够将这些能量加以回收利用，人们分别提出了飞轮蓄能、液力蓄能、蓄电池蓄能及超级电容蓄能等多种能量回收方式，然后在装载机起步、加速时辅助发动机进行工作。相关资料表明，通过有效地回收制动能量并合理地加以利用，可以使特定工况下（加速、减速）每循环平均油耗降低30%，极大地提高了整车经济与排放性能。因此，在目前节能减排的严峻形式下，根据装载机的特点选择合适的能量回收就显得尤为重要。

为了能够有效回收能量，人们分别使用液压和电动技术对各种驱动型汽车进行研究，结果表明：通过能量的回收与利用，可以使每循环（加速、减速）平均油耗降低30%，极大地提高了装载机的燃油经济性、降低了排放量。根据装载机能量回收系统储能装置形式的不同，能量回收系统可以分为飞轮储能回收系统、液压储能回收系统及电储能回收系统。

2 回收形式分析

2.1 飞轮储能回收系统

飞轮储能回收系统是以飞轮作为能量储备元件，用飞轮的高速旋转进行储存和释放能量的一种装置，是一种机械惯性势能进行蓄能的装置。储能飞轮在装载机减速时装载机的惯性势能使飞轮加速，使装载机的动能储存进高速飞轮中；当装载机加速时，高速旋转的飞轮减速将储存的能量释放出来驱动装载机行驶。由于飞轮蓄能的技术要求高，反之节油效果不高。飞轮储能的主要缺点是抗震性能较差，噪声大，对工作环境要求苛刻，结构复杂，制造要求精度高。因此，尽管飞轮蓄能具有较好的应用前景，但目前还尚停留在试验阶段，距离工程化应用还有一段较长距离。

2.2 液压储能回收系统

液压蓄能器是通过液压能形式将能量进行存储，其中气体皮囊式蓄能器使用最为广泛。液压储能回收系统利用液压蓄能器与液压泵/马达组成能量回收及利用系统，当装载机减速时，液压泵/马达以泵的形式工作将惯性势能转化成液压能储存到蓄能器中，实现能量回收。当装载机启动、加速或爬坡时，液压泵/马达以马达的形式工作将液压能转变为机械能供应装载机动力。

2.3 蓄电池储能回收系统

蓄电池储能回收系统相对于以上两种能量回收系统技术相对成熟，蓄电池与具有可逆作用的电动机/发电机组成辅助动力单元，从而实现对装载机能量的回收与利用。近年来，蓄电池回收技术得到了快速的发展，但主要局限于轿车业。主要原因在于虽然蓄电池储能性能较好，但功率密度较低，充放电速度小，不能迅速转化大功率，因此蓄电池储能不利于负载变化较快的传动系统进行能量回收和利用。对于乘用车及工程机械用装载机，启动频繁和要求能量快速释放与回收，而蓄电池由于自身的缺点，使得电储能回收系统在乘用车及工程装载机上的应用无法大面积推广应用。

2.4 其他能量回收系统

除了上述能量回收系统外，有人提出复合式能量回收系统，比如液压-飞轮能量回收系统、蓄电池-飞轮储能系统和液电混合能量回收系统，其中液电能量回收系统在装载机制动时，液压蓄能系统将泵/马达以泵的形式工作，装载机行驶的动能带动泵旋转，将高压油压入蓄能器中，实现动能或者势能到液压能的转化；在装载机行进时，液压蓄能系统再将泵/马达以马达的形式工作，高压油从蓄能器中输出带动马达，马达与蓄电池系统中发电机/电动机通过离合器连接，此时以发电机形式工作，并将产生的电输送至蓄电池，从而将液压能转变为电能。在装载机启动、加速时液压蓄能系统与蓄电池蓄能系统同时工作，将储存能量转变机械能辅助发动机为装载机提供能量。

3 能量回收技术的应用

在20世纪70年代，美国威斯康辛大学的Norman H.Beachley等研究人员就已经开始了对能量回收进行研究。1979年，丹麦P.Buchwald等研究人员对能量回收理论进行详细研究，并以Ford EscortVan车为原型，研制出液压蓄能式制动能量再生系统。1987年，日本三菱公司在公交汽车上应用了新开发了一种液压储能系统，使经济性得到显著提高。2004年，美国环保署（EPA）在全球汽车工程师会议（SAE）上展示了一台串联液压储能商务SUV，据根据相关报道，油耗可降低55%。1987年，哈尔滨工业大学姜继海教授开始液压节能技术方面的研究，1997年研究了二次调节静液驱动系统并从2001年开始将该技术进行应用于城市公交车，应用二次调节静液传动节能技术回收势能回收，同时深入地研究了液压抽油机、挖掘机等工程机械。赵尚福、刘昕晖详细地分析了装载机液压系统中能量损失较大的部位，分析并找出了能量损失的原因，并改进了动臂下降过程中的节流损失。曲金玉、任传波、李东荣等人提出一种基于液压蓄能节能的装载机节能系统，该系统通过回收动臂和铲斗静止时发动机输出的多余能量、装载机制动过程中的制动动能和动臂下降与铲斗翻转卸料过程中的重力势能，使发动机工作在一个相对稳定功率的经济工况下，从而提高装载机的工作效率，同时降低燃油消耗。

4 结语

本文通过对各种能量回收方式特点进行分析后，指出液电混合能量回收系统将会成为能量回收研究的重点。液电能量回收系统通过液压蓄能系统和蓄电池蓄能系统之间的能量传递，实现了快速回收能量，同时具备较大的能量和功率密度的特点，通过现有技术即可实现。液电能量回收再生系统的实现，对目前装载机的节能减排有着至关重要的意义。

参考文献

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作者简介：朱文华（1970-），男，江苏泗阳人，淮阴工学院技师。

（责任编辑：黄银芳）