淺析建筑機械節(jié)能技術

程 浩/CHENG Hao

(中石化江漢石油管理局，湖北 潛江 433123)

建筑機械廣泛應用于建筑施工行業(yè)，建筑機械節(jié)能是執(zhí)行國家節(jié)約能源基本國策的重要途徑，是建筑行業(yè)發(fā)展的趨勢之一。建筑機械廣泛采用液壓傳動技術，本文以挖掘機和混凝土泵車為例，闡述了液壓節(jié)能技術在建筑機械上的典型應用，并對建筑機械節(jié)能技術的發(fā)展趨勢進行了預測。

1 液壓節(jié)能技術簡介

1.1 能量回收節(jié)能技術

節(jié)能技術的研究，絕大多數(shù)是從重新利用和負載能量回收的角度來考慮的。因此，實行能量回收是液壓系統(tǒng)節(jié)能的一種有效途徑。常規(guī)的和帶能量反饋的液壓系統(tǒng)能量傳遞框圖如圖1所示。帶能量反饋的液壓系統(tǒng)增加了反饋元件，由于該環(huán)節(jié)的存在提高了系統(tǒng)的能量利用率。在實際物理系統(tǒng)中，反饋元件一般與動力元件或執(zhí)行元件集成在一起。

在圖1中

圖1 液壓系統(tǒng)能量傳遞框圖

其中，Ei1和Eo1為常規(guī)系統(tǒng)動力元件輸入和輸出功率，Ei2和Eo2為帶能量反饋系統(tǒng)動力元件輸入和輸出功率，Ef為反饋元件輸出功率，η1為動力元件總效率，η2為執(zhí)行元件總效率，η3為系統(tǒng)其他部分總效率。對于液壓系統(tǒng)，取η1=η2=0.9，η3=0.8，對比式(1)和式(4)，可得

由式(5)可知，節(jié)能效果是明顯的。

液壓系統(tǒng)能量回收方式包括機械能量回收、電能量回收和液壓能量回收。通過負載在不做功過程或做功過程使剩余能量通過機械能、電能或液壓能的形式反饋回系統(tǒng)。液壓能量回收的關鍵環(huán)節(jié)是能量轉換器，常用的有蓄能器。

圖2 液壓能量回收原理圖

液壓能量回收原理圖如圖2所示。在泵工況下，機械能驅動液壓泵，機械能轉換為液壓能，存儲于液壓蓄能器中；在馬達工況下，蓄能器中的液壓能驅動馬達，馬達帶動負載做功，液壓能轉換機械能。在建筑機械工作過程中，一般通過位能回收和慣性能回收的方式進行能量回收。

1.2 變頻節(jié)能技術

電動機變頻調(diào)速技術依靠改變供電電源的頻率實現(xiàn)對執(zhí)行機構的速度調(diào)節(jié)，電動機始終處在高效率的工作狀態(tài)。電動機變頻調(diào)速技術應用于液壓系統(tǒng)可以減小液壓系統(tǒng)的能量損失，提高整個系統(tǒng)的效率并降低噪聲。傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速存在很大的溢流和節(jié)流損失，而容積調(diào)速需要較復雜的變排量控制機構，且斜盤擺角只能局限在一定范圍。變頻液壓技術通過變頻調(diào)速可較好的克服傳統(tǒng)調(diào)速方法的缺點。變頻液壓系統(tǒng)工作原理如圖3所示?？刂破鞲鶕?jù)輸入信號通過一定的控制算法處理輸出變頻器控制信號，從而控制電動機的轉速，傳感器檢測系統(tǒng)實際的工作參數(shù)，傳感器反饋信號與輸入信號比較，得到新的輸入信號。通過負反饋使系統(tǒng)最終工作在設定的工況下。

圖3 變頻液壓系統(tǒng)工作原理圖

液壓系統(tǒng)調(diào)速原理如圖4所示，圖4a為采用比例節(jié)流調(diào)速，圖4b為采用變頻節(jié)流調(diào)速。比例節(jié)流調(diào)速控制比例方向閥節(jié)流口大小實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，節(jié)流壓差損失全部轉化為熱能。變頻調(diào)速通過改變電機轉速實現(xiàn)變量泵輸出流量的控制，系統(tǒng)輸出流量為負載所需流量，避免了節(jié)流損失和溢流損失。

圖4 液壓系統(tǒng)調(diào)速原理圖

2 建筑機械節(jié)能技術

建筑機械廣泛運用于建筑施工過程，典型的有用于土方施工的挖掘機，用于混凝土泵送和布料的混凝土泵車。下面介紹液壓節(jié)能技術在挖掘機和混凝土泵車上的應用。

2.1 挖掘機節(jié)能技術

液壓挖掘機前端工作裝置的質量重、慣性大，在下放過程中，重力勢能和動能絕大部分在主閥的節(jié)流口轉化為熱能；上車的回轉質量大，工作頻繁，用于回轉的能量最后幾乎全部變成熱能。上述兩種情況不僅造成了能量的浪費，而且使液壓系統(tǒng)溫度升高，液壓油的粘度降低，加劇液壓元件的摩擦磨損，降低整個系統(tǒng)的可靠性。為了降低油溫進行散熱，又將引起附加能量的消耗。為了解決這一問題，應考慮能量回收，回收得到的能量儲存于儲能元件當中，而后根據(jù)實際的需要釋放出來再利用。

圖5 動臂節(jié)能系統(tǒng)原理圖

挖掘機動臂節(jié)能系統(tǒng)原理如圖5所示，通過蓄能器實現(xiàn)挖掘機勢能回收，動臂下降過程中，動臂液壓缸回油驅動馬達做功，驅動變量泵，輸出的壓力油存儲到蓄能器中，實現(xiàn)勢能的回收。動臂上升過程中，蓄能器與變量泵一起為系統(tǒng)提供壓油，驅動負載，從而回收的勢能得以二次利用。

液壓挖掘機混合動力系統(tǒng)利用燃油發(fā)動機和發(fā)電/電動機聯(lián)合驅動?；旌蟿恿ο到y(tǒng)原理如圖6所示，當液壓泵所需的驅動功率較大時，電池向發(fā)電/電動機供電，協(xié)助燃油發(fā)動機共同驅動液壓泵；當液壓泵所需的驅動功率較小時，燃油發(fā)動機單獨驅動液壓泵，并且額外的輸出功率驅動發(fā)電/電動機發(fā)電，能量以電能的形式存儲在電池中。

圖6 混合動力系統(tǒng)原理圖

2.2 混凝土泵車節(jié)能技術

混凝土泵車同時實現(xiàn)混凝土的泵送和布料，其工況復雜，進行發(fā)動機和負載的功率匹配可以使節(jié)能效果最優(yōu)化。從大系統(tǒng)理論分析出發(fā)，計算混凝土泵車能量損失的主要途徑，將混凝土泵車的發(fā)動機、變量泵及負載作為一個動態(tài)系統(tǒng)來研究其節(jié)能問題，通過先進控制算法如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制，實現(xiàn)發(fā)動機、變量泵、負載的功率匹配。根據(jù)負載的變化合理調(diào)節(jié)混凝土泵車工作模式，使發(fā)動機的工作狀況與負載相匹配，提高了系統(tǒng)功率利用率，達到系統(tǒng)節(jié)能的目的。

混凝土泵車換向沖擊引起的整個系統(tǒng)的振動會大大降低系統(tǒng)的可靠性。采用蓄能器對換向過程的沖擊能量進行回收，不僅可以使換向更為平穩(wěn)，而且避免了沖擊能轉換為熱能而使得液壓介質溫度升高帶來的一系列問題。此外，采用主動控制技術，當位移傳感器檢測到混凝土活塞靠近行程末端時，主動控制變量泵降低輸出流量和壓力，從而達到減小換向沖擊和節(jié)能的目的。

3 建筑機械節(jié)能技術發(fā)展趨勢

通過傳感器技術和先進控制算法實現(xiàn)建筑機械的智能節(jié)能是建筑機械節(jié)能的發(fā)展趨勢之一。安裝于鏟斗的力傳感器檢測施工過程挖掘阻力大小，根據(jù)先進的控制算法主動計算液壓系統(tǒng)的輸出壓力和流量，通過主動控制有效提高液壓系統(tǒng)的能量利用率。根據(jù)施工要求，通過優(yōu)化算法對挖掘機各節(jié)臂路徑進行規(guī)劃，通過位移傳感器或傾角計的閉環(huán)反饋，精確控制各節(jié)臂的運行軌跡使挖掘機作業(yè)效率大幅度提高。同理，對混凝土泵車的布料軌跡進行優(yōu)化，實現(xiàn)高質高效布料。

提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)故障率，從長遠經(jīng)濟利益角度出發(fā)，也是節(jié)能的一種方式。通過傳感器技術對液壓元件的運行狀態(tài)進行實時檢測，對液壓介質的品質進行實時檢測，對液壓泵關鍵摩擦副摩擦磨損情況進行監(jiān)測，對液壓缸的密封圈磨損、爬行現(xiàn)象、緩沖機構失效進行有效的監(jiān)控，對控制閥的閥芯卡緊、工作過程中的泄漏、換向沖擊進行有效的監(jiān)控，提高液壓元件的使用壽命和可靠性。對于機械結構部件，如挖掘機動臂、混凝土泵車臂架，在易失效部位安裝超聲波傳感器和加速度計，超聲波傳感器檢測內(nèi)部裂紋，加速度計檢測振動信號，通過實時監(jiān)控避免事故的發(fā)生，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

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