杨 宁，李 冰，徐武彬，张继尧

（广西科技大学机械工程学院，广西 柳州 545006）

1 引言

在全球能源消耗和环境污染的严峻形势下，各国都在争先恐后的开展工程机械节能减排工作。在“十三五”规划、“863”科技计划、“中国制造2025”发展战略下，我国工程机械减排和降耗工作面临着巨大的压力和挑战。另一方面，随着燃油价格的不断攀升，降低燃油消耗，进而降低用户使用成本，是企业提高产品的核心竞争力和实现可持续发展的关键。我国在节能减排产品研发方面已经做出了很多努力，比如国内龙头企业已经成功研发了具有节能减排概念的产品，但仍处于试点工作，并未形成系统的产业链和相关配套企业；科研人员也在不断探索节能减排新技术，但是大多集中在提高机械元件的性能、改进液压系统等方面，这些不足以解决当前存在的问题，工程机械仍然带着“能耗高、排放大”、“冒黑烟”、“笨重”、“粗线条”的帽子。说明我国工程机械节能减排道路仍需要进一步反思和探索，需要开辟新的视角，注入新的活力。分析了工程机械节能减排的主要技术以及存在的不足，以装载机铲斗为例，指出了传统产品结构设计方法的缺陷，提出了轻量化设计新理念，旨在为节能减排工作提供新的思路。

2 工程机械节能减排的研究现状

工程机械是名副其实的能耗和排放大户，数据显示，在相同时间内一台小松20t 的挖掘机的废气排放量是小型汽车的废气排放量30 倍，可见工程机械节能减排责任重大[1]。在国家政策和法规方面，以欧盟为例，国外主要以指令的方式确定排放标准要求，进行市场准入的CE 认证，目前在执行欧3 标准；国内的节能减排是国家“十三五”规划和“863”科技计划重点工作。国外在节能减排工作方面自主意识相对强烈，其节能减排技术发展领先于国内，设计研发的产品比如卡特推土机、三菱重工、小松挖掘机、凯斯混合动力挖掘机、沃尔沃轮式装载机等等，减排和节能效果非常显著。而国内对于节能减排工作开始时并没有那么敏感，令人欣喜的是，在全社会倡导节能减排的大趋势下，各大工程机械厂商正在国内龙头企业的带动下对节能减排技术进行不断探索，很多企业已经在动力源改善、匹配与控制改善、再制造技术、新能源的使用等方面取得一定的进展，不少企业纷纷推出“再制造”、“节能高效”、“新能源”等概念的产品，我国工程机械技术不断升级，节能减排工作已经取得了阶段性的胜利，但随之而来的是很多相关问题的制约，比如油机匹配对现有油品提出了更高的要求，电传动方式下的蓄电池报废后的污染处理、交流电源的辐射危害和作业区域限制、天然气作为动力燃料气源不足、容易发生火灾和爆炸等等。轻量化技术与上述其他节能减排技术相比，不需要额外增加元件和控制装置，是当下最为主流、最行之有效的节能减排技术。下面对工程机械领域节能减排主要技术进行介绍。

3 工程机械节能减排的主要技术

3.1 动力源的改善

机械工程动力源泉是内燃机，经过了近百年的研究和发展，在传动控制方面，研发重心已经转向了混合动力技术和燃料电池技术，燃料电池技术正处于起步阶段[2]。混合动力技术包含两种以上的能量源，按照能量源的不同，混合动力可以分为油电混合和油液混合，油电混合以高燃油效率和高能量密度的优势在中小型汽车中应用广泛，但是存在电池密度小、体积庞大、污染环境和价格昂贵等因素不适用于装载机、挖掘机等大功率且频繁启停的工程机械，相比而言，油液混合动力具有大功率、环境友好、价格低廉等优势，因此，大部分的工程机械多采用油液混合动力技术。

国外混合动力研发道路领先于国内，而且研究比较深入的有日立建机、小松、日本川崎重工、沃尔沃、美国约翰迪尔等。最早在2003 年日立建机和小松率先采用并联式油电混合动力模式，研制成功混合动力装载机和混合动力液压挖掘机，突破性地采用蓄电池作为储能元件，但是由于是样机模型没有投入生产，其实际节能效果并未知晓[3]。2008 年瑞典沃尔沃推出L220FHybrid 油电混合动力系统的轮式装载机，将电动机直接安装在发动机的输出轴上，在此混合动力系统中，电机承担起动机、动力辅助机和发电机的作用，相比普通轮式装载机，其燃油消耗降低了10%，迈出了工程机械节能减排的第一步，但遗憾的是该机型并未实现批量生产。三年后，日本川崎重工推出65Z-2 并联式油电混合动力装载机，与沃尔沃不同的是，它采用的是行星结构代替单轴并联式结构，并去掉了液力变矩器，同时采用超级电容作为储能元件，与同类型普通轮式装载机相比节油35%以上，效果非常显著。

上述采用蓄能器或者电池、电容的组合作为混合动力系统储能元件，在电能和液压能相互转化时会存在大量的能量损失，为减少能量损失，国内外学者研究提出几种新的应用于油液混合的液压系统。比如美国普渡大学提出的容积式泵控液压混合动力系统，如图1 所示。可实现节约40%发动机燃油的效果[4]。德国亚琛工业大学提出一种适用于挖掘机负载敏感系统和容积式泵控系统相结合的混合动力液压系统，如图2 所示。该系统可以减少发动机和泵的体积，提高能量回收效率，负载适应性良好。芬兰坦佩雷理工大学的Tikkanen 提出一种双泵油液混合动力系统，通过减小系统对泵功率和转矩的需求从而减小电机尺寸以增加功率密度，其系统原理图，如图3 所示。但是该机构的不足之处在于在特定工况下蓄能器和电池相互转换，会增加能量损失。

图1 容积式泵控挖掘机液压系统Fig.1 Hydraulic System of Volumetric Pump Controlled Excavator

图2 负载敏感系统和容积式泵控系统相结合的混合动力液压系统Fig.2 Hybrid Power Combining Load Sensing System with Positive Displacement Pump Control System Hydraulic System

图3 双泵油液混合动力液压系统Fig.3 Dual Pump Oil Hydraulic Hybrid System

国内的混合动力研究技术相对起步较晚，最早的混合动力产品是2010 年柳工推出的CLG862 并联式混合动力装载机，同样采用超级电容作为储能元件，创新之处在于柴油发动机和电机共同组成装载机的动力源，节能效果只能达到10.5%，徐工集团紧随其后也推出了ZL50G 并联式蓄能器液压混合动力装载机，通过发动机与液压储能器的配合，实现制动能量和动臂下放能量的回收和再利用，至此国内首次研制成功具有能量回收利用概念的工程机械，节能约15%[5]。但是混合动力系统由于增加了电动机、电容器等原件，增加了制造成本，因此在混合动力系统的开发和应用中，应该紧随混合动力汽车技术的新进展，应该综合考虑其实用价值。

3.2 匹配与控制改善

随着电传动技术的应用，电传动系统的功率匹配及控制技术成为研究的热点。工程机械工作环境差，经常受到剧烈波动负荷，要保证无论电动机驱动系统如何变化，柴油机都不能熄火，并且在正常转速下保持较高的功率输出，因此对柴油电动机-发电机-驱动装置的功率匹配提出了很高的要求。控制主要是指对传动系统的精确控制，例如对挖掘机的工况控制、发动机供油控制等，使液压系统和发动机的匹配尽可能的获得最高工作效率和燃油经济性。

在液压挖掘机混合动力系统控制策略方面，日本学者展开了较多研究，Masayuki 等针对电池电容同时蓄能的串联式混合动力系统提出了一种发动机开关式和电容优先充放电式的控制策略。Naruse 针对以电池为储能装置的并联式混合动力系统提出了分工作模式下恒工作点的控制策略。国内的肖清等人对以电容器为蓄能装置液压挖掘机并联混个动力系统的控制策略进行了试验研究，提出了一种发动机工作点和电容器SOC 值为优化变量控制策略，只需要控制发动机的转速、电动机的同步转速、以及控制液压泵的变量机构调节排量既可以实现其控制策略[6]。

但是仅仅通过元件的匹配和控制，改善其性能对实现节能减排绿色变革来说太过单一。因此油机匹配和控制也是研究的热点，但是国内的油品并没有规范的指标，工程机械专用油存在缺口，无法合理有效地匹配工程机械发动机。这就对现有油品提出了更高的要求，研究人员应该将重心放在油品和发动机作业工况特征上，有针对性的研究出与工程机械发动机相匹配的工程机械专用油，充分发挥每一滴油的价值，彻底解决“冒黑烟”的现象。

3.3 再制造技术

再制造技术是指报废的产品经过一系列加工技术对其修复，修复后的产品使用性能与新产品一致甚至超越原有产品，同时要求其使用寿命不低于新产品的使用寿命。再制造的目的是为了修复高价值的零部件，其核心技术是表面修复技术，再制造工艺流程及方法，如图4 所示。

再制造技术可以实现制造成本降低50%、消耗的能量降低40%、节约材料达到70%，对实现节能减排具有很大贡献。国外再制造产业起步早、发展迅速，最早在20 世纪30 年代国外就走上了再制造发展道路，美国作为再制造行业的领头羊，1932 年福特公司创建了第一个再制造企业，德国的宝马公司和法国的标致雪铁龙、日本的丰田等都建立的自己的再制造工厂。CAT 公司在1973 年就开始了再制造业务，在美国本土就有9 个专门从事再制造生产工厂[7]。近十年已经成为全球最大实力最强的再制造巨头，并在中国建立了再制造中心和回收点。

图4 产品的再制造工艺流程和方法Fig.4 Remanufacturing Process and Method of Products

相比于国外，我国的再制造技术起步较晚，与国内工程机械价格便宜，钢材价格和人工费用低，从再制造成本方面讲，企业动力不足有关。但是在国家政策的大力支持下，后来再制造发展迅速，潍柴、广西玉柴、东方康明斯、柳工、厦工、徐工等工程机械巨头相继走上了再制造发展道路，我国再制造产业基本形成。数据显示以再制造1000 台平地机为例，可以节电5000 万kW·h，可回收利用金属10000t[8]。实践证明，再制造是解决能源资源危机和环境问题的有效途径，是21 世纪世界发展的重要企业。但是也面临着很多挑战，比如我国的工程机械本土企业缺少一套成熟的应用标准，从进厂到产品的严格检验再到标准降解，再到循环制造等一套成形的流程技术仍处于起步期，目前还停留在少数企业进行试点，难以推广到整个行业。再加上人们对再制造的认识不够，再制造的意识不强，所以很多设备在大修期来临时都搁置荒废，造成了大量的资源浪费。应该尽快出台再制造产品税收减免或补贴政策是企业产生效益，推动倡导。

3.4 轻量化设计

传统的工程机械设计中安全系数取值过大，导致工程机械本身比较笨重，进而带来油耗过高、燃油经济性差的问题。因此，产品轻量化设计的重要性就凸显出来了。

轻量化的设计计算方法包括极限状态法、有限元法、优化设计法三种。极限状态法以概率论、数理统计、可靠性分析为基础，将载荷、材料属性、构件实际尺寸均看作基于某种概率分布的统计量，计算产品失效概率来获得结构的安全度，是一种近似于定量计算的方法。有限元法是以弹性力学为基础的计算方法，能考虑实际工况和约束，得出结构全面的应力分布情况。优化设计法是基于某种或多种评价目标而进行的优化设计。轻量化设计主要包括材料的轻量化、制造工艺的轻量化以及结构的轻量化三种途径。材料的轻量化是指通过选用高强度钢材、合金、工程塑料、陶瓷、玻璃纤维等，减重效果突出，但是这些材料的价格昂贵，使得制造成本很高。制造工艺的轻量化是指新的热处理工艺、激光焊接、增压技术、真空等，其中焊接技术作为主要工艺，针对焊接时收缩、弯曲、扭曲等主要变形可以采取逐段焊接作业、焊接顺序尽量由内至外、由中间到四周、焊前预热处理焊后回火的方式进行，将手工焊和半自动焊转变为全自动焊或者焊接流水线作业，并对自动焊接进行有效控制。但是此类制造工艺对生产设备要求很高，需要购买相关设备，因此也增加了制造成本。结构的轻量化是指在不改变各项性能要求的前提下，通过改变结构形状，减少材料使用量来实现轻量化设计，具有成本低、性价比高的优点。

以装载机为例，文献[9]分别对铲斗、动臂、发动机和变速器进行有限元等强度分析，削减多余的重量，节省原材料降低成本的同时可以减少不必要的动力输出。其中以铲斗为例，传统的强度设计方法是采用极限工况以最极端的方式对工作装置加载进行强度计算，如图5 所示。虽然该方法能够了解铲斗的整体强度，能保证产品的强度在使用范围之内，但是安全系数取值过大，导致设计出的铲斗强度储备偏大，不利于实现产品的轻量化目标，更不利于实现整机的节能减排和燃油经济性。因此我国的轻量化研究需要改掉原有的产品设计理念，应该在准确了解产品实际作业状态下的受力情况及强度分布的条件下，再去考虑产品的结构和材料轻量化设计。

图5 六种典型工况Fig.5 Six Typical Working Conditions

4 未来工程机械节能减排中轻量化设计新理念

由于传统工程机械的结构设计中，安全系数过大带来了产品自重过大的问题，不利于产品节能降耗目标的实现。以装载机铲斗为例，多数学者只是通过有限元方法来分析，在典型工况下获得铲斗最危险受力位置。认为插入铲取机理是基于密实核理论，铲斗在作业时受到的作业阻力仅仅由铲斗切削料堆的阻力、物料与铲斗间的摩擦力和物料自身重力组成，并没有将物料之间、物料与铲斗之间的相互作用力考虑在内，将其作业阻力分为水平插入阻力和垂直崛起力施加在铲斗的斗刃上。其中作业阻力的大小也有不同的计算方式，包括前苏联的经验公式法[10]和装载机最大牵引力和崛起力法[11]，但是经验公式修正系数比较多，与物料的种类、形状、高度、铲斗的宽度及一次插入深度有关。而铲斗在实际作业中受到的载荷的大小和方向是不断变化的，因此不管采用上述哪种计算方法，都不能代替铲斗作业过程中的真实受力情况。

综上，铲斗与物料之间的关系已有学者研究，主要是通过计算、模拟铲斗受力的不同做出强度评价。但是物料与物料之间、物料与铲斗之间的散体力作用关系研究甚少，并且大多数是基于理论经验指导的评价方法，其合理性难以验证，现场应用更难以展开。实际作业中铲斗物料之间的接触具有高度非线性的特点，有限元软件实现准确的模拟分析已经非常困难，并且单一通过有限元方法模拟铲斗受力模型忽略了作业对象的离散性，因此，模拟结果的可靠性还有待研究。并且有限元法往往局限于小变形的假设，已经不能解决受散体物料作用的铲斗应力和变形问题。

因此，今后装载机铲斗等工程机械工作装置的轻量化设计应该改变传统结构强度分析理念，不再对其边界条件进行大量假设，需要从散体力学出发，借助离散元素法[12]，将作业物料与物料之间、物料与铲斗的相互作用力考虑在内，获取的工作装置的作业阻力动载荷。其次，根据离散元仿真的可视化，确定工作装置不同时刻的受力位置，并通过有限元法将作业阻力精确施加到节点，真实了解部件工作状态下的强度分布和应力情况，在此基础上，借助尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化方法以去除冗余的部分，对其进行结构轻量化设计；同时通过对不同部件选用不同强度的材料对产品进行材料轻量化设计，从而实现工程机械整机的轻量化设计。

5 结语

（1）分析了目前工程机械节能减排的研究现状，介绍了工程机械节能减排核心技术及存在的不足，并提出了相关解决办法；（2）以装载机铲斗为例，阐述了现存产品设计理念和结构分析方法存在的问题以及对轻量化设计带来的弊端，重点提出了一种未来工程机械节能减排中轻量化设计的新理念新方法；（3）经过研究该方法一定程度上可以代替实验验证环节，改变了在产品加工之前无法通过实验对计算结果进行验证的现状；同时也可以为工作装置载荷谱的测试提供参考；能为产品精品化设计提供重要的指导，比如在满足强度作业要求的前提下，可以进行质量最轻、作业阻力最小、材料成本最低等多目标优化，具有理论和现实意义。