工程机械刹车能回收方案对比研究

东鑫渊 杜传祥

摘要： 工程机械在我国基础设施建设中起着重要作用，其在作业过程中面临着频繁刹车，刹车过程会造成制动装置摩擦片急剧磨损，产生能量损失。本文综合比较了刹车能回收系统的储能元件，分别讨论其工作原理和制动模式，选择了适合工程机械的刹车能回收方案。

关键词： 工程机械;刹车能;回收方案

基金项目：西安思源学院科研资助项目（XASY-B1911）

我国市场工程机械保有量已经达到上百万台，这类工程机械作业环境恶劣、工作任务繁重、生产效率不高。由于特定的作业环境和作业程序，工程机械需要完成频繁的前进、倒退、转向、刹车等运动，造成能量损失严重，如果能将这部分能量回收再利用，必将节省大量的能量[1]。本文从不同传动方式下设计不同的刹车能回收方案，阐述刹车能量回收原理，进行比较分析，制定出适合大多数工程机械的刹车能回收方案。

能量回收元件比较分析

飞轮储能

飞轮是以惯性能的方式，在高速旋转的飞轮中储存能量。当需要刹车时，蓄能系统将车辆的惯性动能通过连接器回收起来并转化为飞轮的旋转动能。当机械启动或加速时，飞轮通过释放本身旋转动能来驱动车辆，从而实现能量的传递。但飞轮储能系统布置有一定的困难，系统能量吸收率较低。高速旋转的飞轮会产生较大的噪音，飞轮制造精度，支撑方式和支撑刚度要求较高，会提高制造成本。

电池储能

目前来说铅酸电池技术发展比较成熟，其可靠性高、而且原料易得、价格便宜，但是由于铅酸电池的比能量相对较低，在过放电和过充电时，会缩短其使用寿命。另外深度放电以及环境温度变化也对电池性能也有一定影响。锂离子电池能量密度可达到100Wh/kg，功率密度可达到300W/kg，并且循环使用寿命长。但其价格较高，安全性尚需进一步提高。低功率密度，充放电频率小，不能迅速转化吸收大功率使得蓄电池在大型工程机械应用方面显得力不从心。

液压蓄能器储能

液压蓄能器是一种以液压能的方式来存储能量的装置。液压蓄能器具有高比功率、高循环效率、长时间储能以及全充和全放能力强等特点。液压蓄能器具有优越的工作循环承受能力和寿命，另外由于其能量密度较低，适用于频繁起停的城市公交和工程机械的行走装置。但传统液压蓄能器能量转换效率较低。然而，在惰性气体部分充入开孔型泡沫，可有效地提高液压蓄能器的能量转换效率，循环效率最高可达98.2%。采用碳纤维或复合材料等轻质材料，可明显降低液压蓄能器的重量，同时也能明显地提高液压蓄能器的强度[2]。

因此，液压蓄能器特别适合频繁刹车的工程机械的回收原件。

不同传动方式下回收方案对比

液力机械式刹车能回收方案

液力机械式刹车能回收方案原理是在工程机械原传动系统不变的情况下，增加了一套由二次元件，刹车能回收系统控制器，电磁离合器等主要元件组成的刹车能回收系统。工作中控制器控制二次元件为泵的工况，将液压油吸入高压蓄能器，以压力能的形式储存起来。同时提供制动力矩，达到刹车的目的。当工程机械需要加速或铲掘作业时，控制二次元件切换为马达工况，输出的动力经扭矩耦合器与发机动力耦合到一起，共同为工程机械提供牵引力，从而减轻发动机的工作压力。

全液压刹车能回收方案

全液压刹车能回收方案是将原来轮边液压马达改造为二次元件，该能量回收系统原理简单，实际上就是四个二次元件并联起来的串联系统，每个二次元件达均具有相等的输入压力。可以同时并联多个元件，并且元件彼此之间可以互不影响。该系统具有一个特殊的优点，即可实现无级调速，这样就大大改善车辆的动力性，同时也大大简化了车辆的底盘系统，可实现多样化的工作模式，具有较好的节油效果和驾驶性能[3]。但整体节能效果差于液力机械式刹车能回收方案。

刹车能回收系统的主要工作模式

配有刹车能回收系统的工程机械有五个工作模式：停车蓄能、车辆起步、正常行驶、制动减速、负载增加。

停车蓄能

无论是在料场转移过程，还是在作业过程中，当施工完成時，都要进行停车，而且此时刹车不是紧急制动，没有安全隐患，完全采用刹车能回收系统刹车，而且是采用蓄能器进行回收，将车辆的惯性能储存在高压蓄能器中。

车辆起步

在装载启动车前，首先检测蓄能器的压力是否满足冷启动的要求，即不需要发动机，直接靠蓄能器进行启动。如果满足，蓄能器提供能量对工程机械进行冷启动，从而节省发动机的油耗;如果蓄能器的压力不足以满足启动工程机械的需求，驾驶员必须依靠传统工程机械的启动方式，依靠发动机进行启动车辆。

正常行驶

正常行驶阶段跟普通工程机械一样，要求电磁离合器处于离的状态，刹车能回收系统与传动系统处于分离状态，刹车能回收系统和行走系统分别是两个独立的系统，互不影响。

制动减速

在工程机械需要制动减速时，此时控制器控制电磁离合器处于合的状态，这时刹车能回收系统与行驶系统结为一体，在作业工况下，行驶速度比较低，由蓄能器完成储能减速;在行驶工况下，速度较高，由液压蓄能器进行储能减速。若此时的制动没有满足制动要求，可以依靠液压蓄能器对位移进行微调。

负载增加

在作业工况下，会遇到很大的阻力，传统的工程机械需要加大油门，增加发动机的功率来完成。而装有刹车能回收的工程机械则可以在此时释放蓄能器中的液压能，由二次元件提供的转速和转矩与发动机耦合在一起，共同为工程机械提供牵引力。

结论

本文首先对不同的能量回收元件，飞轮、蓄电池、液压蓄能器等元件在功率密度和能量密度以及实用性方面进行了综合比较分析，得出液压蓄能器是最适合工程机械刹车能回收能量的储存元件，然后根据不同的传动系统，制定出不同的刹车能回收方案，由于液力机械式最普遍，回收效果最好，因此详细地制定了其五个主要的工作模块和模式。

参考文献

东鑫渊.矿用井下装载机变速器的总成性能试验研究[J].民营科技，2018，4：52–53.

赵金祥.液压节能汽车制动能量回收及动态调节策略研究[D].长春：吉林大学，2009.

贺利乐.建设机械液压与液力传动[M].北京：机械工业出版社，2004.