港口門座起重機起升機構(gòu)能量分析與節(jié)能計算

劉 煒

福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司

1 引言

我國是世界經(jīng)濟發(fā)展最快和能源消耗最大的國家之一。為了保持國家經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，2008年制定的《中華人民共和國節(jié)約能源法》，正式將節(jié)能減排問題納入法案法規(guī)。同年出臺的《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》要求開發(fā)和推廣節(jié)能效率優(yōu)良的特種設(shè)備，對能耗較大設(shè)備進行及時替換與淘汰。門座起重機作為港口使用數(shù)量最多、耗能量大的機械設(shè)備，長期存在著能效不高的問題。開展對該類型起重機節(jié)能減排的理論和應(yīng)用研究，對設(shè)備能耗進行規(guī)范化管理，對提高設(shè)備的使用能效具有重要意義。

門座起重機的起升機構(gòu)是耗能最大的工作機構(gòu)，其具有位能性的工作特點[1]。當起吊貨物時，電機吸收電能并將其轉(zhuǎn)化成機械能，驅(qū)動貨物起升而將機械能轉(zhuǎn)化為勢能。當下放貨物時，負載自身的重力勢能釋放將拖動電機反轉(zhuǎn)，負載的大部分重力勢能轉(zhuǎn)化為電能形成再生能量[3]。如果將這部分再生電能進行回收再利用，將會大幅提高機構(gòu)的工作能效，實現(xiàn)節(jié)能減排。通過對起升機構(gòu)工作過程中的能量利用與損耗進行研究，對機構(gòu)工作循環(huán)過程中的供給能和可回收能量進行詳細分析，并通過實例計算和測試獲得相關(guān)有價值的結(jié)論，為港口機械再生能量回收利用技術(shù)的研究提供了一種思路。

2 起升機構(gòu)的能量分析

起升機構(gòu)作業(yè)過程包括空載和帶載2個工況，每個工況包括上升和下降2個環(huán)節(jié)，而每個環(huán)節(jié)包括加速、穩(wěn)定和減速3個運行階段。圖1所示為空載或帶載工況下的起升機構(gòu)工作循環(huán)圖。下面將分階段對起升機構(gòu)的能量利用與損耗進行分析。

圖1 起升機構(gòu)工作循環(huán)示意圖

2.1 帶載荷上升運行過程

起升機構(gòu)傳動系統(tǒng)由電動機、減速器、制動器和卷筒等組成(見圖2)。

起升機構(gòu)在帶載上升過程中，需要從外電網(wǎng)吸收電能，通過電機做功驅(qū)動傳動系統(tǒng)運動，最終實現(xiàn)貨物的提升，其能量流向為：外電網(wǎng)→驅(qū)動電機→傳動系統(tǒng)→負載[2]。

2.1.1 加速上升運行階段

起升機構(gòu)在加速上升運行階段，作用在電機軸上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩大于傳動系統(tǒng)的摩擦阻力矩和負載阻力矩之和，即：

TM>TG+TF

(1)

式中，TM為電機軸上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；TF為電機軸上的傳動系統(tǒng)摩擦阻力矩；TG為電機軸上的起吊負載阻力矩。

根據(jù)功能原理，合外力所做的功等于物體的動能變化，即：

TMθ1-TGθ1-TFθ1=EDS1+EGS1

(2)

式中，θ1為加速上升運行段的電機轉(zhuǎn)角；TMθ1為電機轉(zhuǎn)矩所做的功，近似等于該階段電機的供給能E供給1減去電機損耗EMS1；TGθ1為負載轉(zhuǎn)矩所做的功，等于負載的勢能變化E勢1；TFθ1為傳動系統(tǒng)摩擦阻力矩所做的功，近似等于該階段的摩擦損耗EFS1；EDS1為貨物加速上升運行的動能變化；EGS1為傳動系統(tǒng)在加速上升運行的慣性能變化。式(2)可轉(zhuǎn)化為：

E供給1=EDS+EGS+E勢1+EMS1+EFS1

(3)

此階段電機的供給能減除電機損耗和傳動系統(tǒng)摩擦損耗，剩余部分以傳動系統(tǒng)慣性能、貨物動能以及勢能的形式儲存起來。

2.1.2 穩(wěn)定上升運行階段

起升機構(gòu)在穩(wěn)定上升運行階段，作用在電機軸上的轉(zhuǎn)矩等于傳動系統(tǒng)的摩擦阻力矩和負載阻力矩之和，即：

TM=TG+TF

(4)

該階段貨物的起升速度保持穩(wěn)定，根據(jù)功能原理可得：

TMθ2-TGθ2-TFθ2=0

(5)

式中，θ2為起升穩(wěn)定運行階段的電機轉(zhuǎn)角；TMθ2為電機轉(zhuǎn)矩所做的功，近似等于該階段的電機的供給能E供給2減去電機損耗EMS2；TGθ2為負載轉(zhuǎn)矩所做的功，等于負載的勢能變化E勢2；TFθ2為傳動系統(tǒng)摩擦阻力矩所做的功，近似等于該階段的系統(tǒng)摩擦損耗EFS2。則式(5)可轉(zhuǎn)化為

E供給2=E勢2+EFS2+EMS2

(6)

起升機構(gòu)穩(wěn)定上升階段，電機的供給能除去電機損耗和傳動系統(tǒng)摩擦損耗，最終以貨物勢能的形式存儲起來。

2.1.3 減速上升運行階段

起升機構(gòu)在減速上升運行階段，作用在電機軸上的轉(zhuǎn)矩小于傳動系統(tǒng)的摩擦阻力矩、負載阻力矩及制動器制動力矩之和，即：

TM

(7)

式中，T制為制動器制動力矩。同樣根據(jù)功能原理分析得：

TMθ3-TGθ3-TFθ3-T制θ3=-EGS-EDS

(8)

式中，θ3為起升穩(wěn)定運行階段的電機轉(zhuǎn)角；TMθ3為電機轉(zhuǎn)矩所做的功，近似等于該階段的電機的供給能E供給3減去電機損耗EMS3；TGθ3為負載轉(zhuǎn)矩所做的功，等于負載的勢能變化E勢3；TFθ3為傳動系統(tǒng)摩擦阻力矩所做的功，近似等于該階段的系統(tǒng)摩擦損耗EFS3；T制θ3為制動力矩所做的功，等于制動器的摩擦損耗E制；-EGS2為傳動系統(tǒng)慣性能變化；-EDS2為貨物減速上升的動能變化。

減速上升階段，傳動系統(tǒng)慣性能逐漸減小直至為零，故各旋轉(zhuǎn)部件在此過程中產(chǎn)生的慣性能變化為負值。同樣起升速度從額定速度逐漸減小至零，其貨物的動能變化一樣也為負值。則式(8)可轉(zhuǎn)化為：

E供給3+EDS2+EGS2=E勢3+EMS3+EFS3+E制

(9)

起升機構(gòu)減速上升階段的總能量應(yīng)包括外電網(wǎng)的供給能、系統(tǒng)固有的動能及慣性能，該總能量減除電機和傳動系統(tǒng)摩擦及制動力損耗，剩余部分轉(zhuǎn)化為貨物減速上升階段的勢能。

2.1.4 整體上升運行過程

起升機構(gòu)在整個帶載上升運行過程中，考慮加速和減速階段旋轉(zhuǎn)部件的慣性能、貨物的動能變化值基本相同，則總的能量利用與損耗可通過式(3)、(6)和(9)聯(lián)立求得：

E供給=E供給1+E供給2+E供給3=

E勢1+E勢2+E勢3+EMS+EFS

(10)

電機從外電網(wǎng)吸收的全部能量E供給除去電機損耗EM和機械傳動損耗EF外，最終將轉(zhuǎn)化為貨物和吊具的勢能，即整個上升運行過程中的有效能為：

E有效=E勢=(m+m1)gh

(11)

式中，h為上升運行總高度；m為負載的質(zhì)量；m1為吊具質(zhì)量。

2.2 帶載荷下降運行過程

起升機構(gòu)帶載下降時，外部電網(wǎng)能量供給切斷，由負載自重拖動傳動系統(tǒng)反轉(zhuǎn)下降，此時驅(qū)動電機在外力矩的作用下反轉(zhuǎn)發(fā)電，產(chǎn)生再生電能。其能量流向為：負載→傳動系統(tǒng)→發(fā)電機→制動電阻。該過程所輸出的總能量即為負載在下降初始位置的總勢能E勢。

2.2.1 加速下降運行階段

加速下降運行階段系統(tǒng)的輸出能量為負載下降過程中的勢能變化，即：

E總1=E勢1=(m+m1)gh1

(12)

式中，h1為加速下降運行距離。該階段，負載重力矩TG大于傳動系統(tǒng)摩擦阻力矩TF與電機勵磁阻力矩TM及制動電阻阻力矩TR之和：

TG>TF+TM+TR

(13)

在此過程中，負載重力釋放的勢能除消耗于傳動系統(tǒng)摩擦損耗、電機勵磁損耗及制動電阻損耗外，其余能量轉(zhuǎn)化為負載加速下降運行的動能和傳動系統(tǒng)的慣性能改變，此時系統(tǒng)在負載勢能的作用下，使傳動系統(tǒng)和貨物加速下降運行，其能量平衡式為：

E勢1=EDX1+EGX1+ERX1+EMX1+EFX1

(14)

式中，EDX1為加速下降運行階段負載的動能變化；EGX1為加速下降運行階段傳動系統(tǒng)慣性能變化；EFX1為加速下降運行階段傳動系統(tǒng)摩擦損耗；ERX1為加速下降運行階段制動電阻的損耗；EMX1為加速下降運行階段電機勵磁損耗。

2.2.2 穩(wěn)定下降運行階段

穩(wěn)定下降運行階段系統(tǒng)的輸出能量也為負載下降運行過程中的勢能變化，即：

E總2=E勢2=(m+m1)gh2

(15)

式中，h2為穩(wěn)定下降運行距離。在該階段，負載重力矩TG等于傳動系統(tǒng)摩擦阻力矩TF與電機勵磁力矩TM及制動電阻阻力矩TR之和：

TG=TF+TM+TR

(16)

在此過程中，由負載重力矩釋放的勢能與系統(tǒng)的摩擦損耗、電機勵磁損耗及制動電阻損耗所消耗的能量相平衡，系統(tǒng)保持穩(wěn)定速度運行，其能量平衡式為：

E勢2=ERX2+EFX2+EMX2

(17)

式中，ERX2為穩(wěn)定下降運行階段電機制動電阻損耗；EMX2為穩(wěn)定下降運行階段電機勵磁損耗；EFX2為穩(wěn)定下降運行階段傳動系統(tǒng)摩擦損耗。

起升機構(gòu)吊載穩(wěn)定下降過程中，貨物的動能和傳動系統(tǒng)的慣性能保持不變，由負載重力釋放的總勢能減除電機勵磁損耗和傳動系統(tǒng)摩擦損耗，剩余勢能全部由制動電阻消耗掉。

2.2.3 減速下降運行階段

減速下降運行階段的總能量包括負載的勢能變化及系統(tǒng)固有的動能和慣性能之和：

E總3=E勢3+EDX2+EGX2=

(m+m1)gh3+EDX2+EGX2

(18)

式中，h3為減速下降運行距離;EDX2為減速下降運行階段負載的動能變化；EGX2為減速下降運行階段傳動系統(tǒng)慣性能變化。在該階段，負載重力矩TG小于傳動系統(tǒng)摩擦阻力矩TF與電機勵磁阻力矩TM、制動電阻阻力矩TR和制動器阻力矩T制之和：

TG

(19)

在此過程中，由負載重力釋放的勢能和系統(tǒng)固有的動能、慣性能均消耗于系統(tǒng)的摩擦、電機勵磁、制動電阻及制動器摩擦力的損耗，使傳動系統(tǒng)減速運行直至停止，其能量平衡式為：

E勢3+EDX2+EGX2=ERX3+EMX3+EFX3+E制

(20)

式中，EFX3為減速下降運行階段傳動系統(tǒng)摩擦損耗；EMX3為減速下降運行階段電機勵磁損耗；E制為減速下降運行階段制動器摩擦損耗；ERX3為減速下降運行階段電機制動電阻損耗。

2.2.4 整體下降運行過程

起升機構(gòu)在整個帶載下降運行過程中，同樣考慮加速和減速階段旋轉(zhuǎn)部件的慣性能、貨物的動能變化值基本相同，則總的能量利用與損耗可通過式(14)、(16)和(20)聯(lián)立求得：

E勢=E勢1+E勢2+E勢3=EMX+EFX+ERX+E制

(21)

系統(tǒng)釋放的總勢能除去電機損耗和機械傳動損耗，其余能量將被制動電阻和制動器所消耗，其中被制動電阻消耗的這部分能量是可以通過儲能裝置進行回收再利用的。

門座起重機在一個工作循環(huán)中，具有帶載和空載2個作業(yè)工況。空載作業(yè)工況下的能量利用與損耗分析與帶載作業(yè)完全相同，其差異主要體現(xiàn)在吊具與載物的質(zhì)量上，實際計算時用吊具質(zhì)量取代載物質(zhì)量即可。

3 起升機構(gòu)可回收能量計算

3.1 可回收勢能計算

根據(jù)上節(jié)分析，起升機構(gòu)下降作業(yè)時，被制動電阻消耗的可回收能量為：

ER=E勢-EMX-EFX-E制

(22)

式中，E勢為負載具有的總勢能，(m+m1)gh；制動器的摩擦損耗E制等于制動初始時刻貨物的動能、傳動系統(tǒng)的慣性能及貨物的勢能之和，即：

(23)

式中，E′D為制動初始時刻貨物的動能；E′G為制動初始時刻傳動系統(tǒng)的慣性能；E′勢為制動初始時刻貨物的勢能；v′為制動初始時刻的貨物下降運行速度；h′為制動時段貨物的下降距離；J1、J2、J3、ω′1、ω′2、ω′3分別為傳動系統(tǒng)中電機軸、減速箱低速軸及卷筒軸上回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動慣量和對應(yīng)軸的角速度。

實際計算時，通常將電動機的損耗EMX和傳動系統(tǒng)的摩擦損耗EFX用總勢能的傳動效率來進行折減，即：

EMX=E勢η傳動(1-ηM)

(24)

EFX=E勢(1-η傳動)

(25)

式中，ηM為電動機的總效率，取0.78～0.82；η傳動為傳動系統(tǒng)的總效率，由聯(lián)軸器、減速器、卷筒組和滑輪組各部分效率組成：

η傳動=η聯(lián)軸器η減速器η卷筒η滑輪組

(26)

則被制動電阻消耗的能量方程式(21)可表達為：

ER=E勢ηMη傳動-E制

(27)

同時考慮到儲能元件的能量轉(zhuǎn)化效率，實際可回收的凈能量為：

E回收=ERηC

(28)

式中，ηC為儲能元件的能量轉(zhuǎn)化效率。

3.2 可回收慣性能計算

起升機構(gòu)在上升和下降作業(yè)的制動減速階段均存在慣性能損耗，理論可回收能量等于制動減速階段制動器的摩擦損耗：

EGq=E上升制+E下降制

(29)

式中，EGq為起升機構(gòu)理論可回收慣性能；E上升制為上升制動過程制動器的摩擦損耗；E下降制為下降制動過程制動器的摩擦損耗。下降制動減速階段制動器的摩擦損耗在勢能計算式(22)中已經(jīng)考慮，故在慣性能計算中不再考慮。因此可回收慣性能的理論計算值為：

EGq=E上升制

(30)

上升制動階段，制動器的摩擦損耗等于制動初始時刻貨物的動能與傳動系統(tǒng)的慣性能之和減去該階段貨物上升所增加的勢能，即：

(31)

起升機構(gòu)在整個工作過程中，由于加、減速時間很短，慣性能所占比列很少，可以不計在總的能量回收中。

3.3 計算實例

某港口40 t抓斗門座起重機起升機構(gòu)參數(shù)為：抓斗載貨質(zhì)量25 t；抓斗及索具附件質(zhì)量15 t；抓斗作業(yè)平均升降高度13 m；抓斗開、閉斗升降的高度6 m；額定起升速度55 m/min。

抓斗起升機構(gòu)一個作業(yè)循環(huán)包括抓斗重載上升與下降、抓斗空載上升與下降和抓斗閉斗與開斗3個環(huán)節(jié)，其過程中要從外電網(wǎng)吸收電量。抓斗與貨物增加的勢能即可視為所有提升過程中的有效能。計算得E勢=7 203 kJ。

本算例40 t抓斗門機起升機構(gòu)傳動系統(tǒng)由電機、聯(lián)軸器、制動器、減速器及卷筒滑輪組等組成，取系統(tǒng)各部分效率分別為：η聯(lián)軸器=0.98，η減速器器=0.95，η卷筒=0.98，η滑輪組=0.94，可算得η傳動=0.858。取ηM=0.8，則電動機的損耗EMS和傳動系統(tǒng)的摩擦損耗EFS可分別按式(24)和(25)計算得EMS=1 203 kJ；EFS=1 023 kJ。可計算得傳動系統(tǒng)總供給能為E供給=9 429 kJ。其中勢能所占的比例達76%以上。

起升機構(gòu)在滿載和空載作業(yè)過程中，由于慣性能很少，計算時可以忽略不計，故回收能量主要考慮勢能。計算得E回收=3 818.39 kJ。可回收能量占供給能量的比例為40%。

4 起升機構(gòu)能量回收應(yīng)用

起升機構(gòu)位能的整個釋放過程大約12 s左右，整個加速補能過程約2～3 s。為了滿足該使用特性要求，應(yīng)選用具有大功率快充、快放性能的儲能裝置。在實際的應(yīng)用中，采用超級電容作為儲能介質(zhì)[4]。根據(jù)前述計算，設(shè)計組裝了一套超級電容儲能系統(tǒng)，安裝于該40 t抓斗門座起重機上。其超級電容儲能系統(tǒng)由兩部分組成：驅(qū)動及管理系統(tǒng)柜，包含儲能變流驅(qū)動器、控制系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)、系統(tǒng)保護原件等；電容儲能柜，包含超級電容模組、均壓平衡控制板卡等。該套裝置在抓斗門機上穩(wěn)定運行半年，其現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同測試周期時起升機構(gòu)能耗測量數(shù)據(jù)

由表1測試數(shù)據(jù)可知：在儲能系統(tǒng)未投用狀態(tài)，1個完整的工作循環(huán)電能平均值為2.917 kWh；在儲能系統(tǒng)投用狀態(tài)，1個完整的工作循環(huán)電能平均值為1.83 kWh。在該40 t抓斗門座起重機的起升機構(gòu)上，其能量回收效率為37.3%。實際測得的可回收能量占供給能量的比例接近前述理論計算值40%左右，從而驗證了計算結(jié)果。

5 結(jié)語

將門座起重機起升機構(gòu)工作過程中的能量利用與損耗進行理論分析，獲得了供給能和可回收能量的計算表達式，并通過實例定量計算分析，得到了以下研究結(jié)論：

(1)門座起重機起升機構(gòu)工作過程中，從外電網(wǎng)吸收的能量，絕大部分都可以轉(zhuǎn)換為勢能，其比例可高達近80%，遠遠大于其他平移性工作機構(gòu)的再生能量轉(zhuǎn)換，從而為能量的高性能回收創(chuàng)造了最有利條件。

(2)實例定量計算分析可知，起升機構(gòu)可回收能量占供給能量的比例可達40%以上，通過實際應(yīng)用超級電容儲能裝置將該部分能量進行回收再利用，可有效提高門機的工作能效，獲得良好的節(jié)能減排效益。

(3)本研究過程和結(jié)論可為儲能裝置的選用和容量匹配提供理論支撐，從而實現(xiàn)最佳節(jié)能效果。