起重機(jī)行走系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益研究

王 威

（江西省檢驗檢測認(rèn)證總院特種設(shè)備檢驗檢測研究院贛州檢測分院， 江西 贛州 341000）

0 引言

起重機(jī)是我國應(yīng)用最廣泛的工程機(jī)械，其具有大功率、高耗能特點。隨著我國綠色化理念的推行，高效、節(jié)能也成為各行業(yè)發(fā)展的主流方向[1]。在此種環(huán)境下，起重機(jī)的節(jié)能化設(shè)計改造也成為每一個工程機(jī)械制造企業(yè)所需要思考的問題。履帶式起重機(jī)作為我國最常見的一種工程起重機(jī)械具有大功率和高耗能特點，其在行走過程中因系統(tǒng)功率匹配不當(dāng)會造成巨額能量流失，因此如何有效實現(xiàn)起重機(jī)功率匹配對節(jié)能發(fā)展有著極其重要的意義。

1 節(jié)能控制策略

1.1 分工況功率設(shè)定節(jié)能控制策略

起重機(jī)在作業(yè)過程中行走系統(tǒng)所受到的地面負(fù)載是可變化的，此種情況下便需要根據(jù)工況的不同對發(fā)動機(jī)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)行走系統(tǒng)功率與負(fù)載的匹配，進(jìn)而降低能源消耗[2]。本次節(jié)能控制策略基于電子信息技術(shù)以及自適應(yīng)模糊PID 控制算法所實現(xiàn)，通過傳感器檢測起重機(jī)的信號，起重機(jī)行走系統(tǒng)會根據(jù)反饋的信號對發(fā)動機(jī)油門開度進(jìn)行控制。根據(jù)某企業(yè)起重機(jī)實際運行情況來看，可以將其分為空載大功率工況、帶載中功率工況以及空載小功率工況，不同工況下的功率消耗也包含有附屬裝置的消耗，因此所設(shè)定的工況功率值需要大于系統(tǒng)實際所產(chǎn)生的功率。

1.1.1 空載大功率工況下的節(jié)能控制方式

空載大功率工況主要有轉(zhuǎn)彎工況和爬坡工況兩種，經(jīng)實踐研究發(fā)現(xiàn)，空載轉(zhuǎn)彎工況下所需要的功率相比較爬坡（坡度≤3°）工況功率大。在這兩種工況下，為了能夠確保發(fā)動機(jī)輸出的功率得到最大化利用，需要將最大功率點設(shè)置為發(fā)動機(jī)功率匹配工況點，同時利用自適應(yīng)模糊PID 控制的方式對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，保持發(fā)動機(jī)在符合功率需求下依舊能夠處于最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速值（1 900 r/min），此時發(fā)動機(jī)功率與變量泵的吸收功率基本一致，從理論角度分析發(fā)動機(jī)的功率輸出不存在剩余功率。

1.1.2 帶載中功率工況下的節(jié)能控制方式

帶載中功率工況包含有低速直行工況和低速大半徑轉(zhuǎn)彎工況。在此種工況下，發(fā)動機(jī)想要匹配最佳功率，需要保證在該工況下發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速波動不大。為此，需要將發(fā)動機(jī)帶載低速工況下的目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 800 r/min，而在低速直行工況下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速則設(shè)定為1 600 r/min。

1.1.3 空載小功率工況下的節(jié)能控制方式

空載小功率工況包含有起重機(jī)怠速作業(yè)或場地轉(zhuǎn)換作業(yè)工況，其對發(fā)動機(jī)的輸出功率要求較小，因此此種工況下的功率設(shè)定可以將空載直行小功率為主，發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 400 r/min，進(jìn)而降低發(fā)動機(jī)能耗。此時電控系統(tǒng)也會將液壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞給行走系統(tǒng)中，進(jìn)而對變量泵的排量進(jìn)行調(diào)整，并對變量泵的出口壓力和標(biāo)定壓力進(jìn)行比對，以此為基礎(chǔ)對發(fā)動機(jī)油門開口度進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)燃油噴吐量的調(diào)控，從而達(dá)到節(jié)能控制的目的。

1.2 行駛階段的節(jié)能控制方式

某起重機(jī)行走系統(tǒng)是由L8VO 雙泵系統(tǒng)所驅(qū)動的，起重機(jī)的位移運動均是在此系統(tǒng)的操控下所完成。為了降低起重機(jī)行走時的能源消耗，可根據(jù)上文將發(fā)動機(jī)的運行情況分為三個工況，不同工況下發(fā)動機(jī)設(shè)置的目標(biāo)轉(zhuǎn)速有一定的差異。在功率模式設(shè)定完成后，功率變動主要由變量泵功率進(jìn)行調(diào)控，基于模糊PID 控制模式結(jié)合電子控制單元對發(fā)動機(jī)進(jìn)行合理化調(diào)控，確保發(fā)動機(jī)在各種工況下均能處于穩(wěn)定狀態(tài)，行走系統(tǒng)中的發(fā)動機(jī)、泵的負(fù)載功率能夠?qū)崿F(xiàn)相互匹配。

1.3 起重機(jī)功率匹配自適應(yīng)模糊PID 節(jié)能控制

本次所建立的起重機(jī)行走功率匹配系統(tǒng)是基于自適應(yīng)模糊PID 控制算法所實現(xiàn)的，該算法用于協(xié)調(diào)發(fā)動機(jī)、負(fù)載、液壓泵三者之間的匹配關(guān)系。在行走節(jié)能系統(tǒng)運行過程中，壓力傳感器將檢測到的信號值傳遞給電子控制單元，之后電子控制單元根據(jù)信號值判定起重機(jī)的實際運行工況，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比，將對比值輸入到模糊控制器中進(jìn)行計算，然后得出油門開口最佳經(jīng)濟(jì)點，并發(fā)出電信號由執(zhí)行元件進(jìn)行控制。

2 起重機(jī)行走系統(tǒng)節(jié)能措施的仿真模擬

為了驗證起重機(jī)行走系統(tǒng)節(jié)能措施的可行性，本次采用AMESim 以及MATLAB/Simulink 軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)上述節(jié)能策略所建立的節(jié)能系統(tǒng)模型如圖1 所示。

圖1 節(jié)能系統(tǒng)模型

本次仿真模擬是在起重機(jī)空載小功率工況下進(jìn)行的，選定目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 400 r/min，將油門開度設(shè)置為60%，起重機(jī)行走速度設(shè)置為0.15 m/s。在仿真模擬過程中，在第10 s 和20 s 時分別加載和減載6 MPa 的載荷，仿真時間為30 s，查看發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速仿真模擬輸出情況，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速仿真模擬輸出情況

在傳統(tǒng)控制模式下，在加入載荷后起重機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速最低降至1 289 r/min，經(jīng)過約7 s 時間恢復(fù)到1 400 r/min，在減去載荷后，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速最高升至1 441 r/min，經(jīng)過約6 s 時間恢復(fù)到最初狀態(tài)；在節(jié)能控制模式下，仿真模擬系統(tǒng)在加入載荷后發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速最小降至1 322 r/min，在5 s 后恢復(fù)到1 400 r/min，在減去載荷后發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速最高升至1 425 r/min，在5 s后降至穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見，相比較傳統(tǒng)控制方式而言，節(jié)能控制策略下起重機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在載荷變化下波動幅度更小，回歸平穩(wěn)狀態(tài)所需要的時間更短，對改善調(diào)控系統(tǒng)動態(tài)性能具有更好的效果。

為了驗證行走系統(tǒng)功率匹配情況是否良好，在仿真模擬過程中將電流初始值設(shè)置為320 mA，發(fā)動機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩設(shè)置為653.2 N·m，轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 400 r/min。對發(fā)動機(jī)的輸出功率變化情況和變量泵吸收功率的變化情況進(jìn)行仿真，具體結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 起重機(jī)發(fā)動機(jī)輸出功率變化

圖4 起重機(jī)變量泵吸收功率變化

由圖3、圖4 可知，起重機(jī)發(fā)動機(jī)輸出功率穩(wěn)定狀態(tài)下為84.15 kW，變量泵吸收功率為75.95 kW；在10 s 加載載荷時發(fā)動機(jī)輸出功率變化為69.68 kW，變量泵吸收功率變化為64.39 kW；在20 s 減去載荷時發(fā)動機(jī)輸出功率上升至113.48 kW，變量泵吸收功率變化至98.21 kW，功率變化與上述發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律一致，匹配功率為75.95÷84.15×100%=90.26%，可見匹配效果良好。

3 起重機(jī)行走系統(tǒng)節(jié)能措施的實際應(yīng)用效果

該行走系統(tǒng)節(jié)能措施主要應(yīng)用于某企業(yè)履帶式起重機(jī)上。該企業(yè)301 號履帶式起重機(jī)為80 t 載重量，該起重機(jī)主要用于工程材料的裝卸和轉(zhuǎn)移。在2022 年7 月8 日—7 月15 日為某地連續(xù)陰雨，室外工程作業(yè)需要停止，該企業(yè)在此段時間將301 號起重機(jī)行走系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，改造完成后繼續(xù)進(jìn)行工程作業(yè)。改造前后301 號履帶式起重機(jī)作業(yè)工況與作業(yè)時間一致，因此前后能耗有對比性。經(jīng)過統(tǒng)計計算，改造前每小時油耗約為33 L 左右，改造完成后每小時油耗為24 L，降低幅度為27.27%，該工程所在地0 號柴油價格為8.56 元/L，每小時能夠節(jié)約燃油成本77.04元。該起重機(jī)每日工作時間約8 h，該項工程工期至2025 年完工，根據(jù)工程建設(shè)需求該型號起重機(jī)在2022 年7 月15 日后預(yù)計作業(yè)時間為300 d 左右，本次經(jīng)濟(jì)性計算以工作300 d 為例，改造后每臺該型號起重機(jī)在整個工程當(dāng)中能夠降低成本為300 d×8 h/d×77.04 元/h=184 896 元，由此可見，行走系統(tǒng)節(jié)能改造能夠有效降低企業(yè)的成本投入。

4 結(jié)論

1）從空載大功率工況、帶載中功率工況、空載小功率工況方面入手，建立節(jié)能控制策略。

2）利用AMESim 和MATLAB/Simulink 軟件對行走系統(tǒng)節(jié)能措施進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果顯示節(jié)能控制策略下發(fā)動機(jī)動態(tài)調(diào)控性能更佳，發(fā)動機(jī)輸出功率和變量泵吸收功率匹配率達(dá)到90.26，具有良好的匹配效果。

3）將節(jié)能控制策略應(yīng)用于某企業(yè)起重機(jī)中，經(jīng)過統(tǒng)計計算可知每小時能夠節(jié)約燃油成本77.04 元，從整個工程角度分析每臺起重機(jī)能夠降低成本184 896元，具有良好的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。