液壓挖掘機(jī)及其節(jié)能技術(shù)的研究

石昌沅

（青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第一中學(xué)，山東 青島 266555）

液壓挖掘機(jī)及其節(jié)能技術(shù)的研究

石昌沅

（青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第一中學(xué)，山東 青島 266555）

伴隨著我國重型工業(yè)的迅速發(fā)展，各種類型的重型工程機(jī)械層出不窮，其數(shù)量迅速增加，廣泛應(yīng)用于市政、交通、土木建設(shè)，搬運(yùn)、裝配、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域，其應(yīng)用中存在一些問題。由于自身結(jié)構(gòu)及工況的要求，大多數(shù)工程機(jī)械工作時(shí)所消耗的能源大，并且能源不完全燃燒產(chǎn)生的有害氣體、粉塵對環(huán)境造成影響。本文通過對典型的重型機(jī)械——挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作情況進(jìn)行分析，進(jìn)而介紹了目前較為先進(jìn)的幾種重型機(jī)械能量回收系統(tǒng)。

工程機(jī)械；結(jié)構(gòu)；能量回收；環(huán)境保護(hù)

有研究表明，制造業(yè)對我國GDP的貢獻(xiàn)率高達(dá)45%。由此可以看出，制造業(yè)作為支柱性產(chǎn)業(yè)，是國家綜合國力和國際競爭力的體現(xiàn)。

我國作為世界上最大的發(fā)展中國家，自改革開放以來，在重型工業(yè)領(lǐng)域尤其是制造業(yè)取得了一系列輝煌的成就。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國工程裝備行業(yè)市場在2004年僅占世界市場的12.5%，而僅僅經(jīng)過3年的發(fā)展，占有率達(dá)到24.5%，增幅高達(dá)90%以上。

1 挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

工程機(jī)械即是用來完成各種施工工程的機(jī)器和設(shè)備，作為國家重型工業(yè)的重要組成部分，在我國的軌道交通、土木建筑、市政建設(shè)、公路橋梁等領(lǐng)域發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用。工程機(jī)械的分類具有多重標(biāo)準(zhǔn)，一般按照其功用可大致分為鏟土運(yùn)輸機(jī)械、挖掘機(jī)械、路面壓實(shí)機(jī)械、樁工機(jī)械、起重機(jī)械、隧道施工機(jī)械等。而挖掘類機(jī)械作為最常見的工程機(jī)械，對其結(jié)構(gòu)有所了解是非常必要的。

挖掘機(jī)按照其大小和噸位的不同，一般分為大型挖掘機(jī)、中型挖掘機(jī)和小型挖掘機(jī)三種，而無論哪一種挖機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)一般均包括工作時(shí)動(dòng)作的執(zhí)行裝置、移動(dòng)時(shí)動(dòng)作的行走裝置以及可以進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)平臺三部分。

1.1 行走裝置

行走裝置即通常所說的底盤機(jī)構(gòu)，其作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力傳遞至底盤上的驅(qū)動(dòng)輪，使之轉(zhuǎn)變?yōu)檎麢C(jī)的牽引力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。

行走裝置一般由車架總成和“四輪一帶”機(jī)構(gòu)組成。車架總成即為履帶行走支架總成，是由多片鋼板經(jīng)焊接而成，由于要求其具備良好的承載能力，因此對其材料的強(qiáng)度、剛度等有一定要求。車架總成一般采用X形結(jié)構(gòu)，由左、右履帶架和中間架三部分組成，總重量約為2噸左右，因型號不同而有所差異。

“四輪一帶”行走機(jī)構(gòu)是支重輪、托鏈輪、導(dǎo)向輪、驅(qū)動(dòng)輪和履帶幾部分的總稱。支重輪位于車架總成下方，其作用是將整機(jī)的重量均勻的傳遞至履帶，使履帶能夠安全的通過各種復(fù)雜地形，其數(shù)量的多少由挖掘機(jī)履帶局部接地比壓決定；托鏈輪位于左、右履帶架上方，顧名思義，其作用就是將上側(cè)的履帶托起，其個(gè)數(shù)以在運(yùn)行過程中不出現(xiàn)卡鏈現(xiàn)象為準(zhǔn)；導(dǎo)向輪固定于左、右側(cè)履帶架的前側(cè)，其后側(cè)由采用了黃油缸的壓緊裝置所固定，起到為整機(jī)導(dǎo)向的作用，同時(shí)，配合驅(qū)動(dòng)輪將履帶固定于履帶架上；驅(qū)動(dòng)輪為上述各輪中最為重要的，位于左、右側(cè)履帶架后側(cè)，該機(jī)構(gòu)能將驅(qū)動(dòng)馬達(dá)傳遞出的動(dòng)力進(jìn)行減速、增扭，傳遞至履帶從而驅(qū)動(dòng)整機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。左、右兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪固定在兩個(gè)相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)之上，通過控制兩個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速就能實(shí)現(xiàn)整機(jī)的轉(zhuǎn)向。

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

工程機(jī)械的主要作用就是為了在工程建設(shè)、施工過程中實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作，而為了達(dá)到此目的主要依賴執(zhí)行機(jī)構(gòu)。就挖掘機(jī)而言，常見的工作裝置分為兩種：正鏟裝置和反鏟裝置。正鏟和反鏟裝置最大的區(qū)別是工作形式的不同，正鏟裝置采用“前進(jìn)向上，強(qiáng)制切土”的方式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由靠近履帶的位置向外運(yùn)動(dòng)；反鏟裝置采用“后退向下，強(qiáng)制切土”的方式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由遠(yuǎn)側(cè)向履帶前側(cè)運(yùn)動(dòng)。正鏟挖掘機(jī)與反鏟挖掘機(jī)相比，其斗容量更大，因此更適合裝卸運(yùn)輸作業(yè)，而反鏟挖掘機(jī)更適合于挖掘與鏟土作業(yè)。然而無論是什么形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)是相同的，均包括動(dòng)臂、斗桿、鏟斗及相應(yīng)的油缸和液壓管路。動(dòng)臂裝置是直接鉸接于底盤機(jī)構(gòu)前側(cè)上的結(jié)構(gòu)，有固定式和浮動(dòng)式兩種安裝方式，長度一般較長且有一定的彎曲，其動(dòng)作由鉸接于動(dòng)臂與機(jī)架之上的動(dòng)臂油缸所控制。動(dòng)臂油缸一般為一個(gè)或者兩個(gè)，在動(dòng)臂油缸伸出時(shí)，動(dòng)臂向上抬升，反之下降。斗桿裝置鉸接于動(dòng)臂末端，其結(jié)構(gòu)形式一般為直臂，長度與動(dòng)臂相比略短，其動(dòng)作由鉸接與其上和動(dòng)臂上方的斗桿液壓缸所控制，油缸伸出時(shí)斗桿向靠近挖掘機(jī)的一側(cè)收回，反之伸出。斗桿機(jī)構(gòu)是進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)的主要工作裝置。鏟斗裝置即位于整機(jī)最前側(cè)的挖斗，鉸接于斗桿末端，由鏟斗外側(cè)鉸接的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鏟斗的翻轉(zhuǎn)。由于鏟斗裝置在工作時(shí)直接與地面接觸，因此對制造鏟斗及鏟齒的材料的強(qiáng)度、剛度、疲勞強(qiáng)度均有一定的要求，此外，還需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻鏌崽幚怼?/p>

1.3 回轉(zhuǎn)平臺

回轉(zhuǎn)平臺即承載了司機(jī)室、發(fā)動(dòng)機(jī)、配重等部分，且能夠360度回轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。通過設(shè)置在回轉(zhuǎn)平臺中央的回轉(zhuǎn)接頭，可以將回轉(zhuǎn)平臺上安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)所輸出的動(dòng)力經(jīng)多種液壓管路傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)以及回轉(zhuǎn)平臺自身。隨著工人對工作環(huán)境要求的提高，當(dāng)前市面上生產(chǎn)銷售的挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)平臺大都具備有空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)也搭載于回轉(zhuǎn)平臺之上。其主要部分包括壓縮機(jī)總成、冷凝器、蒸發(fā)器以及配套的管路和電氣系統(tǒng)。

2 能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 背景概述

當(dāng)今世界，環(huán)境已成為發(fā)展必須考慮的因素之一，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造必須要考慮對環(huán)境的適應(yīng)性、對能源的要求，因此，開發(fā)研制環(huán)境友好型產(chǎn)品是工程機(jī)械今后發(fā)展的大勢所趨。另外，避免虧損，新技術(shù)的運(yùn)用是關(guān)鍵所在。

就挖掘機(jī)而言，采用能量回收系統(tǒng)的好處不僅僅能提高對能源的利用率、減少不完全燃燒氣體排放對環(huán)境的污染，更重要的是能帶來一系列降低成本的影響，因此，受到了各大采購商的極大關(guān)注。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，工程機(jī)械中出現(xiàn)故障最多的為液壓系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)，而在采取節(jié)能技術(shù)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)效率可以得到充分的發(fā)揮，及時(shí)與負(fù)載進(jìn)行匹配，同時(shí)，在液壓系統(tǒng)上功率的損失也會(huì)大大減少，從而降低了這兩個(gè)系統(tǒng)的工作強(qiáng)度，達(dá)到降低故障發(fā)生率、減少維修成本的效果。能量在液壓系統(tǒng)上的損失主要表現(xiàn)為液壓系統(tǒng)管路和液壓元器件的發(fā)熱，這對整個(gè)設(shè)備工作的可靠性和使用壽命有很大的影響，因此，能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

2.2 能量回收系統(tǒng)分析

液壓挖掘機(jī)作為大型工程機(jī)械，其各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)均具備很大的質(zhì)量，而挖掘機(jī)在正常的工作循環(huán)中，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)均會(huì)經(jīng)歷上升和下降的過程，在下降的過程中大量的重力勢能會(huì)被釋放，若不對這些能量進(jìn)行回收和再利用，就會(huì)引起系統(tǒng)的發(fā)熱及各元器件的損耗，而能量回收系統(tǒng)就是為此而設(shè)計(jì)。

（1）無儲能元件型裝置。能量回收裝置根據(jù)其元器件類型可分為儲能元件型和無儲能元件型。無儲能元件型一般采用多路液壓閥門對能量進(jìn)行回收，由于該系統(tǒng)無法將回收的能量傳遞給其他儲能元件進(jìn)行，因此只能通過液壓沖擊產(chǎn)生的消耗進(jìn)行自身消耗，故能量回收率較低，效果也很有限，所以此類型能量回收系統(tǒng)不適合中、大型挖掘機(jī)中較大能量的回收。

（2）有儲能元件型裝置。有儲能元件型能量回收裝置可將能量回收儲存在自身的儲能元件中，受外部環(huán)境和工況的影響較小，且能量回收效率高、可儲存大量能量。有儲能元件型能量回收裝置根據(jù)其回收得到的能量的類型分為三類：機(jī)械儲能型、電儲能型以及液壓儲能型。機(jī)械儲能式能量回收裝置根據(jù)儲能元件不同可分為多種，而目前運(yùn)用最為廣泛的即為飛輪式儲能裝置，其工作原理是將挖掘機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在下降過程中釋放的大量重力勢能轉(zhuǎn)換為飛輪高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上升時(shí)再將飛輪的動(dòng)能釋放轉(zhuǎn)化為其上升的驅(qū)動(dòng)力。該類能量回收裝置工作原理簡單、成本較低、簡單可行，只是其實(shí)際能量回收效率并不高，而且飛輪的重量和體積均較大，在工作過程中也會(huì)消耗大量能量。

液壓式儲能裝置其工作原理類似于機(jī)械儲能裝置，即將執(zhí)行機(jī)構(gòu)依靠自重下降時(shí)產(chǎn)生的勢能通過液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為液壓能進(jìn)行儲存，一般通過液壓蓄能器作為儲能元件。根據(jù)蓄能器工作原理的不同，可將其分為彈簧式、活塞式、氣囊式、隔膜式、充氣式等。液壓儲能式回收裝置不需要多種復(fù)雜的元件、結(jié)構(gòu)簡單，能夠長期而較為有效的儲存能量，而且具備快速響應(yīng)特性，即在需要吸收和釋放能量能夠快速滿足整機(jī)要求。其不足在于在能量回收過程中能量消耗較大，且對液壓元器件密封性要求很高，因此成本較高。

電儲能式能量回收裝置是前兩種回收方式的改進(jìn)，是通過機(jī)械機(jī)構(gòu)或液壓系統(tǒng)將回收的勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能之后，再通過發(fā)電機(jī)將能量轉(zhuǎn)化為電能形式存儲在蓄電池中，在需要時(shí)根據(jù)挖掘機(jī)的核心控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和分配繼而釋放。該類裝置優(yōu)點(diǎn)突出，能量存儲密度高、體積小，在新能源及混合動(dòng)力車輛上得到了廣泛的應(yīng)用。其不足在于該類裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不僅需要傳統(tǒng)的能量回收裝置，還需要與其配套的挖掘機(jī)及蓄電池，導(dǎo)致其成本較高、維修復(fù)雜，但其發(fā)展前景依舊十分廣闊。

3 結(jié)語

本文對國內(nèi)工程機(jī)械市場發(fā)展所遭遇的困境和發(fā)展方向進(jìn)行簡要概述，說明了液壓挖掘機(jī)采用能量回收系統(tǒng)的意義及必要性。液壓挖掘機(jī)采用新型的能量回收系統(tǒng)，不僅有利于能量的再次利用，減少有害氣體的排放，符合發(fā)展環(huán)保型工業(yè)的大方向，而且能幫助各大裝備制造集團(tuán)脫穎而出，以較低的能量消耗和生產(chǎn)成本來吸引來自各方買家的注意力。

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TU621

A

1671-0711（2017）12（上）-0082-03