工程機械節能減排現狀及發展新趨勢

楊 寧，李 冰，徐武彬，張繼堯

（廣西科技大學機械工程學院，廣西 柳州 545006）

1 引言

在全球能源消耗和環境污染的嚴峻形勢下，各國都在爭先恐后的開展工程機械節能減排工作。在“十三五”規劃、“863”科技計劃、“中國制造2025”發展戰略下，我國工程機械減排和降耗工作面臨著巨大的壓力和挑戰。另一方面，隨著燃油價格的不斷攀升，降低燃油消耗，進而降低用戶使用成本，是企業提高產品的核心競爭力和實現可持續發展的關鍵。我國在節能減排產品研發方面已經做出了很多努力，比如國內龍頭企業已經成功研發了具有節能減排概念的產品，但仍處于試點工作，并未形成系統的產業鏈和相關配套企業；科研人員也在不斷探索節能減排新技術，但是大多集中在提高機械元件的性能、改進液壓系統等方面，這些不足以解決當前存在的問題，工程機械仍然帶著“能耗高、排放大”、“冒黑煙”、“笨重”、“粗線條”的帽子。說明我國工程機械節能減排道路仍需要進一步反思和探索，需要開辟新的視角，注入新的活力。分析了工程機械節能減排的主要技術以及存在的不足，以裝載機鏟斗為例，指出了傳統產品結構設計方法的缺陷，提出了輕量化設計新理念，旨在為節能減排工作提供新的思路。

2 工程機械節能減排的研究現狀

工程機械是名副其實的能耗和排放大戶，數據顯示，在相同時間內一臺小松20t 的挖掘機的廢氣排放量是小型汽車的廢氣排放量30 倍，可見工程機械節能減排責任重大[1]。在國家政策和法規方面，以歐盟為例，國外主要以指令的方式確定排放標準要求，進行市場準入的CE 認證，目前在執行歐3 標準；國內的節能減排是國家“十三五”規劃和“863”科技計劃重點工作。國外在節能減排工作方面自主意識相對強烈，其節能減排技術發展領先于國內，設計研發的產品比如卡特推土機、三菱重工、小松挖掘機、凱斯混合動力挖掘機、沃爾沃輪式裝載機等等，減排和節能效果非常顯著。而國內對于節能減排工作開始時并沒有那么敏感，令人欣喜的是，在全社會倡導節能減排的大趨勢下，各大工程機械廠商正在國內龍頭企業的帶動下對節能減排技術進行不斷探索，很多企業已經在動力源改善、匹配與控制改善、再制造技術、新能源的使用等方面取得一定的進展，不少企業紛紛推出“再制造”、“節能高效”、“新能源”等概念的產品，我國工程機械技術不斷升級，節能減排工作已經取得了階段性的勝利，但隨之而來的是很多相關問題的制約，比如油機匹配對現有油品提出了更高的要求，電傳動方式下的蓄電池報廢后的污染處理、交流電源的輻射危害和作業區域限制、天然氣作為動力燃料氣源不足、容易發生火災和爆炸等等。輕量化技術與上述其他節能減排技術相比，不需要額外增加元件和控制裝置，是當下最為主流、最行之有效的節能減排技術。下面對工程機械領域節能減排主要技術進行介紹。

3 工程機械節能減排的主要技術

3.1 動力源的改善

機械工程動力源泉是內燃機，經過了近百年的研究和發展，在傳動控制方面，研發重心已經轉向了混合動力技術和燃料電池技術，燃料電池技術正處于起步階段[2]。混合動力技術包含兩種以上的能量源，按照能量源的不同，混合動力可以分為油電混合和油液混合，油電混合以高燃油效率和高能量密度的優勢在中小型汽車中應用廣泛，但是存在電池密度小、體積龐大、污染環境和價格昂貴等因素不適用于裝載機、挖掘機等大功率且頻繁啟停的工程機械，相比而言，油液混合動力具有大功率、環境友好、價格低廉等優勢，因此，大部分的工程機械多采用油液混合動力技術。

國外混合動力研發道路領先于國內，而且研究比較深入的有日立建機、小松、日本川崎重工、沃爾沃、美國約翰迪爾等。最早在2003 年日立建機和小松率先采用并聯式油電混合動力模式，研制成功混合動力裝載機和混合動力液壓挖掘機，突破性地采用蓄電池作為儲能元件，但是由于是樣機模型沒有投入生產，其實際節能效果并未知曉[3]。2008 年瑞典沃爾沃推出L220FHybrid 油電混合動力系統的輪式裝載機，將電動機直接安裝在發動機的輸出軸上，在此混合動力系統中，電機承擔起動機、動力輔助機和發電機的作用，相比普通輪式裝載機，其燃油消耗降低了10%，邁出了工程機械節能減排的第一步，但遺憾的是該機型并未實現批量生產。三年后，日本川崎重工推出65Z-2 并聯式油電混合動力裝載機，與沃爾沃不同的是，它采用的是行星結構代替單軸并聯式結構，并去掉了液力變矩器，同時采用超級電容作為儲能元件，與同類型普通輪式裝載機相比節油35%以上，效果非常顯著。

上述采用蓄能器或者電池、電容的組合作為混合動力系統儲能元件，在電能和液壓能相互轉化時會存在大量的能量損失，為減少能量損失，國內外學者研究提出幾種新的應用于油液混合的液壓系統。比如美國普渡大學提出的容積式泵控液壓混合動力系統，如圖1 所示?？蓪崿F節約40%發動機燃油的效果[4]。德國亞琛工業大學提出一種適用于挖掘機負載敏感系統和容積式泵控系統相結合的混合動力液壓系統，如圖2 所示。該系統可以減少發動機和泵的體積，提高能量回收效率，負載適應性良好。芬蘭坦佩雷理工大學的Tikkanen 提出一種雙泵油液混合動力系統，通過減小系統對泵功率和轉矩的需求從而減小電機尺寸以增加功率密度，其系統原理圖，如圖3 所示。但是該機構的不足之處在于在特定工況下蓄能器和電池相互轉換，會增加能量損失。

圖1 容積式泵控挖掘機液壓系統Fig.1 Hydraulic System of Volumetric Pump Controlled Excavator

圖2 負載敏感系統和容積式泵控系統相結合的混合動力液壓系統Fig.2 Hybrid Power Combining Load Sensing System with Positive Displacement Pump Control System Hydraulic System

圖3 雙泵油液混合動力液壓系統Fig.3 Dual Pump Oil Hydraulic Hybrid System

國內的混合動力研究技術相對起步較晚，最早的混合動力產品是2010 年柳工推出的CLG862 并聯式混合動力裝載機，同樣采用超級電容作為儲能元件，創新之處在于柴油發動機和電機共同組成裝載機的動力源，節能效果只能達到10.5%，徐工集團緊隨其后也推出了ZL50G 并聯式蓄能器液壓混合動力裝載機，通過發動機與液壓儲能器的配合，實現制動能量和動臂下放能量的回收和再利用，至此國內首次研制成功具有能量回收利用概念的工程機械，節能約15%[5]。但是混合動力系統由于增加了電動機、電容器等原件，增加了制造成本，因此在混合動力系統的開發和應用中，應該緊隨混合動力汽車技術的新進展，應該綜合考慮其實用價值。

3.2 匹配與控制改善

隨著電傳動技術的應用，電傳動系統的功率匹配及控制技術成為研究的熱點。工程機械工作環境差，經常受到劇烈波動負荷，要保證無論電動機驅動系統如何變化，柴油機都不能熄火，并且在正常轉速下保持較高的功率輸出，因此對柴油電動機-發電機-驅動裝置的功率匹配提出了很高的要求。控制主要是指對傳動系統的精確控制，例如對挖掘機的工況控制、發動機供油控制等，使液壓系統和發動機的匹配盡可能的獲得最高工作效率和燃油經濟性。

在液壓挖掘機混合動力系統控制策略方面，日本學者展開了較多研究，Masayuki 等針對電池電容同時蓄能的串聯式混合動力系統提出了一種發動機開關式和電容優先充放電式的控制策略。Naruse 針對以電池為儲能裝置的并聯式混合動力系統提出了分工作模式下恒工作點的控制策略。國內的肖清等人對以電容器為蓄能裝置液壓挖掘機并聯混個動力系統的控制策略進行了試驗研究，提出了一種發動機工作點和電容器SOC 值為優化變量控制策略，只需要控制發動機的轉速、電動機的同步轉速、以及控制液壓泵的變量機構調節排量既可以實現其控制策略[6]。

但是僅僅通過元件的匹配和控制，改善其性能對實現節能減排綠色變革來說太過單一。因此油機匹配和控制也是研究的熱點，但是國內的油品并沒有規范的指標，工程機械專用油存在缺口，無法合理有效地匹配工程機械發動機。這就對現有油品提出了更高的要求，研究人員應該將重心放在油品和發動機作業工況特征上，有針對性的研究出與工程機械發動機相匹配的工程機械專用油，充分發揮每一滴油的價值，徹底解決“冒黑煙”的現象。

3.3 再制造技術

再制造技術是指報廢的產品經過一系列加工技術對其修復，修復后的產品使用性能與新產品一致甚至超越原有產品，同時要求其使用壽命不低于新產品的使用壽命。再制造的目的是為了修復高價值的零部件，其核心技術是表面修復技術，再制造工藝流程及方法，如圖4 所示。

再制造技術可以實現制造成本降低50%、消耗的能量降低40%、節約材料達到70%，對實現節能減排具有很大貢獻。國外再制造產業起步早、發展迅速，最早在20 世紀30 年代國外就走上了再制造發展道路，美國作為再制造行業的領頭羊，1932 年福特公司創建了第一個再制造企業，德國的寶馬公司和法國的標致雪鐵龍、日本的豐田等都建立的自己的再制造工廠。CAT 公司在1973 年就開始了再制造業務，在美國本土就有9 個專門從事再制造生產工廠[7]。近十年已經成為全球最大實力最強的再制造巨頭，并在中國建立了再制造中心和回收點。

圖4 產品的再制造工藝流程和方法Fig.4 Remanufacturing Process and Method of Products

相比于國外，我國的再制造技術起步較晚，與國內工程機械價格便宜，鋼材價格和人工費用低，從再制造成本方面講，企業動力不足有關。但是在國家政策的大力支持下，后來再制造發展迅速，濰柴、廣西玉柴、東方康明斯、柳工、廈工、徐工等工程機械巨頭相繼走上了再制造發展道路，我國再制造產業基本形成。數據顯示以再制造1000 臺平地機為例，可以節電5000 萬kW·h，可回收利用金屬10000t[8]。實踐證明，再制造是解決能源資源危機和環境問題的有效途徑，是21 世紀世界發展的重要企業。但是也面臨著很多挑戰，比如我國的工程機械本土企業缺少一套成熟的應用標準，從進廠到產品的嚴格檢驗再到標準降解，再到循環制造等一套成形的流程技術仍處于起步期，目前還停留在少數企業進行試點，難以推廣到整個行業。再加上人們對再制造的認識不夠，再制造的意識不強，所以很多設備在大修期來臨時都擱置荒廢，造成了大量的資源浪費。應該盡快出臺再制造產品稅收減免或補貼政策是企業產生效益，推動倡導。

3.4 輕量化設計

傳統的工程機械設計中安全系數取值過大，導致工程機械本身比較笨重，進而帶來油耗過高、燃油經濟性差的問題。因此，產品輕量化設計的重要性就凸顯出來了。

輕量化的設計計算方法包括極限狀態法、有限元法、優化設計法三種。極限狀態法以概率論、數理統計、可靠性分析為基礎，將載荷、材料屬性、構件實際尺寸均看作基于某種概率分布的統計量，計算產品失效概率來獲得結構的安全度，是一種近似于定量計算的方法。有限元法是以彈性力學為基礎的計算方法，能考慮實際工況和約束，得出結構全面的應力分布情況。優化設計法是基于某種或多種評價目標而進行的優化設計。輕量化設計主要包括材料的輕量化、制造工藝的輕量化以及結構的輕量化三種途徑。材料的輕量化是指通過選用高強度鋼材、合金、工程塑料、陶瓷、玻璃纖維等，減重效果突出，但是這些材料的價格昂貴，使得制造成本很高。制造工藝的輕量化是指新的熱處理工藝、激光焊接、增壓技術、真空等，其中焊接技術作為主要工藝，針對焊接時收縮、彎曲、扭曲等主要變形可以采取逐段焊接作業、焊接順序盡量由內至外、由中間到四周、焊前預熱處理焊后回火的方式進行，將手工焊和半自動焊轉變為全自動焊或者焊接流水線作業，并對自動焊接進行有效控制。但是此類制造工藝對生產設備要求很高，需要購買相關設備，因此也增加了制造成本。結構的輕量化是指在不改變各項性能要求的前提下，通過改變結構形狀，減少材料使用量來實現輕量化設計，具有成本低、性價比高的優點。

以裝載機為例，文獻[9]分別對鏟斗、動臂、發動機和變速器進行有限元等強度分析，削減多余的重量，節省原材料降低成本的同時可以減少不必要的動力輸出。其中以鏟斗為例，傳統的強度設計方法是采用極限工況以最極端的方式對工作裝置加載進行強度計算，如圖5 所示。雖然該方法能夠了解鏟斗的整體強度，能保證產品的強度在使用范圍之內，但是安全系數取值過大，導致設計出的鏟斗強度儲備偏大，不利于實現產品的輕量化目標，更不利于實現整機的節能減排和燃油經濟性。因此我國的輕量化研究需要改掉原有的產品設計理念，應該在準確了解產品實際作業狀態下的受力情況及強度分布的條件下，再去考慮產品的結構和材料輕量化設計。

圖5 六種典型工況Fig.5 Six Typical Working Conditions

4 未來工程機械節能減排中輕量化設計新理念

由于傳統工程機械的結構設計中，安全系數過大帶來了產品自重過大的問題，不利于產品節能降耗目標的實現。以裝載機鏟斗為例，多數學者只是通過有限元方法來分析，在典型工況下獲得鏟斗最危險受力位置。認為插入鏟取機理是基于密實核理論，鏟斗在作業時受到的作業阻力僅僅由鏟斗切削料堆的阻力、物料與鏟斗間的摩擦力和物料自身重力組成，并沒有將物料之間、物料與鏟斗之間的相互作用力考慮在內，將其作業阻力分為水平插入阻力和垂直崛起力施加在鏟斗的斗刃上。其中作業阻力的大小也有不同的計算方式，包括前蘇聯的經驗公式法[10]和裝載機最大牽引力和崛起力法[11]，但是經驗公式修正系數比較多，與物料的種類、形狀、高度、鏟斗的寬度及一次插入深度有關。而鏟斗在實際作業中受到的載荷的大小和方向是不斷變化的，因此不管采用上述哪種計算方法，都不能代替鏟斗作業過程中的真實受力情況。

綜上，鏟斗與物料之間的關系已有學者研究，主要是通過計算、模擬鏟斗受力的不同做出強度評價。但是物料與物料之間、物料與鏟斗之間的散體力作用關系研究甚少，并且大多數是基于理論經驗指導的評價方法，其合理性難以驗證，現場應用更難以展開。實際作業中鏟斗物料之間的接觸具有高度非線性的特點，有限元軟件實現準確的模擬分析已經非常困難，并且單一通過有限元方法模擬鏟斗受力模型忽略了作業對象的離散性，因此，模擬結果的可靠性還有待研究。并且有限元法往往局限于小變形的假設，已經不能解決受散體物料作用的鏟斗應力和變形問題。

因此，今后裝載機鏟斗等工程機械工作裝置的輕量化設計應該改變傳統結構強度分析理念，不再對其邊界條件進行大量假設，需要從散體力學出發，借助離散元素法[12]，將作業物料與物料之間、物料與鏟斗的相互作用力考慮在內，獲取的工作裝置的作業阻力動載荷。其次，根據離散元仿真的可視化，確定工作裝置不同時刻的受力位置，并通過有限元法將作業阻力精確施加到節點，真實了解部件工作狀態下的強度分布和應力情況，在此基礎上，借助尺寸優化、形狀優化、形貌優化和拓撲優化方法以去除冗余的部分，對其進行結構輕量化設計；同時通過對不同部件選用不同強度的材料對產品進行材料輕量化設計，從而實現工程機械整機的輕量化設計。

5 結語

（1）分析了目前工程機械節能減排的研究現狀，介紹了工程機械節能減排核心技術及存在的不足，并提出了相關解決辦法；（2）以裝載機鏟斗為例，闡述了現存產品設計理念和結構分析方法存在的問題以及對輕量化設計帶來的弊端，重點提出了一種未來工程機械節能減排中輕量化設計的新理念新方法；（3）經過研究該方法一定程度上可以代替實驗驗證環節，改變了在產品加工之前無法通過實驗對計算結果進行驗證的現狀；同時也可以為工作裝置載荷譜的測試提供參考；能為產品精品化設計提供重要的指導，比如在滿足強度作業要求的前提下，可以進行質量最輕、作業阻力最小、材料成本最低等多目標優化，具有理論和現實意義。