流動式港口機械電動化技術對比及應用淺析

摘要：大部分流動式港口機械產品（以下簡稱“流機產品”），如集裝箱正面吊、空箱堆高機，仍以燃油動力為主，是整個港口機械電動化過程中最為薄弱的一個環節。“流機產品”實現電動化是提高港口作業自動化、優化港口作業區域工作環境的重要措施。就“流機產品”電動化技術及應用進行初步分析，并結合實際應用案例，對電動化“流機產品”的應用情況進行論述。

關鍵詞：流動式;港口機械;電動化

0" "引言

港口基礎設施及裝備的自動化、數字化、智能化發展水平，被視為提升核心競爭力的重要手段，也成為降低物流成本、提高物流效率的關鍵所在。隨著更嚴格排放政策的實施，以及5G技術、無人駕駛等技術的落地，綠色港口、智慧港口逐漸成為未來發展的主流趨勢。區塊鏈、邊緣計算、人工智能與計算機視覺等技術，也在不斷促進傳統碼頭轉型升級。

傳統港口機械，特別是“流機產品”，仍以燃油動力為主，使用時會產生污染、噪聲，存在油耗高、維護難等短板。電動化港口機械具有無污染、易操作、節能高效等特點，更符合智慧港口建設的要求。與此同時，電池、電控以及機電匹配傳動技術的不斷進步，為流動式港口機械電動化提供了必要的技術條件，奠定了“流機產品”電動化的基礎。

1" "流動式港口機械電動化方案分析

“流機產品”電動化方案核心是動力系統的整體布局。目前，行業應用較為成熟的“流機產品”電動化方案主要有2種：第一種是單電機+機械變速箱，第二種是三電機方案。就實際應用情況來看，三電機方案在性能上有較為明顯的優勢，未來可能會研發出適用于“流機產品”更為簡潔、高效的輪邊驅動技術。下面就這兩種方案各自的特點、電動化的優勢進行簡要論述。

1.1" "電動化方案對比分析

第一種方案是單電機+機械變速箱的布局形式，如圖1所示。該方案的動力系統由一個驅動電機與機械變速箱連接，然后再由機械變速箱帶動驅動橋和作業液壓泵，為行駛、作業提供動力，可以簡單理解為將傳統燃油動力系統中的發動機換成電動機，取消燃油箱，由動力電池供電。該方案結構簡單，液壓系統、電控系統可最大程度借用燃油動力產品，控制邏輯簡單，研發周期短，配套成本低，技術難度低。

第二種方案是三電機的布局形式，如圖2所示。該方案由三個電機直接帶動驅動橋、作業液壓泵和轉向液壓泵，取消傳統燃油動力系統中的變速箱。這種做法完全打破了燃油動力機械的布局型式，由三個電機分別供給行駛、作業和轉向3個主要動作提供動力，使得“流機產品”3個主要動作可獨立控制，配合專用的控制系統，整機聯動性能優越。

此外，三電機方案另一個顯著優勢是可以實現作業系統的勢能回收，有效提升了電動產品續航，技術優勢明顯。但該方案控制系統研發難度大、周期長，整體配套成本略高。

1.2" "電動化優勢分析

相比于傳統燃油動力機械，電動化流機產品主要有以下三方面優勢。

從工作性能方面來看，有3個優勢：一是響應速度快;傳統“流機產品”通過多路閥實現舉升動作，電動化產品用電機直接驅動執行原件，操作時動作無延時，響應速度快。二是加速快;得益于電動機優異的響應特性，電動化“流機產品”加速時間短、起步快。三是作業速度快;通過重構電動“流機產品”液壓系統，可使得其作業速度高于燃油產品33%以上。此外，電動化“流機產品”更加節能環保，可以實現零排放，整機運行時安靜低噪聲，充電速度快，續航時間可達到10h左右[1]。

從使用性能方面來看，采用三電機方案的電動化“流機產品”采用電機直驅，無中間過渡環節，整機效率高;舉升、伸縮獨立供油、互不影響，聯動性好。從經濟性能方面來看，電動化“流機產品”耗能少，使用成本低，維護方便[2]。

“流機產品”電動化技術的未來發展的一個趨勢是集成化，即將傳統的整體式驅動橋斷開，并將驅動電機集成到輪邊上，如圖3所示。這種結構可以極大簡化動力系統結構，降低整機質量，同時提升傳動效率。

2" "電動化產品實際應用分析

目前，電動化“流機產品”逐步開始應用，在作業效率不低于燃油產品的情況下，綜合應用成本僅為燃油動力產品的1/3，發展前景廣闊。以徐工XCH907E型集裝箱堆高機為例，該產品采用三電機方案，配置350kW·h磷酸鐵鋰電池，續航時間8～10h。

根據某港口客戶800h作業統計結果可知，XCH907E單個自然箱耗電1.14kW·h，電費以1.0元/kW·h計，則單個自然箱費用為1.14元。燃油產品單個自然箱油耗約0.5L，燃油費用以6.93元/L計，則單個自然箱費用為3.47元。由此可知，電動產品費用僅為燃油產品的32.85%。此外，電動產品還節省了燃油產品動力系統頻繁的濾芯、潤滑油等費用，每年可節省3～5萬元。

目前“流機產品”電動化技術處于發展的關鍵時期，相較于燃油動力產品，在實際應用中仍有很多制約因素與限制條件，主要有電池續航、購機成本以及環保再利用三方面的問題。

續航時間決定了機械設備工作的效率及能力，在實際應用中，解決電動化港口機械續航問題至關重要。續航問題可通過快速充電和換電兩種方式解決。在工作循環有間隙的場合，如貨場、鐵路中轉站，可通過300kW以上的大功率充電裝置進行補電。全天連續作業場所，如海港、碼頭，可采用換電方式進行電量補充。

電動化“流機產品”購機成本一般略高于燃油動力產品，為降低購機門檻，可以采用租賃以及車電分離的模式。具體如下：第一，購買無動力車身，結合電池、換電站租賃的形式;第二，整機以及電池、換電站全部采用租賃的形式，以此來降低成本。車電分離的模式不僅解決了電動化“流機產品”續航問題，同時解決了電池衰減、折舊快的問題。

更換下來的電池也有很多用途，經過檢測、維護、重組之后，可以將其二次利用在電站儲能、家庭電站、分布式光伏發電、低速電動車等方面[3]。對于無法再次應用的電池，可以進行拆解回收。

3" "結語

“流機產品”實現電動化，對能源動力轉化、建設世界一流強港和實現我國碳中和目標均具有重要意義[4]。本文針對“流機產品”的電動化提出了三電機和單電機+機械變速箱2種動力系統布局方案，對比分析了電動化“流機產品”的優勢及發展趨勢。結合電動產品實際應用案例，以實際數據說明電動產品的優勢。最后，就電動化“流機產品”在實際應用中的制約因素進行分析，并提出了初步解決方案。

參考文獻

[1] 《中國港口》編輯部.“2020集裝箱碼頭自動化推進與技術交流會”現場直擊[J].中國港口，2020（11）：12-17.

[2] 周春華.自動化碼頭發展趨勢探究[J]. 科技創新與應用，2017，（16）：64-65.

[3] 程澤坤，劉廣紅，張斌，等.國外自動化集裝箱碼頭應用現狀及建設借鑒[J].水運工程，2016（9）：3-8.

[4] 楊艷麗，王大宇，孟凱.工程機械電動化未來可期[J].建筑機械，2021（6）：18-20.