液压挖掘机及其节能技术的研究

石昌沅

（青岛经济技术开发区第一中学，山东 青岛 266555）

液压挖掘机及其节能技术的研究

石昌沅

（青岛经济技术开发区第一中学，山东 青岛 266555）

伴随着我国重型工业的迅速发展，各种类型的重型工程机械层出不穷，其数量迅速增加，广泛应用于市政、交通、土木建设，搬运、装配、运输等各个领域，其应用中存在一些问题。由于自身结构及工况的要求，大多数工程机械工作时所消耗的能源大，并且能源不完全燃烧产生的有害气体、粉尘对环境造成影响。本文通过对典型的重型机械——挖掘机的结构和工作情况进行分析，进而介绍了目前较为先进的几种重型机械能量回收系统。

工程机械；结构；能量回收；环境保护

有研究表明，制造业对我国GDP的贡献率高达45%。由此可以看出，制造业作为支柱性产业，是国家综合国力和国际竞争力的体现。

我国作为世界上最大的发展中国家，自改革开放以来，在重型工业领域尤其是制造业取得了一系列辉煌的成就。经数据统计，我国工程装备行业市场在2004年仅占世界市场的12.5%，而仅仅经过3年的发展，占有率达到24.5%，增幅高达90%以上。

1 挖掘机结构介绍

工程机械即是用来完成各种施工工程的机器和设备，作为国家重型工业的重要组成部分，在我国的轨道交通、土木建筑、市政建设、公路桥梁等领域发挥着极其关键的作用。工程机械的分类具有多重标准，一般按照其功用可大致分为铲土运输机械、挖掘机械、路面压实机械、桩工机械、起重机械、隧道施工机械等。而挖掘类机械作为最常见的工程机械，对其结构有所了解是非常必要的。

挖掘机按照其大小和吨位的不同，一般分为大型挖掘机、中型挖掘机和小型挖掘机三种，而无论哪一种挖机，其基本结构一般均包括工作时动作的执行装置、移动时动作的行走装置以及可以进行360度旋转的回转平台三部分。

1.1 行走装置

行走装置即通常所说的底盘机构，其作用是将发动机所产生的驱动力传递至底盘上的驱动轮，使之转变为整机的牵引力，实现机器的运动。

行走装置一般由车架总成和“四轮一带”机构组成。车架总成即为履带行走支架总成，是由多片钢板经焊接而成，由于要求其具备良好的承载能力，因此对其材料的强度、刚度等有一定要求。车架总成一般采用X形结构，由左、右履带架和中间架三部分组成，总重量约为2吨左右，因型号不同而有所差异。

“四轮一带”行走机构是支重轮、托链轮、导向轮、驱动轮和履带几部分的总称。支重轮位于车架总成下方，其作用是将整机的重量均匀的传递至履带，使履带能够安全的通过各种复杂地形，其数量的多少由挖掘机履带局部接地比压决定；托链轮位于左、右履带架上方，顾名思义，其作用就是将上侧的履带托起，其个数以在运行过程中不出现卡链现象为准；导向轮固定于左、右侧履带架的前侧，其后侧由采用了黄油缸的压紧装置所固定，起到为整机导向的作用，同时，配合驱动轮将履带固定于履带架上；驱动轮为上述各轮中最为重要的，位于左、右侧履带架后侧，该机构能将驱动马达传递出的动力进行减速、增扭，传递至履带从而驱动整机进行运动。左、右两侧的驱动轮固定在两个相互独立的驱动马达之上，通过控制两个马达的转速就能实现整机的转向。

1.2 执行机构

工程机械的主要作用就是为了在工程建设、施工过程中实现各种动作，而为了达到此目的主要依赖执行机构。就挖掘机而言，常见的工作装置分为两种：正铲装置和反铲装置。正铲和反铲装置最大的区别是工作形式的不同，正铲装置采用“前进向上，强制切土”的方式，执行机构由靠近履带的位置向外运动；反铲装置采用“后退向下，强制切土”的方式，执行机构由远侧向履带前侧运动。正铲挖掘机与反铲挖掘机相比，其斗容量更大，因此更适合装卸运输作业，而反铲挖掘机更适合于挖掘与铲土作业。然而无论是什么形式的执行机构，其基本结构是相同的，均包括动臂、斗杆、铲斗及相应的油缸和液压管路。动臂装置是直接铰接于底盘机构前侧上的结构，有固定式和浮动式两种安装方式，长度一般较长且有一定的弯曲，其动作由铰接于动臂与机架之上的动臂油缸所控制。动臂油缸一般为一个或者两个，在动臂油缸伸出时，动臂向上抬升，反之下降。斗杆装置铰接于动臂末端，其结构形式一般为直臂，长度与动臂相比略短，其动作由铰接与其上和动臂上方的斗杆液压缸所控制，油缸伸出时斗杆向靠近挖掘机的一侧收回，反之伸出。斗杆机构是进行挖掘作业时的主要工作装置。铲斗装置即位于整机最前侧的挖斗，铰接于斗杆末端，由铲斗外侧铰接的连杆机构实现铲斗的翻转。由于铲斗装置在工作时直接与地面接触，因此对制造铲斗及铲齿的材料的强度、刚度、疲劳强度均有一定的要求，此外，还需要进行适当的表面热处理。

1.3 回转平台

回转平台即承载了司机室、发动机、配重等部分，且能够360度回转的机构。通过设置在回转平台中央的回转接头，可以将回转平台上安装的发动机所输出的动力经多种液压管路传递给执行机构、行走机构以及回转平台自身。随着工人对工作环境要求的提高，当前市面上生产销售的挖掘机回转平台大都具备有空调系统，该系统也搭载于回转平台之上。其主要部分包括压缩机总成、冷凝器、蒸发器以及配套的管路和电气系统。

2 能量回收系统的设计

2.1 背景概述

当今世界，环境已成为发展必须考虑的因素之一，机械产品的设计与制造必须要考虑对环境的适应性、对能源的要求，因此，开发研制环境友好型产品是工程机械今后发展的大势所趋。另外，避免亏损，新技术的运用是关键所在。

就挖掘机而言，采用能量回收系统的好处不仅仅能提高对能源的利用率、减少不完全燃烧气体排放对环境的污染，更重要的是能带来一系列降低成本的影响，因此，受到了各大采购商的极大关注。相关数据显示，工程机械中出现故障最多的为液压系统和动力系统，而在采取节能技术之后，发动机效率可以得到充分的发挥，及时与负载进行匹配，同时，在液压系统上功率的损失也会大大减少，从而降低了这两个系统的工作强度，达到降低故障发生率、减少维修成本的效果。能量在液压系统上的损失主要表现为液压系统管路和液压元器件的发热，这对整个设备工作的可靠性和使用寿命有很大的影响，因此，能量回收系统的设计应运而生。

2.2 能量回收系统分析

液压挖掘机作为大型工程机械，其各个执行机构均具备很大的质量，而挖掘机在正常的工作循环中，其执行机构均会经历上升和下降的过程，在下降的过程中大量的重力势能会被释放，若不对这些能量进行回收和再利用，就会引起系统的发热及各元器件的损耗，而能量回收系统就是为此而设计。

（1）无储能元件型装置。能量回收装置根据其元器件类型可分为储能元件型和无储能元件型。无储能元件型一般采用多路液压阀门对能量进行回收，由于该系统无法将回收的能量传递给其他储能元件进行，因此只能通过液压冲击产生的消耗进行自身消耗，故能量回收率较低，效果也很有限，所以此类型能量回收系统不适合中、大型挖掘机中较大能量的回收。

（2）有储能元件型装置。有储能元件型能量回收装置可将能量回收储存在自身的储能元件中，受外部环境和工况的影响较小，且能量回收效率高、可储存大量能量。有储能元件型能量回收装置根据其回收得到的能量的类型分为三类：机械储能型、电储能型以及液压储能型。机械储能式能量回收装置根据储能元件不同可分为多种，而目前运用最为广泛的即为飞轮式储能装置，其工作原理是将挖掘机的执行机构在下降过程中释放的大量重力势能转换为飞轮高速旋转的动能，在执行机构上升时再将飞轮的动能释放转化为其上升的驱动力。该类能量回收装置工作原理简单、成本较低、简单可行，只是其实际能量回收效率并不高，而且飞轮的重量和体积均较大，在工作过程中也会消耗大量能量。

液压式储能装置其工作原理类似于机械储能装置，即将执行机构依靠自重下降时产生的势能通过液压系统转化为液压能进行储存，一般通过液压蓄能器作为储能元件。根据蓄能器工作原理的不同，可将其分为弹簧式、活塞式、气囊式、隔膜式、充气式等。液压储能式回收装置不需要多种复杂的元件、结构简单，能够长期而较为有效的储存能量，而且具备快速响应特性，即在需要吸收和释放能量能够快速满足整机要求。其不足在于在能量回收过程中能量消耗较大，且对液压元器件密封性要求很高，因此成本较高。

电储能式能量回收装置是前两种回收方式的改进，是通过机械机构或液压系统将回收的势能转化为机械能之后，再通过发电机将能量转化为电能形式存储在蓄电池中，在需要时根据挖掘机的核心控制系统进行调节和分配继而释放。该类装置优点突出，能量存储密度高、体积小，在新能源及混合动力车辆上得到了广泛的应用。其不足在于该类装置结构复杂，不仅需要传统的能量回收装置，还需要与其配套的挖掘机及蓄电池，导致其成本较高、维修复杂，但其发展前景依旧十分广阔。

3 结语

本文对国内工程机械市场发展所遭遇的困境和发展方向进行简要概述，说明了液压挖掘机采用能量回收系统的意义及必要性。液压挖掘机采用新型的能量回收系统，不仅有利于能量的再次利用，减少有害气体的排放，符合发展环保型工业的大方向，而且能帮助各大装备制造集团脱颖而出，以较低的能量消耗和生产成本来吸引来自各方买家的注意力。

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TU621

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1671-0711（2017）12（上）-0082-03