邵興祿

（銅仁市特檢所，貴州 銅仁 554300）

面對日趨嚴(yán)重的資源短缺與環(huán)境惡化問題，尋求社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與資源、環(huán)境相互促進(jìn)與協(xié)調(diào)發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展模式正在成為世界性潮流。高效、節(jié)能、環(huán)保型的起重機(jī)一直是國內(nèi)外許多生產(chǎn)企業(yè)走可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重要目標(biāo)。改善發(fā)電機(jī)組性能、采用市電代替柴油發(fā)電機(jī)組和采用混合動(dòng)力技術(shù)是當(dāng)前起重機(jī)節(jié)能研究的主要方面。

1 混合動(dòng)力起重機(jī)動(dòng)力部件的特性分析

1.1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況主要取決于曲軸的轉(zhuǎn)速和發(fā)出的功率及扭矩。不同用途的發(fā)動(dòng)機(jī)，其工況是各不相同的。為了評價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下運(yùn)行的動(dòng)力性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)以及工作過程進(jìn)行的完善程度，就必須研究發(fā)動(dòng)機(jī)特性。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工況平面、工況線及典型工況點(diǎn)如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工況平面、工況線及典型工況點(diǎn)

1.2 超級電容器

超級電容器，又稱為雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是近年發(fā)展起來的一種新型儲(chǔ)能器件，與常規(guī)電容器不同，超級電容器的容量很大，可達(dá)法拉級甚至到數(shù)千法拉。

2 混合動(dòng)力起重機(jī)在工程機(jī)械上的應(yīng)用

在機(jī)械使用中，傳統(tǒng)的工程機(jī)械利用率不高，才到達(dá)20%，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對資源的利用效率提出了更高的要求，很好的節(jié)省資源，提高操作效率從而提高設(shè)備的使用效率和性價(jià)比成為了重中之重，各大公司為了提高在市場上的競爭力，把工程機(jī)械的節(jié)能技術(shù)看成了發(fā)展的重點(diǎn)。

在當(dāng)前節(jié)能技術(shù)發(fā)展的形勢下，我國也著重將混合動(dòng)力工程機(jī)械中的節(jié)能技術(shù)的開發(fā)提上了日程，引起了國家有關(guān)部門的重視。加大了研究力度和資金的投入，同時(shí)科技部在2009年將“新型混合動(dòng)力工程機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)”項(xiàng)目列入國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)項(xiàng)目中。

在當(dāng)前形勢下，國內(nèi)的許多挖掘生產(chǎn)廠家加大了資金和技術(shù)投入的力度，在以前機(jī)械的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)措施，提高了挖掘機(jī)的利用效率，提高了工程的施工，但是許多公司沒有重視新產(chǎn)品的研發(fā)，發(fā)展角度比較片面。

武漢理工大學(xué)的有關(guān)人員對輪胎起重機(jī)進(jìn)行了相關(guān)的研究，將其混合動(dòng)力進(jìn)行了改造。在改造過程中，其不僅對超級電容器的原理和電的特性進(jìn)行了分析，還分析了混合動(dòng)力的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)同時(shí)建立起了輪胎起重機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對超級電容器的電特性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，通過對比得知在對混合動(dòng)力進(jìn)行改造后節(jié)能效果十分明顯，在輪胎起重機(jī)使用混合動(dòng)力技術(shù)后其每個(gè)的作業(yè)環(huán)節(jié)都節(jié)約了將近40%左右的柴油。研究結(jié)果得知要加大對混合動(dòng)力的改造，為建立節(jié)約型和可持續(xù)發(fā)展型社會(huì)提供保障。

我國相比較于國外來說，工程機(jī)械的混合動(dòng)力化起步比較晚，國外早在2003年就推出了世界上第一臺(tái)混合動(dòng)力輪式的裝載機(jī)，并經(jīng)過研究在2004年推出了世界上第一臺(tái)試驗(yàn)性混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于我國。

在最近幾年，我國加大了對混合動(dòng)力的研究力度，一些挖掘機(jī)生產(chǎn)公司在混合動(dòng)力的研發(fā)上取得了較大的成績，為我國混合動(dòng)力在工程機(jī)械上的應(yīng)用提高了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。在2009年我國開始研發(fā)新型混合動(dòng)力挖掘機(jī)，在2014年將完成研發(fā)，到時(shí)將此挖掘機(jī)投入使用，將大大減少二氧化碳的排放量，節(jié)約大量的資源和成本。還為我國混合動(dòng)力工程機(jī)械的研發(fā)提供了經(jīng)驗(yàn)，到未來有利于使混合動(dòng)力起重機(jī)應(yīng)用到大部分的工程機(jī)械當(dāng)中，節(jié)約成本和資源。

在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)形式下，工程機(jī)械上要應(yīng)用混合動(dòng)力要綜合考慮到系統(tǒng)的節(jié)能、排放和布局等因素，目前混合動(dòng)力的能量回收方式主要有兩種。

2.1 串聯(lián)式系統(tǒng)

串聯(lián)式系統(tǒng)主要指將發(fā)動(dòng)機(jī)和大功率的發(fā)電機(jī)進(jìn)行直接的串聯(lián)，當(dāng)機(jī)械能通過發(fā)動(dòng)機(jī)來輸出時(shí)，則將其全部用來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，在發(fā)電的過程中會(huì)輸出交流電，交流電會(huì)通過整流器的變化比為直流電，然后再將其存儲(chǔ)到電池或者超級電容器中，剩下的一部分交流電會(huì)通過逆變器的處理，再去驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)機(jī)的使用過程中，會(huì)輸出一部分的機(jī)械能，然后通過液壓泵的轉(zhuǎn)化會(huì)變成液壓能，液壓能會(huì)在控制閥的影響下去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程中留下來的另外一部分的機(jī)械能會(huì)直接驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)部件。

圖2 串聯(lián)式混合動(dòng)力能量回收示意圖

在串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中的蓄能元件引進(jìn)了電池或者超級電容器，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改成了由電動(dòng)機(jī)來代替，電動(dòng)機(jī)代替液壓馬達(dá)不僅降低了這部分的能力損耗還減少了系統(tǒng)的液壓損失，同時(shí)制動(dòng)能在回轉(zhuǎn)的過程中會(huì)產(chǎn)生出來可以用來對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。能量得以存儲(chǔ)在電池或者超級電容器當(dāng)中，能量得到了再生利用。

2.2 并聯(lián)式系統(tǒng)

并聯(lián)式多用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量回收，分為以下三種典型結(jié)構(gòu)。

變速器布置在轉(zhuǎn)矩耦合器的后面，這種傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和能量再生系統(tǒng)同時(shí)將動(dòng)力輸出給變速器，可以使車輛得到更大的驅(qū)動(dòng)力，提高了車輛的驅(qū)動(dòng)性能。但缺點(diǎn)是在進(jìn)行制動(dòng)能量回收時(shí)，由于變速器的存在，傳遞到液壓回收元件上的轉(zhuǎn)矩不大，影響系統(tǒng)的制動(dòng)能量回收效率。

圖3 并聯(lián)式能量回收示意圖

變速器安裝在直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩耦合器放置在變速器之后。能量回收系統(tǒng)不通過變速器單獨(dú)安裝在轉(zhuǎn)矩耦合器之前。這種傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是在制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以不通過耦合器直接作用于能量再生系統(tǒng)，能量回收效率較高。但是，由于能量再生系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩沒有經(jīng)過變速器的放大，所以驅(qū)動(dòng)性能較差。

3 系統(tǒng)能量利用及控制策略

3.1 柴油發(fā)電機(jī)組控制策略

發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)速和變速箱增減速調(diào)節(jié)是發(fā)電機(jī)組主要控制組成部分。根據(jù)速度和電流測量，計(jì)算實(shí)際所需扭矩，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和速度，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后再確定柴油燃油噴射量。當(dāng)系統(tǒng)需要工作重物或需要補(bǔ)充能量超級電容器時(shí)，在滿效率的區(qū)域控制渦輪機(jī)運(yùn)行，當(dāng)負(fù)載功率需求低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作于低于額定轉(zhuǎn)速，以減少柴油燃料消耗，噪聲，和維護(hù)成本。

3.2 超級電容器能量流向控制策略

超級電容器控制策略，主要是確定超級電容器何時(shí)放電、何時(shí)充電、何時(shí)不工作。其變換器的工作方式：即采用升級放電，升降壓充電的工作方式。

其中，系統(tǒng)對重物負(fù)載做功時(shí)，直流母線上電壓會(huì)有變小的趨勢，當(dāng)系統(tǒng)重物負(fù)載的需求功率大于發(fā)電機(jī)組所能提供最大功率時(shí)，這種趨勢更為明顯。所以可以根據(jù)直流母線電壓的變化來控制雙向DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)超級電容器的充放電。

4 結(jié)語

國外許多研究機(jī)構(gòu)和工程機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)在混合動(dòng)力起重機(jī)領(lǐng)域取得了一些成果并且掌握了一定的關(guān)鍵技術(shù)；而我國相關(guān)研究還比較滯后，應(yīng)抓緊時(shí)間進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究，早日掌握關(guān)鍵技術(shù)。

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