液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)能效特性研究

王翔宇 葛 磊 趙 斌 郝云曉 權(quán) 龍 穆曉鵬

(太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院， 太原 030024)

0 引言

礦用電鏟是大型露天礦山開采的重要裝備，作業(yè)中，鏟斗在提升與推壓機(jī)構(gòu)的復(fù)合作用下裝載物料，提升機(jī)構(gòu)將鏟斗提升至卸載高度，與此同時(shí)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)上部車體回轉(zhuǎn)至卸料位置，卸料完成后，鏟斗在提升機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的協(xié)同作用下回落到初始位置。作業(yè)中，大質(zhì)量的斗桿與鏟斗(統(tǒng)稱“工作裝置”)在提升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下頻繁升降[1]。工作裝置下降時(shí)，提升電機(jī)在重力勢(shì)能的驅(qū)動(dòng)下處于發(fā)電工況，為控制工作裝置下降的速度，一般通過制動(dòng)電阻產(chǎn)生制動(dòng)扭矩，將提升電機(jī)發(fā)出的電能以熱能的形式消耗掉，造成大量的能量浪費(fèi)。

提升電機(jī)更多工作在低負(fù)荷狀態(tài)，按峰值功率配置電動(dòng)機(jī)將使電機(jī)長時(shí)間工作在低效率工況。因此，在保證正常生產(chǎn)效率的前提下，回收利用電鏟工作裝置的重力勢(shì)能，降低提升電機(jī)的裝機(jī)功率，將極大地降低電鏟能耗和生產(chǎn)成本。

為了利用電鏟工作裝置的重力勢(shì)能，太原重工股份有限公司申請(qǐng)了電鏟交流變頻調(diào)速裝置及其控制系統(tǒng)的發(fā)明專利，工作裝置下降時(shí)，提升電機(jī)發(fā)出的電通過共用直流母線驅(qū)動(dòng)其他電機(jī)，多余部分回饋到電網(wǎng)[2]；尹喜云等[3]研制了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)能量回饋裝置，將電鏟工作裝置下降過程中提升電機(jī)發(fā)出的電能直接回饋到電網(wǎng)；VALENZUELA等[4]對(duì)電鏟饋電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，采用饋電方式可使電鏟節(jié)能約25%。

文獻(xiàn)[5-10]采用超級(jí)電容代替制動(dòng)電阻，將工作裝置下降過程中提升電機(jī)發(fā)出的電能存儲(chǔ)到超級(jí)電容。另外， SHI 等[11]通過優(yōu)化鏟斗結(jié)構(gòu)，降低挖掘阻力，提高電鏟作業(yè)能效；FRIMPONG等[12-13]通過識(shí)別鏟斗切入角、運(yùn)行速度與挖掘阻力的動(dòng)態(tài)關(guān)系，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化及減小質(zhì)量提供依據(jù)；ABDOL 等[14]通過動(dòng)力學(xué)仿真，確定了電鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)和鏟斗有效載荷的關(guān)系，對(duì)電鏟結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了生產(chǎn)效率；文獻(xiàn)[15-16]提出一種具有雙斗桿形式的電鏟工作機(jī)構(gòu)，提高了電鏟工作裝置的自由度，降低了挖掘阻力與能耗； BROWN 等[17]分析了電鏟和礦用自卸車對(duì)露天礦生產(chǎn)力的影響，總結(jié)了提高生產(chǎn)效率的方法；STAVROPOULOU[18]建立了電鏟挖掘力與能耗的數(shù)學(xué)模型，為電鏟軌跡優(yōu)化及能耗分析提供了依據(jù)；AWUAH-OFFEI等[19-20]研究了電鏟推壓和提升速度對(duì)挖掘效率的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[21-22]以挖掘單位物料能耗最低為準(zhǔn)則，對(duì)電鏟軌跡控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

上述研究工作，向電網(wǎng)饋電，提升電機(jī)發(fā)出的電能需經(jīng)有源逆變電路才能回饋到高壓電網(wǎng)，對(duì)于高壓電機(jī)，其技術(shù)復(fù)雜、成本高，還會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾；超級(jí)電容儲(chǔ)能，需要大量超級(jí)電容串并聯(lián)組合，并經(jīng)DC轉(zhuǎn)DC升壓才能用于高壓大容量設(shè)備的能量回收。此外，這兩種方案都存在電動(dòng)機(jī)發(fā)電工況時(shí)效率較低[23]、不能降低提升電機(jī)裝機(jī)功率的問題。電鏟結(jié)構(gòu)與軌跡優(yōu)化方法節(jié)能效果有限，也易受外界環(huán)境變化的影響[24]。

為克服現(xiàn)有方法的不足，充分利用電鏟工作裝置的重力勢(shì)能，本文提出提升電機(jī)同軸連接液壓泵/馬達(dá)的液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)。首先，闡述液電混合的電鏟提升驅(qū)動(dòng)方案工作原理；搭建原理試驗(yàn)臺(tái)，驗(yàn)證液電混合提升驅(qū)動(dòng)方案的有效性；最后，借鑒團(tuán)隊(duì)已有成熟的數(shù)字樣機(jī)建模理論和方法[25-28]，構(gòu)建電鏟整機(jī)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型，以驗(yàn)證新系統(tǒng)的運(yùn)行和能耗特性。

1 工作原理

1.1 電鏟工作原理

圖1為電鏟組成簡圖，主要包括動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)和行走裝置。電鏟的主要功能是裝載爆破后的礦石等物料，并將物料裝入礦用自卸車內(nèi)。其作業(yè)過程包括裝載提升、回轉(zhuǎn)、開斗卸載、下降返回4個(gè)階段。當(dāng)電鏟處于裝載提升階段時(shí)，提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒上的鋼絲繩提升工作裝置，推壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)斗桿伸出，調(diào)整切入深度，此階段，提升電機(jī)對(duì)外做功，消耗電能。當(dāng)工作裝置卸載物料后下降時(shí)，工作裝置的重力驅(qū)動(dòng)提升電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，推壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)斗桿縮回，調(diào)整斗桿位置，使工作裝置回到初始姿態(tài)。

圖1 電鏟結(jié)構(gòu)組成簡圖Fig.1 Composition and structure diagram of cable shovel1.行走裝置 2.回轉(zhuǎn)平臺(tái) 3.A型架 4.繃?yán)K 5.動(dòng)臂 6.天輪 7.提升繩 8.吊環(huán) 9.物料 10.鏟斗 11.推壓輪 12.鞍座 13.斗桿

在下降過程中，提升電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)制動(dòng)電阻轉(zhuǎn)換為熱能耗散掉，不僅造成大的能源浪費(fèi)，還需增設(shè)散熱系統(tǒng)，進(jìn)一步增加了機(jī)器的能耗。

1.2 液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)

液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)工作原理如圖2所示。在原提升電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上增設(shè)一套液壓泵/馬達(dá)，并增設(shè)液壓蓄能器及相應(yīng)控制閥組。系統(tǒng)中，液壓蓄能器的油口、溢流閥進(jìn)油口與液壓泵/馬達(dá)的出油口經(jīng)過控制閥連接，液壓泵/馬達(dá)的進(jìn)油口、溢流閥出油口均連接到油箱。提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸一端通過減速器與滾筒連接，另一端與液壓泵/馬達(dá)連接。

圖2 液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Working principle of hydraulic-electric hybrid drive lifting system of cable shovel1.液壓泵/馬達(dá) 2.蓄能器 3.變頻器 4.功率儀 5.電鏟節(jié)能控制系統(tǒng) 6.減速器 7.滾筒 8.重物 9.配重 10.主電機(jī)

圖3 驅(qū)動(dòng)過程液壓泵/馬達(dá)運(yùn)行工況Fig.3 Operating conditions of hydraulic pump/motor

首先在液壓蓄能器中存入一定量的液壓油，使其壓力經(jīng)過液壓泵/馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩基本平衡電鏟工作裝置自重產(chǎn)生的扭矩。當(dāng)工作裝置下放時(shí)，如圖3a所示，液壓泵/馬達(dá)處于“泵”工況，將液壓油箱中的油液泵入蓄能器中，從而回收工作裝置的重力勢(shì)能。考慮到系統(tǒng)安裝空間限制，蓄能器容積不能過大，即在能量回收過程中，蓄能器壓力可能高于溢流閥調(diào)定壓力，此時(shí)控制圖2中二位三通閥工作于左位，液壓系統(tǒng)不再回收能量。當(dāng)提升工作裝置時(shí)，如圖3b所示，控制器發(fā)出信號(hào)使二位三通閥工作于右位，蓄能器釋放高壓油，此時(shí)液壓泵/馬達(dá)輸出扭矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速方向相同，處于“馬達(dá)”工況，為提升電機(jī)提供輔助力矩，降低提升電機(jī)峰值功率，同時(shí)利用存儲(chǔ)的重力勢(shì)能。

2 系統(tǒng)驗(yàn)證

礦用電鏟的體積與質(zhì)量很大，若直接在電鏟上進(jìn)行試驗(yàn)，成本高，難度大。本文首先建立能反映液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)工作特性的原理試驗(yàn)臺(tái)，以證明所提方案的有效性，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建電鏟整機(jī)的多學(xué)科聯(lián)合仿真模型，對(duì)采用混合驅(qū)動(dòng)方案的電鏟進(jìn)行分析。根據(jù)圖2所示驅(qū)動(dòng)原理，構(gòu)建的提升系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。并將該原理試驗(yàn)臺(tái)安裝在33層高的樓宇中，用于驅(qū)動(dòng)樓宇電梯，在多種負(fù)載情況下，開展系統(tǒng)的節(jié)能和運(yùn)行特性測(cè)試。

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware structure of test bench1.控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 2.減速器 3.液壓泵/馬達(dá) 4.功率儀 5.曳引機(jī) 6.電梯間和負(fù)載 7.蓄能器 8.壓力傳感器

試驗(yàn)中，采用的液壓蓄能器體積相對(duì)較小，能量回收和釋放過程中，蓄能器內(nèi)油液快速充滿和釋放完畢，導(dǎo)致回收的能量相對(duì)有限。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖5所示，蓄能器內(nèi)油液壓力快速下降，節(jié)能效果逐漸降低。從圖5可以看出，采用新的液電混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)消耗的峰值功率從7.7 kW降至4.8 kW，峰值功率降低達(dá)37.7%。

圖5 試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test result of test bench

分別給試驗(yàn)系統(tǒng)加載質(zhì)量100、300、700、900 kg的重物，并進(jìn)行提升與下放試驗(yàn)，得到各負(fù)載工況電機(jī)能耗如表1所示。由表1可知，采用液電混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能使電機(jī)能耗平均降低約12%。

由圖5和表1可知，本文所提方案可以有效降低純電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的峰值功率和平均功率，達(dá)到了所提方案節(jié)能的目標(biāo)。

表1 純電驅(qū)電機(jī)與液電混合驅(qū)動(dòng)提升系統(tǒng)能耗對(duì)比Tab.1 Energy consumption of purely electric drive lifting system and hydraulic-electric hybrid drive lifting system

3 液電混合系統(tǒng)建模

前文利用所搭建的原理試驗(yàn)臺(tái)對(duì)所提液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，與實(shí)際電鏟提升系統(tǒng)不同，電鏟提升和下降過程負(fù)載是變化的。借鑒研究團(tuán)隊(duì)成熟的數(shù)字樣機(jī)建模原理和方法[25-28]，建立液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)的機(jī)電液聯(lián)合仿真模型，對(duì)電鏟工作過程進(jìn)行仿真研究。

3.1 機(jī)械系統(tǒng)建模

3.1.1提升機(jī)構(gòu)受力分析

圖6為斗桿鏟斗組件受力分析圖。斗桿鏟斗組件主要受力為鏟斗齒尖的挖掘阻力Fτ、Fn，斗桿與鏟斗的重力Gdg、Gcd，斗內(nèi)物料的重力Gw，提繩對(duì)斗桿提升力Fs，推壓齒輪對(duì)斗桿的推壓力Ft以及支撐力Fz。

圖6 斗桿與鏟斗受力分析圖Fig.6 Force analysis of bucket rod and bucket assembly

根據(jù)靜力學(xué)平衡原理，將斗桿與鏟斗組件所受到的所有外力對(duì)斗桿與推壓齒輪瞬時(shí)嚙合點(diǎn)D取矩，可得

∑MD(Fi)=0

(1)

將各變量代入式(1)，可得提升力為

Fs=[FτlDE-FτnlAE-(Gcd+Gw)(lC2Ncosθ1-lDNsinθ1)+
Gdg(lDMsinθ1+lC1Mcosθ1)]/(lDHcosθ2+lBHsinθ2)

(2)

將斗桿和鏟斗所受的力向斗桿中心線投影，即

∑Fi=0

(3)

將各變量代入式(3)，可得推壓力

Ft=Fssinθ2+Fn-(Gdg+Gcd+Gw)cosθ1

(4)

由式(2)、(4)可知，在計(jì)算提升力與推壓力的過程中均包含外部載荷項(xiàng)，其主要包括齒尖挖掘阻力和斗內(nèi)物料重力。為了簡化運(yùn)算，采用較成熟的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算挖掘阻力，將齒尖阻力分為切向阻力和法向阻力，即

(5)

其中

C=(ywi+1-yAi+1)sinφ=(ywi+1-yAi+1)cosβ

(6)

式中σw——掘阻力比,由物料決定

b——鏟斗寬度C——切削厚度

ψ——比例系數(shù)

φ——物料傾斜面與水平方向的夾角

β——物料傾斜面與垂直方向的夾角

切削厚度是指齒尖與物料表面的直線距離，如圖6所示。

斗內(nèi)物料重力計(jì)算式為

Gw=kρSb

(7)

式中k——實(shí)際裝入鏟斗體積與挖掘物料體積的比值，取0.90～0.93

ρ——物料密度

S——軌跡曲線在料堆中掃過的面積

按照?qǐng)D7所示，計(jì)算齒尖軌跡曲線掃過的面積S時(shí)，可以將齒尖軌跡離散化，通過累積每一個(gè)小四邊形ywi+1ywiyAiyAi+1的面積求得

(8)

圖7 挖掘阻力分析原理圖Fig.7 Analysis of excavation resistance

3.1.2提升機(jī)構(gòu)能耗模型

設(shè)Es為電鏟工作裝置在升降過程中所需要的能量，其計(jì)算公式為

(9)

式中vQ——鏟斗運(yùn)行速度

3.2 電氣系統(tǒng)建模

電鏟提升電動(dòng)機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，假設(shè)提升電機(jī)的電動(dòng)效率為η1,發(fā)電效率為η2，提升電機(jī)在提升與下放鏟斗時(shí)消耗與發(fā)出電能分別為

(10)

(11)

式中Ee1——提升電機(jī)消耗的電能

Ee2——提升電機(jī)提供的電能

Es1——斗桿和鏟斗上升時(shí)所需的機(jī)械能

Es2——斗桿和鏟斗下降時(shí)回收的機(jī)械能

Te——提升電機(jī)的負(fù)載扭矩

ωlift——上升過程中電機(jī)角速度

ωfall——下降過程中電機(jī)角速度

電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電鏟提升斗桿與鏟斗時(shí)，提升電機(jī)的平均功率與峰值功率分別為

(12)

(13)

式中tlift——電鏟上升時(shí)電機(jī)工作時(shí)間

3.3 液電混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模

圖8 電鏟機(jī)電液聯(lián)合仿真模型Fig.8 Electro-hydraulic joint simulation model of cable shovel

為便于分析，忽略液壓系統(tǒng)泄漏及液壓泵/馬達(dá)的效率，工作裝置下放過程中存入蓄能器內(nèi)的壓力能為

Ep=Ee3+Es2

(14)

式中Ee3——斗桿和鏟斗下放時(shí)電機(jī)輸出的機(jī)械能

電鏟工作裝置上升時(shí)，蓄能器釋放壓力能，液壓泵/馬達(dá)與提升電機(jī)共同提升工作裝置，提升電機(jī)消耗的電能E′e1及瞬時(shí)功率P′分別為

(15)

(16)

式中Ppump/motor——液壓泵/馬達(dá)的功率

液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)的提升電機(jī)在工作裝置一個(gè)上升與下降周期內(nèi)，消耗的總電能為

(17)

在提升工作裝置時(shí)，提升電機(jī)的平均功率與峰值功率分別為

(18)

(19)

對(duì)比式(10)、(13)、(15)、(17)、(19)，可得出

P′max

(20)

E′e1

(21)

(22)

由理論分析可知，相對(duì)于純電驅(qū)電鏟提升系統(tǒng)，液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)能夠有效降低電鏟提升電機(jī)的能耗和峰值功率。

3.4 液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

借鑒研究團(tuán)隊(duì)的數(shù)字樣機(jī)建模經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建圖8所示的液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型。首先，構(gòu)建能反映電鏟真實(shí)物理結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特征的多體動(dòng)力學(xué)模型；其次，建立電鏟齒尖阻力與物料重力的計(jì)算模型，分別作用于鏟斗齒尖與鏟斗中心處；接著，根據(jù)已知參數(shù)建立電鏟各驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其交流變頻控制系統(tǒng)仿真模型；在此基礎(chǔ)上，增設(shè)液壓泵/馬達(dá)和蓄能器及其相應(yīng)的控制閥組成液電混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；最后，將液壓節(jié)能系統(tǒng)中的液壓泵/馬達(dá)與電鏟的提升電機(jī)同軸連接，構(gòu)成電鏟機(jī)電液聯(lián)合仿真模型。

考慮到礦用電鏟提升系統(tǒng)的外部負(fù)載(即提升力)的變化范圍較大，為了盡可能多地回收電鏟工作裝置的重力勢(shì)能，且避免在工作裝置上升階段，由于液壓泵/馬達(dá)輸出的扭矩過大，甚至超出了提升工作裝置所需扭矩，而導(dǎo)致提升電機(jī)處于發(fā)電工況，因此本文的液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)中的液壓泵/馬達(dá)采用變量液壓泵/馬達(dá)，其排量根據(jù)不同的工況變化，以適應(yīng)不同的扭矩需求，根據(jù)作業(yè)中系統(tǒng)壓力和扭矩需求，確定液壓泵/馬達(dá)最大排量為1 000 mL/r。

4 仿真分析

利用所建立的液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟機(jī)電液聯(lián)合仿真模型，首先，對(duì)液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟空斗下降與滿載提升過程進(jìn)行仿真，分析系統(tǒng)的節(jié)能性；然后，分析儲(chǔ)能元件蓄能器關(guān)鍵參數(shù)對(duì)液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)的影響。

圖9為電鏟工作裝置在下降與提升過程中的外部負(fù)載曲線，包括齒尖切向阻力、齒尖法向阻力與物料阻力。由圖可知，在電鏟工作裝置空斗下降階段(0～10 s)，齒尖阻力與物料阻力均為零；在電鏟工作裝置提升階段(11～25 s)，齒尖最大切向阻力約為380 kN，最大法向阻力約125 kN，物料阻力隨著工作裝置上升逐漸增大，最大值約75 kN。

圖9 外部載荷Fig.9 External load

圖10為電鏟工作裝置在下降與提升過程中的提升力與推壓力的變化曲線。由圖可知，在工作裝置升降過程中，提升力與推壓力變化趨勢(shì)基本相同。在工作裝置上升時(shí)，提升力始終為正值，最大值為792 kN；推壓力的作用逐漸由平衡斗桿與鏟斗的重力轉(zhuǎn)換為推動(dòng)斗桿與鏟斗向物料內(nèi)部挖掘，故推壓力由負(fù)值變?yōu)檎担畲笳蛲茐毫?96 kN。在工作裝置下降過程中，為平衡斗桿與鏟斗的重力，推壓力始終為負(fù)值。

圖10 提升力和推壓力變化曲線Fig.10 Force of hoisting and crowding

圖11為電鏟工作裝置在下降與提升過程中的液壓泵/馬達(dá)排量變化曲線。由圖可知，在工作裝置下降過程中，液壓泵/馬達(dá)的排量恒定為875 mL/r。在工作裝置提升過程中，在開始提升階段，由于齒尖挖掘阻力較小，提升工作裝置所需的力矩較小，因此液壓泵/馬達(dá)采用小排量并輸出較小的輔助扭矩，其排量僅為250 mL/r；在提升中間階段，隨著鏟斗深入物料進(jìn)行挖掘，齒尖挖掘阻力逐漸增大，提升工作裝置所需的力矩較大，輸出最大扭矩，此時(shí)將液壓泵/馬達(dá)的排量變?yōu)? 000 mL/r，蓄能器通過液壓泵/馬達(dá)輔助提升電動(dòng)機(jī)提升；在提升末尾階段，工作裝置提升逐漸達(dá)到卸載高度，提升工作裝置所需的力矩較小，此時(shí)液壓泵/馬達(dá)的排量變?yōu)?50 mL/r，輸出較小的輔助扭矩。

圖11 液壓泵/馬達(dá)排量變化曲線Fig.11 Displacement of hydraulic pump/motor

圖12為純電驅(qū)電鏟與液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)工作裝置下降與提升過程中的電機(jī)功率及蓄能器壓力對(duì)比曲線。由圖可知，在下降階段，純電驅(qū)電鏟系統(tǒng)中的提升電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，最大發(fā)電功率為262 kW，對(duì)功率曲線積分得整個(gè)下放過程產(chǎn)生的電能為1 074 kJ。而在液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟系統(tǒng)中，由于與提升電機(jī)相連的液壓泵/馬達(dá)始終為電機(jī)提供負(fù)載扭矩，此過程中該電機(jī)一直處于電動(dòng)狀態(tài)，并且由于該扭矩的存在，使得電鏟工作裝置僅靠斗桿與鏟斗的重力無法實(shí)現(xiàn)正常下放，需要提升電機(jī)輸出額外的功率以實(shí)現(xiàn)液壓泵/馬達(dá)與提升滾筒之間的力矩平衡，使得提升電機(jī)產(chǎn)生300 kW的峰值電動(dòng)功率，工作裝置的重力勢(shì)能和提升電機(jī)輸出的機(jī)械能通過液壓泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)換為蓄能器內(nèi)的壓力能，蓄能器內(nèi)壓力由20.5 MPa升高至28.5 MPa。

圖12 提升電機(jī)功率及蓄能器壓力變化曲線Fig.12 Power of hoisting motor and pressure in accumulator

在提升階段，純電驅(qū)電鏟提升系統(tǒng)工作裝置中電機(jī)的峰值功率約為600 kW；而在液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)中，蓄能器內(nèi)的高壓油液驅(qū)動(dòng)液壓泵/馬達(dá)，與提升電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)滾筒，提升電機(jī)峰值功率約為380 kW，較純電驅(qū)電鏟系統(tǒng)峰值功率可降36.7%，在此過程中蓄能器的壓力從28.5 MPa降為20.5 MPa。分別對(duì)純電驅(qū)系統(tǒng)和混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)功率曲線進(jìn)行積分計(jì)算可得，在電鏟工作裝置的一個(gè)上升和下降循環(huán)中，純電驅(qū)電鏟提升系統(tǒng)中電機(jī)消耗電能4 332 kJ，而液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)電機(jī)僅消耗電能3 048 kJ，可節(jié)約能耗29.6%。

5 蓄能器參數(shù)對(duì)混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)的影響

蓄能器作為液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)的關(guān)鍵儲(chǔ)能元件，其存儲(chǔ)和釋放能量特性與初始?jí)毫腿莘e等參數(shù)有關(guān)，且蓄能器的工作特性直接影響電鏟提升系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)與二次利用效率。為此，對(duì)系統(tǒng)在不同蓄能器初始?jí)毫腿莘e時(shí)的能效特性進(jìn)行研究，為所提系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

5.1 蓄能器初始?jí)毫?/h3>

為研究蓄能器初始?jí)毫?duì)液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)能效特性的影響，分別對(duì)蓄能器初始?jí)毫?9、20、21、22 MPa時(shí)的電鏟工作裝置升降過程進(jìn)行仿真分析。

圖13和圖14為不同蓄能器初始?jí)毫ο拢弘娀旌向?qū)動(dòng)系統(tǒng)提升電機(jī)的功率和蓄能器壓力曲線。由圖13和圖14可知，在工作裝置下降階段，由于在實(shí)現(xiàn)液壓泵/馬達(dá)和提升滾筒之間的力矩平衡的同時(shí)，需要保證工作裝置正常下放，故蓄能器初始?jí)毫υ礁撸嵘姍C(jī)的輸出功率增大；在工作裝置提升階段，蓄能器與電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)提升裝置，提升相同負(fù)載工況時(shí)，蓄能器初始?jí)毫υ礁撸嵘姍C(jī)峰值功率降低程度越大。

圖13 提升電機(jī)功率變化曲線Fig.13 Power of hoisting motor

圖14 蓄能器壓力變化曲線Fig.14 Pressure in accumulator

不同蓄能器初始?jí)毫ο拢嵘姍C(jī)在工作裝置一個(gè)升降循環(huán)的功耗如表2所示。

表2 不同蓄能器初始?jí)毫ο绿嵘姍C(jī)功耗Tab.2 Power consumption of hoisting motor at different initial pressures of accumulator

峰值功率降低比率計(jì)算式為

(23)

能耗降低比率計(jì)算式為

(24)

由表2可知，隨著蓄能器初始?jí)毫υ龈撸麟姍C(jī)峰值功率逐漸降低，峰值功率降低比率η3逐漸增大；蓄能器初始?jí)毫Ψ謩e為19、20、21 MPa時(shí)，蓄能器初始?jí)毫υ礁撸?jié)能比率η4越高，但當(dāng)蓄能器壓力為22 MPa時(shí)，工作裝置下放過程中的蓄能器壓力達(dá)到了系統(tǒng)溢流壓力，能量回收系統(tǒng)不工作，提升裝置的勢(shì)能仍通過熱能散掉，節(jié)能比率η4降低。

5.2 蓄能器容積

為研究蓄能器容積對(duì)新型液電混合驅(qū)動(dòng)電鏟提升系統(tǒng)能效特性的影響，分別對(duì)蓄能器容積為550、600、650 L時(shí)的電鏟工作裝置升降過程進(jìn)行仿真分析。

圖15和圖16為不同蓄能器容積下，液電混合電鏟提升系統(tǒng)電機(jī)功率和蓄能器壓力曲線，綜合分析兩圖可知，當(dāng)蓄能器初始?jí)毫?1 MPa時(shí)，蓄能器容積越小，電鏟提升電機(jī)峰值功率降低效果越明顯。通過對(duì)電機(jī)功率曲線進(jìn)行積分可得提升電機(jī)的能耗狀況。

圖15 提升系統(tǒng)電機(jī)功率變化曲線Fig.15 Power of hoisting motor

圖16 不同蓄能器容積下蓄能器壓力變化曲線Fig.16 Pressure in accumulator

不同蓄能器容積下，提升電機(jī)在工作裝置一個(gè)升降循環(huán)的功耗如表3所示。由表3可知，蓄能器容積分別為550、600、650 L時(shí)的節(jié)能效果差別較小。

表3 不同蓄能器容積下提升電機(jī)能耗Tab.3 Power and energy consumption of hoisting motor at different volumes of accumulator

6 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)電鏟提升系統(tǒng)相比，采用液電混合驅(qū)動(dòng)提升系統(tǒng)后，在蓄能器初始?jí)毫?1 MPa和容積600 L的系統(tǒng)中，電鏟提升電機(jī)峰值功率降低約36.8%，能耗降低約30%。

(2)在一定范圍內(nèi)，液壓蓄能器的初始?jí)毫腿莘e對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能特性會(huì)產(chǎn)生影響。提升電機(jī)的峰值功率的降低效果與蓄能器的初始?jí)毫Τ烧龋^高的初始?jí)毫?huì)在液壓回路中產(chǎn)生額外的溢流損失，并降低能量回收效率；峰值功率的降低效果與蓄能器的容積成反比，但節(jié)能效果的差異較小。

(3)由仿真結(jié)果可知，在不同蓄能器的初始?jí)毫腿莘e工況下，峰值功率降低比率最高為37.8%，能耗降低比率最高為30.1%。