輪胎式起重機(jī)能耗分析及勢能回收研究

周 波 龐利寶 何 浩

1 武漢航科物流有限公司 2 上海振華重工集團(tuán)有限公司

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輪胎式起重機(jī)能耗分析及勢能回收研究

周 波1龐利寶1何 浩2

1 武漢航科物流有限公司 2 上海振華重工集團(tuán)有限公司

針對傳統(tǒng)起重機(jī)能源消耗量大的問題，以LQD60型輪胎式起重機(jī)為研究對象，在詳細(xì)地分析各機(jī)構(gòu)工作中的能量消耗和轉(zhuǎn)換特性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于超級電容的混合動(dòng)力系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了基于PLC和DSP的聯(lián)合控制系統(tǒng)，并制定了各個(gè)工況下柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)、超級電容的具體控制策略，為輪胎式起重機(jī)節(jié)能提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。

輪胎式起重機(jī)； 能耗分析； 勢能回收； 超級電容

1 引言

起重能力和安全性一直是起重機(jī)最重要的性能,但是國內(nèi)在起重機(jī)械設(shè)計(jì)、制造和使用中，相對來說更看重起重機(jī)的安全性能和起重能力，而忽略了環(huán)保，導(dǎo)致國內(nèi)生產(chǎn)的起重機(jī)質(zhì)量大，功率配置高，運(yùn)行效率低，能源消耗大[1]。輪胎式起重機(jī)以柴油機(jī)作為動(dòng)力源，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電能來驅(qū)動(dòng)各個(gè)機(jī)構(gòu)電機(jī)，并由各電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載。能量輸出端的節(jié)能方法主要是改善動(dòng)力源，節(jié)能方式主要是提高柴油機(jī)的效率和“油改電”。能量利用端的節(jié)能方法主要是對勢能或其產(chǎn)生的電能進(jìn)行回收，節(jié)能方式主要是電能回饋電網(wǎng)技術(shù)和混合動(dòng)力技術(shù)[2]。

本文以LQD60型輪胎式起重機(jī)為研究對象，通過分析各機(jī)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換和損耗特性，計(jì)算了起升機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)在各工況下的可回收勢能，提出了一種適用于起升機(jī)構(gòu)雙卷揚(yáng)驅(qū)動(dòng)的節(jié)能改進(jìn)方案，及其適應(yīng)其新系統(tǒng)的控制策略。

2 輪胎式起重機(jī)的能耗分析

2.1 起升機(jī)構(gòu)可回收能量分析

輪胎式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器、卷筒和吊具等組成。電動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過萬向聯(lián)軸器，經(jīng)一對圓錐圓柱齒輪減速器帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，起升機(jī)構(gòu)可采用單卷筒或雙卷筒，卷筒上的鋼絲繩便可隨之收或放，通過滑輪組、吊鉤使重物升降。電動(dòng)機(jī)輸出軸上裝有塊式常閉制動(dòng)器，通過制動(dòng)電機(jī)來控制重物的升降。

起升過程中，制動(dòng)裝置所消耗的能量可以通過電氣制動(dòng)來減少，由能耗電阻消耗的電能則可以考慮回收[3]。根據(jù)能量守恒定律，起升機(jī)構(gòu)可回收的凈能量為：

(1)

式中，mt為重物質(zhì)量,kg；mh為吊具質(zhì)量，kg；H為載荷下降高度，m；ηz為起升機(jī)構(gòu)滑輪組效率；ηd為導(dǎo)向滑輪效率；ηj為卷筒效率，ηj=ηt；ηch為機(jī)械傳動(dòng)效率；vq為貨物最大下降速度，m/s。

由式(1)可知，起升機(jī)構(gòu)的可回收能量與起升貨物的重量和可起升高度有直接關(guān)系。若起升貨物質(zhì)量一定，最大可回收能量應(yīng)以最大可下降高度來計(jì)算，其表達(dá)式為：

式中，L為臂架長度，m；H0為起吊安全距離，LQD60型起重機(jī)為2.5 m。

2.2 變幅機(jī)構(gòu)可回收能量分析

變幅過程中，貨物會(huì)隨著臂架角度變化在豎直方向產(chǎn)生位移，變幅機(jī)構(gòu)計(jì)算簡圖見圖1。

圖1 變幅機(jī)構(gòu)計(jì)算簡圖

根據(jù)能量守恒定律，變幅機(jī)構(gòu)可回收的凈能量為：

式中，θ1為變幅前臂架角度，rad；θ2為變幅后臂架角度，rad；∑Ek為變幅機(jī)構(gòu)所有動(dòng)能和，其表達(dá)式為：

(4)

式中，t為變幅時(shí)間，s。

3 節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)能系統(tǒng)方案

LQD60型起升機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)均采用同軸線布置，減速器位于卷筒內(nèi)，其中，起升電機(jī)由2臺(tái)電機(jī)、2個(gè)卷筒共同驅(qū)動(dòng)，變幅機(jī)構(gòu)由單電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

對雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輪胎式起重機(jī)，將超級電容與其中1臺(tái)電機(jī)相連，由超級電容供能，另一電機(jī)由直流母線供能。2臺(tái)電機(jī)通過各自的減速器卷筒共同拖動(dòng)負(fù)載，驅(qū)動(dòng)和控制相互獨(dú)立。因此，只需控制超級電容的放電電壓，使2臺(tái)起升電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持一致即可。變幅機(jī)構(gòu)減幅時(shí)則只由發(fā)電機(jī)供能，當(dāng)處于增幅狀態(tài)時(shí)，將反饋的能量儲(chǔ)存于超級電容。改進(jìn)后的起升機(jī)構(gòu)能量轉(zhuǎn)換圖見圖2。

圖2 節(jié)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換圖

節(jié)能系統(tǒng)需要在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加超級電容，其布置圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)布置圖

3.2 節(jié)能系統(tǒng)控制

改進(jìn)后的節(jié)能型輪胎式起重機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)中，要控制的對象包括柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)速控制、超級電容的充放電控制、各機(jī)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。起重機(jī)的工況復(fù)雜，在不同的工況下，柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)、超級電容的工作狀態(tài)都會(huì)有所不同。因此，需要根據(jù)各個(gè)機(jī)構(gòu)的工況，分別對柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和超級電容制訂控制策略。本文采用PLC和DSP進(jìn)行協(xié)同控制。其中，PLC控制起重機(jī)的開關(guān)信號，而具體的控制策略則由DSP來實(shí)現(xiàn)。

3.2.1 PLC控制系統(tǒng)

(1)柴油機(jī)。在該系統(tǒng)中，PLC控制柴油機(jī)的啟、停和全速、怠速2個(gè)檔位等4種工況。電子調(diào)速器采集柴油機(jī)負(fù)載變化產(chǎn)生的電信號，通過控制器和執(zhí)行器來改變柴油機(jī)的循環(huán)供油量，保持柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，改善柴油機(jī)的工作性能。

柴油機(jī)的控制最為核心的是噴油控制，它又分為噴油量控制和噴油時(shí)刻控制。噴油量控制是對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載的響應(yīng)，噴油時(shí)刻的控制是為了滿足經(jīng)濟(jì)性和排放性。筆者對柴油機(jī)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，其控制系統(tǒng)框圖見圖4。

圖4 柴油機(jī)控制框圖

(2)電動(dòng)機(jī)。輪胎式起重機(jī)運(yùn)行時(shí)，各機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)存在3種工作狀態(tài)：電動(dòng)工作狀態(tài)，包括起升機(jī)構(gòu)起升貨物、變幅機(jī)構(gòu)減幅、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)；回饋工作狀態(tài)，包括起升機(jī)構(gòu)下放貨物和變幅機(jī)構(gòu)增幅時(shí)；空閑工作狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)停止或空轉(zhuǎn)時(shí)。

本文不考慮對回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)的能量回收，因此，耗能工況指起升機(jī)構(gòu)貨物上升工況和變幅結(jié)構(gòu)減幅工況。兩機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)皆為串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，適用于起重牽引機(jī)械。

圖5為電機(jī)勵(lì)磁控制圖，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為給定值不變，將超級電容的端電壓作為正反饋量，即隨著充電的進(jìn)行，超級電容的逐漸上升，直流電機(jī)勵(lì)磁電流將增加，直流電機(jī)電壓隨著增加，使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡來維持電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖5 電機(jī)勵(lì)磁控制圖

(3)超級電容的控制。在該系統(tǒng)中，超級電容通過雙向DC/DC變換器與能耗電阻并聯(lián)流經(jīng)起升電機(jī)和變幅電機(jī)。在能量回饋工況時(shí)，如果超級電容的電量未滿，則超級電容與電機(jī)連接進(jìn)行充電，否則斷開，電機(jī)與能耗電阻連接以消耗多余能量。因此，PLC對超級電容的控制只是進(jìn)行投切控制。

在貨物平穩(wěn)下放的過程中，起升電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變。由于起升機(jī)構(gòu)的負(fù)載屬于位能型負(fù)載，其電磁轉(zhuǎn)矩與之相平衡，也會(huì)保持不變。放電時(shí)電動(dòng)機(jī)的功率不變，超級電容的充電屬于恒功率充電。

除了利用回收的勢能對超級電容進(jìn)行充電外，還可以在起升、變幅機(jī)構(gòu)工作間隙利用柴油機(jī)的怠速能對超級電容充電。由于怠速時(shí)整機(jī)功率較低，將超級電容充電到300 V即可。超級電容充電采用閉環(huán)控制，反饋量有充電電流和超級電容端電壓，充電控制策略見圖6。

圖6 超級電容充電控制策略

為了滿足起升電機(jī)2的調(diào)速要求，對超級電容進(jìn)行恒壓放電控制，即實(shí)時(shí)檢測起升電機(jī)1的端電壓，并調(diào)節(jié)超級電容的放電電壓使其相等。其放電控制策略見圖7。

圖7 超級電容放電控制策略

3.2.2 DSP控制系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中，DSP控制器主要是對電力電子裝置的控制，主要包括模擬量的檢測和控制算法的實(shí)現(xiàn)，具體的控制對象及控制要求如下：

(1)雙向DC/DC變換器。超級電容通過雙向DC/DC變換器與起升電機(jī)和變幅電機(jī)連接。DSP系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)雙向DC/DC變換器的輸入、輸出電壓的來控制超級電容的充放電。超級電容充電時(shí)，充電電流會(huì)隨著其端電壓的升高而減小，此時(shí)可以通過雙向DC/DC變換器進(jìn)行降壓充電，提高超級電容的充電效率；超級電容放電時(shí)，放電電流會(huì)隨著其端電壓的下降而減小，此時(shí)可以控制雙向DC/DC變換器進(jìn)行升壓放電，提高超級電容的放電深度。

(2)斬波器。各機(jī)構(gòu)電機(jī)由斬波器進(jìn)行控制。DSP通過采集各機(jī)構(gòu)電機(jī)的電壓和電流，通過控制斬波器的占空比，在各機(jī)構(gòu)電機(jī)啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟停，在某些工況下可適當(dāng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來適應(yīng)工況的需要。

(3)勵(lì)磁控制器。在能量反饋工況(起升機(jī)構(gòu)下放貨物和變幅機(jī)構(gòu)增幅)時(shí)，貨物和臂架的勢能通過電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能。隨著超級電容端電壓的升高，電機(jī)電樞電流會(huì)逐漸減小，制動(dòng)力矩也會(huì)減小，為保證安全，需要適當(dāng)增大勵(lì)磁電流。DSP通過對采集的電信號進(jìn)行分析計(jì)算，然后控制勵(lì)磁控制器輸出相應(yīng)的勵(lì)磁電流。

節(jié)能系統(tǒng)的控制原理見圖8。DSP通過將PLC采集的信號(發(fā)電機(jī)輸出電壓、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流、超

圖8 節(jié)能系統(tǒng)原理圖

級電容端電壓、超級電容電流、起升電機(jī)2勵(lì)磁電流等)進(jìn)行運(yùn)算，對勵(lì)磁控制器、雙向DC/DC變換器、直流斬波器等裝置輸出控制信號。其中PLC根據(jù)起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，通過控制接觸器開關(guān)來控制超級電容和能耗電阻與起升電機(jī)和變幅電機(jī)之間的連接和斷開。具體情況是：當(dāng)起重機(jī)處于起升機(jī)構(gòu)下降工況，若超級電容此時(shí)電荷量未滿(即SOC<100%)時(shí)，則PLC控制起升電機(jī)2與超級電容連接，進(jìn)行充電；當(dāng)超級電容電荷量已滿(即SOC=100%)時(shí)，PLC控制起升電機(jī)2與超級電容斷開，與能耗電阻連接，改為能耗制動(dòng)方式。當(dāng)起重機(jī)處于變幅機(jī)構(gòu)增幅工況時(shí)，PLC的控制方式與起升機(jī)構(gòu)類似，在此不再贅述。

4 結(jié)語

本文對輪胎式起重機(jī)的節(jié)能方式進(jìn)行了探討，在簡要介紹輪胎式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)，分析輪胎式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)工作中能量轉(zhuǎn)換特性的基礎(chǔ)上，提出了基于超級電容的混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能的初步方案，對節(jié)能系統(tǒng)提出了控制方案，設(shè)計(jì)了基于PLC和DSP的聯(lián)合控制系統(tǒng)。分別制訂了柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和超級電容在各個(gè)工況下的控制策略。該方案不局限于直流動(dòng)力系統(tǒng)，加上整流逆變環(huán)節(jié)后也適用于交流動(dòng)力系統(tǒng)。

[1] Rob Kuilboer. Siemens Cranes:The Hague,The Netherlands Evaluating the ECO-RTG concept. Port Technology International[J].2007 (8) ISSUE:33.

[2] 景海洲，張?zhí)焱?種型式起重機(jī)在風(fēng)電場設(shè)備安裝中性能的比較[J]．工程機(jī)械與維修，2013(5):156-158.

[3] 丁 敏，羅建平，張德文.軌道式集裝箱門式起重機(jī)能耗試驗(yàn)研究[J].港口裝卸，2014(1)：8-10

龐利寶： 430000，湖北省武漢市江岸區(qū)沿江大道256號

The Study on Tyre Crane Consumption Analysis and Potential Energy Recycling

Zhou Bo1Pang Libao1He Hao2

1 Wuhan Air Logistics Co., Ltd 2 Shanghai Zhenhua Heavy Industries Group Co., Ltd

As traditional crane consumes large energy, taking LQD60 tyre crane as an example, after a detailed analysis of the energy consumption and transformation characteristics of each mechanism in detail, a modified scheme based on hybrid power system scheme with super capacitor is proposed, the control system combined with PLC and DSP based framework is designed, and the specific control strategies of diesel engine, electric motor and super capacitor in each working conditions are developed. It will offer theoretical principle and technical support to the energy constrvation the tyre crane.

tyre crane; energy consumption analysis; potential energy recycling; super capacitor

2016-09-27

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.013