液壓挖掘機及其節能技術的研究

石昌沅

（青島經濟技術開發區第一中學，山東 青島 266555）

液壓挖掘機及其節能技術的研究

石昌沅

（青島經濟技術開發區第一中學，山東 青島 266555）

伴隨著我國重型工業的迅速發展，各種類型的重型工程機械層出不窮，其數量迅速增加，廣泛應用于市政、交通、土木建設，搬運、裝配、運輸等各個領域，其應用中存在一些問題。由于自身結構及工況的要求，大多數工程機械工作時所消耗的能源大，并且能源不完全燃燒產生的有害氣體、粉塵對環境造成影響。本文通過對典型的重型機械——挖掘機的結構和工作情況進行分析，進而介紹了目前較為先進的幾種重型機械能量回收系統。

工程機械；結構；能量回收；環境保護

有研究表明，制造業對我國GDP的貢獻率高達45%。由此可以看出，制造業作為支柱性產業，是國家綜合國力和國際競爭力的體現。

我國作為世界上最大的發展中國家，自改革開放以來，在重型工業領域尤其是制造業取得了一系列輝煌的成就。經數據統計，我國工程裝備行業市場在2004年僅占世界市場的12.5%，而僅僅經過3年的發展，占有率達到24.5%，增幅高達90%以上。

1 挖掘機結構介紹

工程機械即是用來完成各種施工工程的機器和設備，作為國家重型工業的重要組成部分，在我國的軌道交通、土木建筑、市政建設、公路橋梁等領域發揮著極其關鍵的作用。工程機械的分類具有多重標準，一般按照其功用可大致分為鏟土運輸機械、挖掘機械、路面壓實機械、樁工機械、起重機械、隧道施工機械等。而挖掘類機械作為最常見的工程機械，對其結構有所了解是非常必要的。

挖掘機按照其大小和噸位的不同，一般分為大型挖掘機、中型挖掘機和小型挖掘機三種，而無論哪一種挖機，其基本結構一般均包括工作時動作的執行裝置、移動時動作的行走裝置以及可以進行360度旋轉的回轉平臺三部分。

1.1 行走裝置

行走裝置即通常所說的底盤機構，其作用是將發動機所產生的驅動力傳遞至底盤上的驅動輪，使之轉變為整機的牽引力，實現機器的運動。

行走裝置一般由車架總成和“四輪一帶”機構組成。車架總成即為履帶行走支架總成，是由多片鋼板經焊接而成，由于要求其具備良好的承載能力，因此對其材料的強度、剛度等有一定要求。車架總成一般采用X形結構，由左、右履帶架和中間架三部分組成，總重量約為2噸左右，因型號不同而有所差異。

“四輪一帶”行走機構是支重輪、托鏈輪、導向輪、驅動輪和履帶幾部分的總稱。支重輪位于車架總成下方，其作用是將整機的重量均勻的傳遞至履帶，使履帶能夠安全的通過各種復雜地形，其數量的多少由挖掘機履帶局部接地比壓決定；托鏈輪位于左、右履帶架上方，顧名思義，其作用就是將上側的履帶托起，其個數以在運行過程中不出現卡鏈現象為準；導向輪固定于左、右側履帶架的前側，其后側由采用了黃油缸的壓緊裝置所固定，起到為整機導向的作用，同時，配合驅動輪將履帶固定于履帶架上；驅動輪為上述各輪中最為重要的，位于左、右側履帶架后側，該機構能將驅動馬達傳遞出的動力進行減速、增扭，傳遞至履帶從而驅動整機進行運動。左、右兩側的驅動輪固定在兩個相互獨立的驅動馬達之上，通過控制兩個馬達的轉速就能實現整機的轉向。

1.2 執行機構

工程機械的主要作用就是為了在工程建設、施工過程中實現各種動作，而為了達到此目的主要依賴執行機構。就挖掘機而言，常見的工作裝置分為兩種：正鏟裝置和反鏟裝置。正鏟和反鏟裝置最大的區別是工作形式的不同，正鏟裝置采用“前進向上，強制切土”的方式，執行機構由靠近履帶的位置向外運動；反鏟裝置采用“后退向下，強制切土”的方式，執行機構由遠側向履帶前側運動。正鏟挖掘機與反鏟挖掘機相比，其斗容量更大，因此更適合裝卸運輸作業，而反鏟挖掘機更適合于挖掘與鏟土作業。然而無論是什么形式的執行機構，其基本結構是相同的，均包括動臂、斗桿、鏟斗及相應的油缸和液壓管路。動臂裝置是直接鉸接于底盤機構前側上的結構，有固定式和浮動式兩種安裝方式，長度一般較長且有一定的彎曲，其動作由鉸接于動臂與機架之上的動臂油缸所控制。動臂油缸一般為一個或者兩個，在動臂油缸伸出時，動臂向上抬升，反之下降。斗桿裝置鉸接于動臂末端，其結構形式一般為直臂，長度與動臂相比略短，其動作由鉸接與其上和動臂上方的斗桿液壓缸所控制，油缸伸出時斗桿向靠近挖掘機的一側收回，反之伸出。斗桿機構是進行挖掘作業時的主要工作裝置。鏟斗裝置即位于整機最前側的挖斗，鉸接于斗桿末端，由鏟斗外側鉸接的連桿機構實現鏟斗的翻轉。由于鏟斗裝置在工作時直接與地面接觸，因此對制造鏟斗及鏟齒的材料的強度、剛度、疲勞強度均有一定的要求，此外，還需要進行適當的表面熱處理。

1.3 回轉平臺

回轉平臺即承載了司機室、發動機、配重等部分，且能夠360度回轉的機構。通過設置在回轉平臺中央的回轉接頭，可以將回轉平臺上安裝的發動機所輸出的動力經多種液壓管路傳遞給執行機構、行走機構以及回轉平臺自身。隨著工人對工作環境要求的提高，當前市面上生產銷售的挖掘機回轉平臺大都具備有空調系統，該系統也搭載于回轉平臺之上。其主要部分包括壓縮機總成、冷凝器、蒸發器以及配套的管路和電氣系統。

2 能量回收系統的設計

2.1 背景概述

當今世界，環境已成為發展必須考慮的因素之一，機械產品的設計與制造必須要考慮對環境的適應性、對能源的要求，因此，開發研制環境友好型產品是工程機械今后發展的大勢所趨。另外，避免虧損，新技術的運用是關鍵所在。

就挖掘機而言，采用能量回收系統的好處不僅僅能提高對能源的利用率、減少不完全燃燒氣體排放對環境的污染，更重要的是能帶來一系列降低成本的影響，因此，受到了各大采購商的極大關注。相關數據顯示，工程機械中出現故障最多的為液壓系統和動力系統，而在采取節能技術之后，發動機效率可以得到充分的發揮，及時與負載進行匹配，同時，在液壓系統上功率的損失也會大大減少，從而降低了這兩個系統的工作強度，達到降低故障發生率、減少維修成本的效果。能量在液壓系統上的損失主要表現為液壓系統管路和液壓元器件的發熱，這對整個設備工作的可靠性和使用壽命有很大的影響，因此，能量回收系統的設計應運而生。

2.2 能量回收系統分析

液壓挖掘機作為大型工程機械，其各個執行機構均具備很大的質量，而挖掘機在正常的工作循環中，其執行機構均會經歷上升和下降的過程，在下降的過程中大量的重力勢能會被釋放，若不對這些能量進行回收和再利用，就會引起系統的發熱及各元器件的損耗，而能量回收系統就是為此而設計。

（1）無儲能元件型裝置。能量回收裝置根據其元器件類型可分為儲能元件型和無儲能元件型。無儲能元件型一般采用多路液壓閥門對能量進行回收，由于該系統無法將回收的能量傳遞給其他儲能元件進行，因此只能通過液壓沖擊產生的消耗進行自身消耗，故能量回收率較低，效果也很有限，所以此類型能量回收系統不適合中、大型挖掘機中較大能量的回收。

（2）有儲能元件型裝置。有儲能元件型能量回收裝置可將能量回收儲存在自身的儲能元件中，受外部環境和工況的影響較小，且能量回收效率高、可儲存大量能量。有儲能元件型能量回收裝置根據其回收得到的能量的類型分為三類：機械儲能型、電儲能型以及液壓儲能型。機械儲能式能量回收裝置根據儲能元件不同可分為多種，而目前運用最為廣泛的即為飛輪式儲能裝置，其工作原理是將挖掘機的執行機構在下降過程中釋放的大量重力勢能轉換為飛輪高速旋轉的動能，在執行機構上升時再將飛輪的動能釋放轉化為其上升的驅動力。該類能量回收裝置工作原理簡單、成本較低、簡單可行，只是其實際能量回收效率并不高，而且飛輪的重量和體積均較大，在工作過程中也會消耗大量能量。

液壓式儲能裝置其工作原理類似于機械儲能裝置，即將執行機構依靠自重下降時產生的勢能通過液壓系統轉化為液壓能進行儲存，一般通過液壓蓄能器作為儲能元件。根據蓄能器工作原理的不同，可將其分為彈簧式、活塞式、氣囊式、隔膜式、充氣式等。液壓儲能式回收裝置不需要多種復雜的元件、結構簡單，能夠長期而較為有效的儲存能量，而且具備快速響應特性，即在需要吸收和釋放能量能夠快速滿足整機要求。其不足在于在能量回收過程中能量消耗較大，且對液壓元器件密封性要求很高，因此成本較高。

電儲能式能量回收裝置是前兩種回收方式的改進，是通過機械機構或液壓系統將回收的勢能轉化為機械能之后，再通過發電機將能量轉化為電能形式存儲在蓄電池中，在需要時根據挖掘機的核心控制系統進行調節和分配繼而釋放。該類裝置優點突出，能量存儲密度高、體積小，在新能源及混合動力車輛上得到了廣泛的應用。其不足在于該類裝置結構復雜，不僅需要傳統的能量回收裝置，還需要與其配套的挖掘機及蓄電池，導致其成本較高、維修復雜，但其發展前景依舊十分廣闊。

3 結語

本文對國內工程機械市場發展所遭遇的困境和發展方向進行簡要概述，說明了液壓挖掘機采用能量回收系統的意義及必要性。液壓挖掘機采用新型的能量回收系統，不僅有利于能量的再次利用，減少有害氣體的排放，符合發展環保型工業的大方向，而且能幫助各大裝備制造集團脫穎而出，以較低的能量消耗和生產成本來吸引來自各方買家的注意力。

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TU621

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1671-0711（2017）12（上）-0082-03