輪胎式起重機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 上海振華重工集團有限公司

?

輪胎式起重機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 上海振華重工集團有限公司

針對傳統起重機能源消耗量大的問題，以LQD60型輪胎式起重機為研究對象，在詳細地分析各機構工作中的能量消耗和轉換特性的基礎上，提出了一種基于超級電容的混合動力系統方案，設計了基于PLC和DSP的聯合控制系統，并制定了各個工況下柴油機、電動機、超級電容的具體控制策略，為輪胎式起重機節能提供了理論基礎與技術支持。

輪胎式起重機； 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最重要的性能,但是國內在起重機械設計、制造和使用中，相對來說更看重起重機的安全性能和起重能力，而忽略了環保，導致國內生產的起重機質量大，功率配置高，運行效率低，能源消耗大[1]。輪胎式起重機以柴油機作為動力源，帶動發電機運轉產生的電能來驅動各個機構電機，并由各電機拖動負載。能量輸出端的節能方法主要是改善動力源，節能方式主要是提高柴油機的效率和“油改電”。能量利用端的節能方法主要是對勢能或其產生的電能進行回收，節能方式主要是電能回饋電網技術和混合動力技術[2]。

本文以LQD60型輪胎式起重機為研究對象，通過分析各機構的能量轉換和損耗特性，計算了起升機構和變幅機構在各工況下的可回收勢能，提出了一種適用于起升機構雙卷揚驅動的節能改進方案，及其適應其新系統的控制策略。

2 輪胎式起重機的能耗分析

2.1 起升機構可回收能量分析

輪胎式起重機起升機構主要由電動機、制動器、減速器、卷筒和吊具等組成。電動機動力通過萬向聯軸器，經一對圓錐圓柱齒輪減速器帶動卷筒旋轉，起升機構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。電動機輸出軸上裝有塊式常閉制動器，通過制動電機來控制重物的升降。

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

(1)

式中，mt為重物質量,kg；mh為吊具質量，kg；H為載荷下降高度，m；ηz為起升機構滑輪組效率；ηd為導向滑輪效率；ηj為卷筒效率，ηj=ηt；ηch為機械傳動效率；vq為貨物最大下降速度，m/s。

由式(1)可知，起升機構的可回收能量與起升貨物的重量和可起升高度有直接關系。若起升貨物質量一定，最大可回收能量應以最大可下降高度來計算，其表達式為：

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

2.2 變幅機構可回收能量分析

變幅過程中，貨物會隨著臂架角度變化在豎直方向產生位移，變幅機構計算簡圖見圖1。

圖1 變幅機構計算簡圖

根據能量守恒定律，變幅機構可回收的凈能量為：

式中，θ1為變幅前臂架角度，rad；θ2為變幅后臂架角度，rad；∑Ek為變幅機構所有動能和，其表達式為：

(4)

式中，t為變幅時間，s。

3 節能系統設計

3.1 節能系統方案

LQD60型起升機構和變幅機構均采用同軸線布置，減速器位于卷筒內，其中，起升電機由2臺電機、2個卷筒共同驅動，變幅機構由單電機驅動。

對雙電機驅動的輪胎式起重機，將超級電容與其中1臺電機相連，由超級電容供能，另一電機由直流母線供能。2臺電機通過各自的減速器卷筒共同拖動負載，驅動和控制相互獨立。因此，只需控制超級電容的放電電壓，使2臺起升電機的轉速保持一致即可。變幅機構減幅時則只由發電機供能，當處于增幅狀態時，將反饋的能量儲存于超級電容。改進后的起升機構能量轉換圖見圖2。

圖2 節能系統能量轉換圖

節能系統需要在原系統的基礎上添加超級電容，其布置圖見圖3。

圖3 系統布置圖

3.2 節能系統控制

改進后的節能型輪胎式起重機的混合動力系統中，要控制的對象包括柴油發電機組的調速控制、超級電容的充放電控制、各機構電機的轉速控制。起重機的工況復雜，在不同的工況下，柴油機、電動機、超級電容的工作狀態都會有所不同。因此，需要根據各個機構的工況，分別對柴油機、電動機和超級電容制訂控制策略。本文采用PLC和DSP進行協同控制。其中，PLC控制起重機的開關信號，而具體的控制策略則由DSP來實現。

3.2.1 PLC控制系統

(1)柴油機。在該系統中，PLC控制柴油機的啟、停和全速、怠速2個檔位等4種工況。電子調速器采集柴油機負載變化產生的電信號，通過控制器和執行器來改變柴油機的循環供油量，保持柴油機的轉速穩定，改善柴油機的工作性能。

柴油機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刻控制。噴油量控制是對柴油機轉速和負載的響應，噴油時刻的控制是為了滿足經濟性和排放性。筆者對柴油機采用轉速負反饋的閉環結構來調節柴油機的轉速，其控制系統框圖見圖4。

圖4 柴油機控制框圖

(2)電動機。輪胎式起重機運行時，各機構電動機存在3種工作狀態：電動工作狀態，包括起升機構起升貨物、變幅機構減幅、回轉機構和行走機構運行時；回饋工作狀態，包括起升機構下放貨物和變幅機構增幅時；空閑工作狀態，電動機停止或空轉時。

本文不考慮對回轉機構、行走機構的能量回收，因此，耗能工況指起升機構貨物上升工況和變幅結構減幅工況。兩機構的電動機皆為串勵直流電動機。串勵電動機起動轉矩大、過載能力強，可實現無極調速，適用于起重牽引機械。

圖5為電機勵磁控制圖，將電機的轉速作為給定值不變，將超級電容的端電壓作為正反饋量，即隨著充電的進行，超級電容的逐漸上升，直流電機勵磁電流將增加，直流電機電壓隨著增加，使電磁轉矩與負載轉矩平衡來維持電機轉速。

圖5 電機勵磁控制圖

(3)超級電容的控制。在該系統中，超級電容通過雙向DC/DC變換器與能耗電阻并聯流經起升電機和變幅電機。在能量回饋工況時，如果超級電容的電量未滿，則超級電容與電機連接進行充電，否則斷開，電機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行投切控制。

在貨物平穩下放的過程中，起升電機的轉速保持不變。由于起升機構的負載屬于位能型負載，其電磁轉矩與之相平衡，也會保持不變。放電時電動機的功率不變，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行充電外，還可以在起升、變幅機構工作間隙利用柴油機的怠速能對超級電容充電。由于怠速時整機功率較低，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2的調速要求，對超級電容進行恒壓放電控制，即實時檢測起升電機1的端電壓，并調節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

在本系統中，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現，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變換器與起升電機和變幅電機連接。DSP系統通過調節雙向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，充電電流會隨著其端電壓的升高而減小，此時可以通過雙向DC/DC變換器進行降壓充電，提高超級電容的充電效率；超級電容放電時，放電電流會隨著其端電壓的下降而減小，此時可以控制雙向DC/DC變換器進行升壓放電，提高超級電容的放電深度。

(2)斬波器。各機構電機由斬波器進行控制。DSP通過采集各機構電機的電壓和電流，通過控制斬波器的占空比，在各機構電機啟動和制動時實現電機的軟啟停，在某些工況下可適當調節電動機的轉速來適應工況的需要。

(3)勵磁控制器。在能量反饋工況(起升機構下放貨物和變幅機構增幅)時，貨物和臂架的勢能通過電機轉化成電能。隨著超級電容端電壓的升高，電機電樞電流會逐漸減小，制動力矩也會減小，為保證安全，需要適當增大勵磁電流。DSP通過對采集的電信號進行分析計算，然后控制勵磁控制器輸出相應的勵磁電流。

節能系統的控制原理見圖8。DSP通過將PLC采集的信號(發電機輸出電壓、發電機勵磁電流、超

圖8 節能系統原理圖

級電容端電壓、超級電容電流、起升電機2勵磁電流等)進行運算，對勵磁控制器、雙向DC/DC變換器、直流斬波器等裝置輸出控制信號。其中PLC根據起重機的運行狀態，通過控制接觸器開關來控制超級電容和能耗電阻與起升電機和變幅電機之間的連接和斷開。具體情況是：當起重機處于起升機構下降工況，若超級電容此時電荷量未滿(即SOC<100%)時，則PLC控制起升電機2與超級電容連接，進行充電；當超級電容電荷量已滿(即SOC=100%)時，PLC控制起升電機2與超級電容斷開，與能耗電阻連接，改為能耗制動方式。當起重機處于變幅機構增幅工況時，PLC的控制方式與起升機構類似，在此不再贅述。

4 結語

本文對輪胎式起重機的節能方式進行了探討，在簡要介紹輪胎式起重機的結構，分析輪胎式起重機起升機構、變幅機構工作中能量轉換特性的基礎上，提出了基于超級電容的混合動力系統節能的初步方案，對節能系統提出了控制方案，設計了基于PLC和DSP的聯合控制系統。分別制訂了柴油機、電動機和超級電容在各個工況下的控制策略。該方案不局限于直流動力系統，加上整流逆變環節后也適用于交流動力系統。

[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，張天彤．3種型式起重機在風電場設備安裝中性能的比較[J]．工程機械與維修，2013(5):156-158.

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

龐利寶： 430000，湖北省武漢市江岸區沿江大道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