工程機(jī)械節(jié)能降耗研究
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當(dāng)前，我國(guó)工程機(jī)械的機(jī)能降耗技術(shù)水平尚且處在初步階段，但是也有部分國(guó)內(nèi)機(jī)械制造企業(yè)研發(fā)出了一些節(jié)能效果不錯(cuò)的產(chǎn)品。比如宜興協(xié)聯(lián)生物化學(xué)有限公司響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，利用現(xiàn)有江蘇謝聯(lián)集團(tuán)熱電廠240噸/小時(shí)的高溫高壓鍋爐的富余蒸汽流量，建設(shè)了一套背壓式汽輪機(jī)拖動(dòng)空氣壓縮機(jī)，代替了現(xiàn)有的14臺(tái)螺桿式壓縮機(jī)。電驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)改造為汽輪機(jī)拖動(dòng)消除了蒸汽-電力能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中的損失，提高了機(jī)械系統(tǒng)效率。再比如無(wú)錫天山水泥有限公司實(shí)施空壓機(jī)余熱回收項(xiàng)目，利用自動(dòng)控制技術(shù)，采用換熱器把空壓機(jī)的余熱回收加熱洗浴水，減少燃煤消耗，減少空壓機(jī)冷卻水和電能消耗。盡管這些項(xiàng)目起到了節(jié)能降耗的目的，但是相比國(guó)外的技術(shù)，我國(guó)的機(jī)能工程機(jī)械產(chǎn)品還存在著一些問(wèn)題，節(jié)能效果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到國(guó)外的水平，因此還需要進(jìn)一步研究。
2工程機(jī)械節(jié)能降耗的新途徑
2.1工程機(jī)械制造材料的利用
2.1.1可回收材料的應(yīng)用易分解
可回收，能再生，能降解的材料應(yīng)盡可能在工程機(jī)械系統(tǒng)與部件設(shè)計(jì)中選用。采用合理的工藝盡量不要讓材料在加工和使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成污染，特別是結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)盡可能采用比較容易分配和分解的材料，同時(shí)要多使用可回收、易降解的材料降低工程機(jī)械產(chǎn)品的回收和再利用難度。
2.1.2采用低環(huán)境負(fù)荷材料
類(lèi)似樹(shù)脂、氟利昂、含氯橡膠等有害材料應(yīng)盡量不在工程機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中使用。例如在裝載機(jī)駕駛室和內(nèi)飾件上經(jīng)常會(huì)使用難以分解的工程塑料，這種塑料對(duì)環(huán)境及其有害，加重了環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，因此在主機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用環(huán)保，低負(fù)荷的材料。
2.2能源再循環(huán)利用工程機(jī)械
在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，對(duì)產(chǎn)生的這些熱能應(yīng)該進(jìn)行回收利用，從而達(dá)到節(jié)能的目的。比如無(wú)錫繼平鍛造有限公司在面對(duì)鍛造加熱爐產(chǎn)生的熱能浪費(fèi)現(xiàn)象時(shí)，通過(guò)優(yōu)化鍛造爐燃料系統(tǒng)并進(jìn)行高溫?zé)煔庥酂岬幕厥眨谠械慕Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提升保溫和隔熱的功能，對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行了充分利用達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。因此可以考慮建立能量回收系統(tǒng)，為了降低能量的浪費(fèi)損失以實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的充分利用。比較好的做法是將工程機(jī)械中的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，將電能通過(guò)蓄電池方式儲(chǔ)存起來(lái)以后可以用在企業(yè)的照明等回收利用上，節(jié)約了用電同時(shí)減少了能耗。此外還可以將熱能通過(guò)飛輪和蓄能器等方式加以回收儲(chǔ)存。在起重機(jī)，裝載機(jī)，挖掘機(jī)等在進(jìn)行吊具，鏟斗，動(dòng)臂等大質(zhì)量工作裝置的回落，下降過(guò)程都可以將重力勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)，這樣可以減少能耗從而達(dá)到節(jié)能的目的。對(duì)工廠機(jī)械產(chǎn)品的報(bào)廢件處理應(yīng)講究整個(gè)過(guò)程的再利用，在初期就要考慮報(bào)廢件處理，盡量降低處理的費(fèi)用和污染度，作為燃料要注意對(duì)能量的回收利用。
2.3做到環(huán)保節(jié)能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與使用理念
輕重量，壽命長(zhǎng)，低損耗的設(shè)計(jì)理念在工程機(jī)械設(shè)計(jì)被廣泛認(rèn)可。輕重量指的是在保證產(chǎn)品的各項(xiàng)性能都能實(shí)現(xiàn)的情況下盡量降低產(chǎn)品的重量和體積，這樣可以減少材料和資源的消耗；壽命長(zhǎng)就是產(chǎn)品的使用周期要盡可能長(zhǎng)，減少對(duì)不必要資源的浪費(fèi)；低損耗指的是降低工程機(jī)械的能量消耗量，減少對(duì)資源的消耗從而減少對(duì)環(huán)境的損害。工程設(shè)計(jì)人員須在保持逐級(jí)各項(xiàng)性能參數(shù)正常的前提下盡可能遵循以上理念，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化和高效率。除此之外，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)低公害，減震降噪，防滲漏的工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)。因此設(shè)計(jì)環(huán)保型工程機(jī)械必須選擇低公害，長(zhǎng)壽命，高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商來(lái)供貨。發(fā)動(dòng)機(jī)是工程機(jī)械所有系統(tǒng)中對(duì)環(huán)境影響最大的部件，采用低公害發(fā)動(dòng)機(jī)可以大大降低工程機(jī)械對(duì)環(huán)境的影響。因此需要采用低油耗，低排放，低噪聲，高效率的環(huán)保型水冷增壓柴油機(jī)。
2.4工程機(jī)械節(jié)能技術(shù)
2.4.1發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)能降耗技術(shù)
傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模式主要是層層加碼，這種模式導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)型和尺寸遠(yuǎn)大于實(shí)際需求，出現(xiàn)"泰山壓卵"的情況，從而使能量得到浪費(fèi)。為此，應(yīng)該根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率需求進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)接近實(shí)際需求。評(píng)價(jià)產(chǎn)品使用性能的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是合理匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，而發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系是否匹配決定了燃油的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)達(dá)到最佳油耗時(shí)，燃油的經(jīng)濟(jì)性最好。因此，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系進(jìn)行合理匹配。針對(duì)靜液壓傳動(dòng)中工程機(jī)械重載、低速的工作特點(diǎn)和作業(yè)過(guò)程中對(duì)動(dòng)力及速度的需求，在液壓馬達(dá)，發(fā)動(dòng)機(jī)，液壓泵，三者之間運(yùn)用微機(jī)和負(fù)荷傳播技術(shù)，按照設(shè)定的工作模式實(shí)現(xiàn)壓力、流量和功率的機(jī)能綜合控制。由于液力機(jī)械傳動(dòng)的最大缺點(diǎn)是傳動(dòng)效率低，因此可以采用多檔變速器和液力變矩器并結(jié)合自動(dòng)變速控制技術(shù)在牽引的作用上將液力機(jī)械傳動(dòng)"拉回"到高效運(yùn)作上。
2.4.2液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)
工程機(jī)械節(jié)能設(shè)計(jì)的重要部分是液壓系統(tǒng)，而液壓系統(tǒng)的性能與能耗受到設(shè)計(jì)方式的影響，因此需要通過(guò)完善的技術(shù)盡量減少液壓系統(tǒng)流量和壓力損失。比如在調(diào)速回路設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用變量泵-定量馬達(dá)-、定量泵-變量馬達(dá)或變量泵等容積式，利用它們溫升小，效率高的特點(diǎn)調(diào)速回路避免系統(tǒng)油溫升高導(dǎo)致效率下降甚至出現(xiàn)故障。液壓元件的能量損耗主要是元件本身或相互連接處的泄露，內(nèi)摩擦導(dǎo)致能量損失。因此需要提高液壓泵，馬達(dá)，液壓缸，液壓閥等液壓元件的加工和裝配的精度來(lái)減少能耗。性能優(yōu)良的密封材料應(yīng)該首選被選擇，合理選用潤(rùn)滑，冷卻和散熱方式次之，再次不斷改進(jìn)液壓元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少內(nèi)摩擦。最后在回路中應(yīng)處理好閥類(lèi)元件的六組設(shè)置、分配和計(jì)算，使閥能在合理的開(kāi)口狀態(tài)下工作，減少溢流量。此外布置合理的管路也可以減少液流阻力，從而提高液壓系統(tǒng)的工作效率，減少能耗。
2.5工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)的改進(jìn)
工程機(jī)械的熱管理系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器、液壓油冷卻器、風(fēng)扇等。熱管理系統(tǒng)的運(yùn)行效果直接反映了工程機(jī)械的能量使用情況，當(dāng)前熱管理系統(tǒng)存在能耗較多等相關(guān)運(yùn)行效率問(wèn)題。需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。
2.5.1采用重量較輕的元件
為了減少燃油的使用量，在不影響工程機(jī)械性能的前提下，重量較輕的風(fēng)扇、散熱器等熱管理系統(tǒng)部件應(yīng)盡可能的被采用。當(dāng)前，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了新的石墨泡沫材料，其導(dǎo)熱率相比傳統(tǒng)的鋁泡沫提高了9倍，不僅減少了質(zhì)量和體積，還提高了散熱效果。因此國(guó)內(nèi)需要提高這方面的開(kāi)發(fā)能力，研發(fā)出新的材料提高效能。
2.5.2采用高效的冷卻
液傳統(tǒng)的冷卻液包括水、機(jī)油、乙二醇及其混合物等，但是其傳熱效果卻不佳。針對(duì)冷卻液直接影響熱管理系統(tǒng)的性能特征可以向傳統(tǒng)的冷卻液中加入納米顆粒來(lái)提高傳熱效果。相關(guān)研究表明，在傳統(tǒng)冷卻液體中加入1%的CuO納米顆粒，可以提高近40%的熱導(dǎo)率。因此采用高效的冷卻液可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。
2.5.3采用智能化部件
一般情況下，工程機(jī)械的工作油溫保持在30℃-60℃之間可以發(fā)揮最好的效果，而傳統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)的風(fēng)扇的風(fēng)速保持不變的，因此通過(guò)感應(yīng)油溫的變化智能調(diào)節(jié)風(fēng)速大小，從而使風(fēng)扇進(jìn)行智能化改進(jìn)，不僅可以減少能耗，還可以提高工程機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。
3總結(jié)
總之，節(jié)能環(huán)保型工程機(jī)械是未來(lái)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，這是由當(dāng)前環(huán)境污染，資源浪費(fèi)嚴(yán)重等現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)而提出的要求，同時(shí)也是社會(huì)發(fā)展的必然產(chǎn)物因此需要從可持續(xù)發(fā)展的角度考慮，與當(dāng)前我國(guó)國(guó)情充分結(jié)合。當(dāng)前我國(guó)節(jié)能機(jī)械的發(fā)展水平還有待提高，因此需要投入人力，物力加大研究，通過(guò)各種方式實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的節(jié)能降耗，通過(guò)資源再回首利用避免資源的浪費(fèi)，以達(dá)到良好的節(jié)能效果。
作者：李哲 單位：湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院
