淺談起重機(jī)械節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用研究

張龍 龐繼強(qiáng) 盛世鵬 張輝 吳晨曦

蘭州工業(yè)學(xué)院，中國(guó)·甘肅 蘭州 730050

1 引言

起重機(jī)械是在工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工作內(nèi)容包括：安裝和維修、物料搬運(yùn)與吊裝。按照能源的多少，起重機(jī)有兩種驅(qū)動(dòng)模式：一種是內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，另一種是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。電力系統(tǒng)的運(yùn)行范圍一般是固定的，一般不太靈活，如在碼頭附近的起重機(jī)；內(nèi)燃機(jī)的起重機(jī)，由于其高度機(jī)動(dòng)性，其工作區(qū)可以活動(dòng)，可以很容易地轉(zhuǎn)移到諸如車輛起重機(jī)等工作場(chǎng)所。公用電網(wǎng)起重機(jī)在沿一條固定的運(yùn)動(dòng)線路上行駛時(shí)，利用纜繩或滑動(dòng)式接觸線，不受干擾地提供電能。起重機(jī)吊裝重物是把電能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能，如果重物中的能量沒有得到充分利用，則會(huì)產(chǎn)生大量的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為熱量，最后會(huì)被浪費(fèi)掉。所以，在吊裝時(shí)通過回收重物的能量，可以大大減少電能的消耗，節(jié)約能量。

2 起重機(jī)械基本概述

起重設(shè)備實(shí)質(zhì)上是將重物吊裝和頂舉，以達(dá)到以上的作用，起重設(shè)備包括起升機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、取物機(jī)構(gòu)等。起重機(jī)的核心部件是一個(gè)系統(tǒng)，它的作用是調(diào)節(jié)其他的機(jī)器的開合、幅度、力度和方向。動(dòng)力裝置是為了方便動(dòng)力能夠自如地打開和關(guān)閉，以達(dá)到抓起重物體的目的。升降裝置的作用其實(shí)是把重的東西往下吊，在通常的條件下，起重機(jī)是用來對(duì)重件進(jìn)行豎向運(yùn)輸?shù)?，而升降裝置則是為了以上的作用而設(shè)的。通常包含兩類常用的起重機(jī)：一類是以燃料作為動(dòng)力的起重機(jī)，另一類是以電能作為動(dòng)力的起重機(jī)。

3 起重機(jī)對(duì)能源的消耗以及對(duì)環(huán)境的污染。

3.1 起重機(jī)對(duì)能源消耗的特點(diǎn)

起重機(jī)是依靠?jī)?nèi)部各機(jī)械的協(xié)同作用才能正常工作，它的能源是用來消耗電能的。起重機(jī)自身的結(jié)構(gòu)損耗主要由物料損耗構(gòu)成，結(jié)構(gòu)自身重量對(duì)其影響較大，而機(jī)械零件則以消耗過程為主，而控制系統(tǒng)則以能量消耗為主。由于起重機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的電能，因此會(huì)產(chǎn)生很多不必要的能源損耗。

3.2 起重機(jī)對(duì)環(huán)境的污染

起重機(jī)運(yùn)行時(shí)的能源消耗情況不容樂觀，對(duì)周圍的環(huán)境也產(chǎn)生了一定的影響。起重機(jī)排出了很多瓦斯，出現(xiàn)噪聲等污染，對(duì)人們的日常生活造成了很大的干擾。若長(zhǎng)此以往，不僅會(huì)導(dǎo)致不合理的使用能量，而且會(huì)給生態(tài)帶來極大的危害。

4 起重機(jī)械節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

起重機(jī)作為一種機(jī)械設(shè)備，在企業(yè)的安裝、制造中占有重要地位，因其實(shí)用性強(qiáng)，靈活方便，作業(yè)范圍廣，采購(gòu)方便，分批采購(gòu)，投資低，因此在市場(chǎng)上有著巨大的需求量。起重機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能的一種工藝，但由于其能耗高、效率低，工作時(shí)的噪聲較大，對(duì)周邊環(huán)境也有一定的影響。隨著中國(guó)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，尤其是在節(jié)能減排理念的推動(dòng)下，對(duì)起重機(jī)的性能要求也隨之提高。起重機(jī)的節(jié)能技術(shù)主要有兩個(gè)方面：一是提升起重機(jī)的能源轉(zhuǎn)化效率，降低能源消耗，進(jìn)而改善能源利用率，如減小傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力、優(yōu)化取物結(jié)構(gòu)、減輕設(shè)備重量等；二是對(duì)貯存的材料進(jìn)行回收和利用，以減少起重機(jī)的能源消耗；

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

一切的組成都是由各種元素組成的，這些元素組成的各種形態(tài)是不同的。從哲學(xué)的觀點(diǎn)看，物質(zhì)的變化其實(shí)是結(jié)構(gòu)性的變化。對(duì)物質(zhì)成分的組合形式進(jìn)行優(yōu)化是達(dá)到質(zhì)量變化的一個(gè)主要途徑。起重機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，部件也很多，在使用過程中可以通過優(yōu)化的方式來減少能耗。目前，中國(guó)起重機(jī)大多采用橋式結(jié)構(gòu)，其體積較大，相對(duì)其他國(guó)家的大型起重機(jī)而言，體積龐大，能耗高，需要對(duì)其進(jìn)行更多的改造，目前中國(guó)和其他國(guó)家的有關(guān)專家和學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。目前，該系統(tǒng)的開發(fā)主要分為兩大類，即MATLAB和ANSYS。

4.2 運(yùn)用新興材料技術(shù)

在當(dāng)今社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展中，人們把重點(diǎn)放在了新型的材料上，并對(duì)各種新材料進(jìn)行了研究，這些材料基本上是由多種元素組成的，具有良好的耐腐蝕性、高強(qiáng)度、輕質(zhì)、高韌性等優(yōu)點(diǎn)，目前已被大量使用。在吊裝設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，必須合理使用新型復(fù)合材料。通常的起重機(jī)械都是以鋼材為主要原材料，其體積龐大、耗能大、耐腐蝕、韌性、強(qiáng)度等鋼材無法滿足起重機(jī)的設(shè)計(jì)要求，因此在使用起重機(jī)械的過程中，必須采用新材料。為了適應(yīng)起重設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，許多新型材料應(yīng)運(yùn)而生。

4.3 變頻調(diào)速技術(shù)

間歇運(yùn)動(dòng)是起重機(jī)的一個(gè)基本特征，即在起重設(shè)備的操作中，卸載、搬運(yùn)、取料等工作基本上是交替進(jìn)行的，為了確保起重設(shè)備的安全、可靠，在配載的過程中，必須留出足夠的余量。正常情況下，設(shè)備在非滿載狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅要達(dá)到動(dòng)力傳動(dòng)的要求，而且額外的轉(zhuǎn)矩也會(huì)在一定程度上增加功耗，造成電能的大量損耗，而且在正常轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)備的剎車會(huì)對(duì)機(jī)體造成很大的損傷，同時(shí)還會(huì)增加能耗。

為解決以上問題，在機(jī)械設(shè)備的工作中，采用改變電動(dòng)機(jī)的定子電源頻率來實(shí)現(xiàn)變頻技術(shù)。隨著科技的進(jìn)步，變頻調(diào)速器的性能得到不斷改善，在起重機(jī)械中采用了變頻技術(shù)，可以有效地改善機(jī)械的性能，減少設(shè)備的碰撞。

變頻調(diào)速系統(tǒng)性能優(yōu)良，速度響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)矩高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，電網(wǎng)適應(yīng)性強(qiáng)。配有過流、過熱、輸入錯(cuò)誤相斷相、接地等功能，可任意調(diào)節(jié)加、減速、剎車等多種形式，能有效監(jiān)測(cè)控制執(zhí)行系統(tǒng)。尤其是采用了直接轉(zhuǎn)矩和矢量控制技術(shù)，提高了電動(dòng)機(jī)的性能，采用了先進(jìn)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以在惡劣的工況下工作，提高其工作效率，改善調(diào)速性能，提高安全性能。節(jié)能技術(shù)適用于交流變頻器的節(jié)能技術(shù)，無論是采用裸滑接線、安全滑接線或纜繩繞組供電。系統(tǒng)利用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的直流母線上的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)直流-交流變換器反饋給電網(wǎng)。該技術(shù)具有很好的普遍性，適用于各種類型的變頻調(diào)速，而且工程建設(shè)簡(jiǎn)便，造價(jià)低廉。

4.4 采用高質(zhì)量減速器

目前，減速器在機(jī)械中的應(yīng)用越來越普遍，各種類型的減速帶也在市面上逐漸形成。從20世紀(jì)80年代起，減速帶就在起重機(jī)上得到了廣泛的運(yùn)用，但由于中國(guó)在這一領(lǐng)域起步較慢，與國(guó)外的技術(shù)相比還有很大的差距，壽命短，載力不足，無法真正的達(dá)到起重設(shè)備的工作需求。起重機(jī)是一種斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，經(jīng)常會(huì)發(fā)生重新啟動(dòng)和停止，因此，在實(shí)際工作中，它對(duì)減速裝置的承載能力和制動(dòng)性能都有很高的要求。目前，在中國(guó)使用的是硬齒輪減速器，硬齒輪減速器的各個(gè)方面都有了很大的改善，同時(shí)也可以在某些特定的項(xiàng)目中使用，以減少消耗，減少制動(dòng)磨損，達(dá)到節(jié)能和減少能耗的目的。由于交流變頻技術(shù)在起重機(jī)的生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，國(guó)內(nèi)外對(duì)交流變頻技術(shù)在起重機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的探討，但由于改造需要投入巨大的資金，很多公司都不愿采用這種技術(shù)，在今后的研發(fā)中，要充分利用節(jié)能技術(shù)，從而達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。在實(shí)踐中，采用了能量回饋節(jié)能變頻器，以合理替代定子調(diào)壓式變頻器，采用逆變器、直流母線以及自主技術(shù)集成技術(shù)改造變線，以減少運(yùn)行費(fèi)用。

中國(guó)在起重機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)和改造上有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，如港口、鐵路等抓斗起重機(jī)、集裝箱吊車等的節(jié)能改造，而繞線式主提升電動(dòng)機(jī)采用可控硅改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻結(jié)合定子交流電壓的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行速度調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的接觸器由于操作頻率高，易發(fā)生故障，導(dǎo)致備件費(fèi)用大幅上升，采用電能回饋裝置的變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以對(duì)此類起重機(jī)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造。獨(dú)立的電能回饋系統(tǒng)有許多優(yōu)勢(shì)，它使電力系統(tǒng)更加標(biāo)準(zhǔn)化，功耗低，體積小，電磁能量消耗小，靈活多變。

5 減少起重機(jī)節(jié)能技術(shù)所需的成本

工程中新增的起重機(jī)的電力驅(qū)動(dòng)裝置，通常采用先進(jìn)的技術(shù)。如果電力回饋技術(shù)與逆變器產(chǎn)品相結(jié)合，那么電力回饋組件就會(huì)很貴。由于生產(chǎn)成本過高，對(duì)起重機(jī)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生了很大的影響。大量的使用者無法負(fù)擔(dān)如此高昂的成本，使得這項(xiàng)技術(shù)很難得到普及。在對(duì)各種逆變器產(chǎn)品進(jìn)行深入的分析后，筆者孜孜不倦地開發(fā)出一系列適用于各種逆變器的技術(shù)。經(jīng)多年使用，證明其性能穩(wěn)定，性能與國(guó)際同類產(chǎn)品相當(dāng)，具有很低的體積、低功率、極低的電磁諧波、適用范圍廣。對(duì)逆變器廠商進(jìn)行的價(jià)格控制，使中國(guó)客戶更加便捷，同時(shí)也減少了生產(chǎn)成本。值得注意的是，用于橋式抓斗卸船機(jī)的交流變頻器和控制系統(tǒng)是一種單獨(dú)的電力回饋設(shè)備。通過對(duì)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化與改造，引入了一種能夠?qū)?shì)能轉(zhuǎn)換成電能的功率反饋功能。

6 結(jié)語

起重機(jī)是一種能源密集型、高消耗的設(shè)備，在中國(guó)起重機(jī)的節(jié)能技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)完善，而且在這一領(lǐng)域已經(jīng)有了很好的效果，但起重機(jī)的能源節(jié)約技術(shù)卻表現(xiàn)在起重機(jī)的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)、材料、生產(chǎn)工藝、使用管理等諸多方法，其節(jié)約能源的潛力還很大，還有待于進(jìn)一步的深入探討，以期推動(dòng)中國(guó)起重機(jī)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。