楊萬(wàn)秋，羅偉平

（上海振華重工集團(tuán)有限公司，上海 200125）

1 技術(shù)背景

目前，碼頭堆場(chǎng)上用于集裝箱的吊裝作業(yè)設(shè)備多數(shù)都是場(chǎng)橋、岸橋，其起升機(jī)構(gòu)一般都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)為：電機(jī)-連軸器-減速器-卷筒。在重物上升階段，電機(jī)驅(qū)動(dòng)提升重物；在重物下降階段，重物拖動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)。為控制電能輸出，傳統(tǒng)方法一般都接制動(dòng)電阻，將重物勢(shì)能轉(zhuǎn)化的電能通過(guò)電阻發(fā)熱白白消耗掉；也有少數(shù)配置電池儲(chǔ)能單元，回收部分電能，儲(chǔ)存的電能在起升階段再用于提升重物，但由于成本及電池壽命原因，很難大規(guī)模推廣。因此本文研究介紹一種新的即液壓蓄能器在場(chǎng)橋、岸橋起升機(jī)構(gòu)應(yīng)用,并進(jìn)行節(jié)能研究。

2 理論方法研究

在液壓傳動(dòng)中，蓄能器也常作為儲(chǔ)能單元使用，重物下降的勢(shì)能也可通過(guò)蓄能器儲(chǔ)存起來(lái)，相對(duì)于電池儲(chǔ)能技術(shù)，液壓壽命一般較長(zhǎng)，成本可控。節(jié)能效率通過(guò)計(jì)算如下面研究。

蓄能器節(jié)能方案中，通過(guò)在減速器上安裝一液壓馬達(dá)（與電機(jī)同軸）或在電機(jī)尾部串接液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)與起升電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)減速器。

2.1 節(jié)能系統(tǒng)原理

液壓原理圖如圖1所示，9為二次馬達(dá)，其高壓油口B通過(guò)蓄能器控制閥組10與蓄能器組11相連，每組蓄能器由活塞式蓄能器及氮?dú)馄拷M成，結(jié)合吊機(jī)上的重量傳感器設(shè)定二次馬達(dá)9的排量，當(dāng)不需要二次馬達(dá)參加工作時(shí)，蓄能器控制閥組10可以讓馬達(dá)高壓口B與油口T直接相連。電機(jī)3用于驅(qū)動(dòng)輔助油泵5、6，油泵5一方面向二次馬達(dá)9低壓側(cè)補(bǔ)油，防止馬達(dá)吸空，一方面為散熱器7提供散熱油流量。油泵6用于驅(qū)動(dòng)散熱器馬達(dá)，同時(shí)提供二次馬達(dá)變量控制油。

圖1 節(jié)能系統(tǒng)原理圖

2.2 原理圖工況

原理圖工況如圖2所示。

圖2 工況

（1）帶載下降/如BA段：減速器驅(qū)動(dòng)液壓二次馬達(dá)9,此時(shí)馬達(dá)當(dāng)泵工況，高壓油經(jīng)B口、蓄能器控制閥組P、A口至蓄能器組P口，蓄能器組在充能狀態(tài)。當(dāng)壓力到蓄能器控制閥組設(shè)定的高壓力時(shí)，充能結(jié)束，馬達(dá)高壓油通過(guò)蓄能器控制閥組溢流至T口回油箱，但二次馬達(dá)依然維持較大排量，產(chǎn)生的扭矩用于抗衡重物勢(shì)能。補(bǔ)油泵5用于向二次馬達(dá)9低壓側(cè)A口補(bǔ)油，多余流量經(jīng)散熱器7至油箱。

（2）空載上升/如AB段：二次馬達(dá)9驅(qū)動(dòng)減速器輔助提升空載吊具，蓄能器組11高壓油經(jīng)蓄能器控制閥組A、P口、二次馬達(dá)9高壓側(cè)B口，再?gòu)腁口回油箱。補(bǔ)油泵5泵出液壓油經(jīng)散熱器7至油箱。

（3）空載下降/如CD段：減速器驅(qū)動(dòng)液壓二次馬達(dá)9,此時(shí)馬達(dá)當(dāng)泵工況，高壓油經(jīng)B口、蓄能器控制閥組P、A口至蓄能器組P口，蓄能器組在充能狀態(tài)。當(dāng)壓力到蓄能器控制閥組設(shè)定的高壓力時(shí)，充能結(jié)束，但馬達(dá)依然維持設(shè)定排量，產(chǎn)生的扭矩用于抗衡吊具勢(shì)能。補(bǔ)油泵5用于向液壓二次馬達(dá)9低壓側(cè)A口補(bǔ)油，多余流量經(jīng)散熱器7至油箱。

（4）帶載上升/如DC段：液壓二次馬達(dá)9驅(qū)動(dòng)減速器輔助提升重物，蓄能器組高壓油經(jīng)蓄能器控制閥組A、P口、二次馬達(dá)9高壓側(cè)B口，再?gòu)腁口回油箱。補(bǔ)油泵5泵出液壓油經(jīng)散熱器7至油箱。

（5）橫移/如BC、CB段：此時(shí)液壓二次馬達(dá)9不工作，補(bǔ)油泵5泵出液壓油經(jīng)散熱器7至油箱。冷卻泵5驅(qū)動(dòng)散熱器7馬達(dá)工作。

3 蓄能器設(shè)計(jì)計(jì)算

以某一型號(hào)場(chǎng)橋?yàn)槔?，其起升系統(tǒng)要求如表1。

3.1 根據(jù)系統(tǒng)要求，通過(guò)常規(guī)計(jì)算起重機(jī)計(jì)算公式可以得出起升機(jī)構(gòu)如表2的基本參數(shù)

3.2 液壓馬達(dá)、蓄能器選型計(jì)算

根據(jù)計(jì)算扭矩、選定蓄能器工作壓力等級(jí)，可以初步估算出液壓馬達(dá)排量，再根據(jù)馬達(dá)作用時(shí)間或轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)可以推導(dǎo)出蓄能器工作容積的變化，以此選定液壓馬達(dá)、蓄能器型號(hào)。

式中，ΔP為馬達(dá)工作壓力差，取300bar；ηm為馬達(dá)機(jī)械效率，取0.95；Tm為下降時(shí)馬達(dá)的扭矩取，取80%滿載扭矩T12。

（1）選定馬達(dá)最大排量400ml/r，排量電比例控制。

蓄能器工作容積ΔV，L

式中，ηV為馬達(dá)容積效率，取0.95；n為下降時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。

式中：P0為蓄能器充氣壓力，140bar；P1為蓄能器最低工作壓力，150bar。P2為蓄能器最高工作壓力，300bar；n為指數(shù)，取1.4。

（2）蓄能器總?cè)莘e700L,其中活塞蓄能器330L,氣瓶370L。

4 蓄能器節(jié)能分析

因起升機(jī)構(gòu)由主起升電機(jī)及液壓馬達(dá)一起驅(qū)動(dòng)，速度由主起升電機(jī)變頻控制，液壓馬達(dá)不設(shè)速度控制，理想工況是主起升電機(jī)在負(fù)載下降時(shí)要提供一定的抗衡扭矩，在負(fù)載上升階段提供驅(qū)動(dòng)扭矩，即要求液壓馬達(dá)在負(fù)載下降時(shí)提供的抗衡扭矩最大值不超過(guò)抗衡負(fù)載下降要求計(jì)算值，在負(fù)載上升階段提供的驅(qū)動(dòng)扭矩最大值不超過(guò)驅(qū)動(dòng)負(fù)載上升要求計(jì)算值。電比例液壓馬達(dá)具體排量設(shè)定,可按各工況蓄能器工作壓力及負(fù)載抗衡扭矩或驅(qū)動(dòng)扭矩確定設(shè)定范圍：如負(fù)載下降時(shí)，液壓馬達(dá)抗衡扭矩最大可達(dá)到總負(fù)載抗衡扭矩的80%～100%，盡可能大的排量有利于蓄能器儲(chǔ)存更多的能量；負(fù)載上升時(shí)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)扭矩會(huì)隨著壓力降低而減小，初始排量最大可設(shè)定為驅(qū)動(dòng)總負(fù)載驅(qū)動(dòng)扭矩的排量，盡可能多的利用蓄能器的儲(chǔ)存能量。

4.1 額定負(fù)載下降儲(chǔ)存能量（如BA段）

馬達(dá)排量Vg設(shè)置，400ml/r(小于最大工作壓力馬達(dá)排量計(jì)算值，在額定負(fù)載下，可以將馬達(dá)設(shè)定到最大排量)。

最大工作壓力300bar時(shí)：

在t1=24.66s時(shí),壓力達(dá)到最高壓力限制299.7bar,工作容積變化為184.1L,此后蓄能器不再蓄能,馬達(dá)提供的流量經(jīng)溢流閥(設(shè)定壓力300bar)卸掉。馬達(dá)輸出扭矩蓄能開(kāi)始時(shí)T0,最低工作壓力150bar。

蓄能結(jié)束時(shí)工作扭矩T1，工作壓力300bar：

液壓輔助系統(tǒng)消耗功率N3=15kW，作用時(shí)間t1為30s。

此階段,重物勢(shì)能部分通過(guò)液壓蓄能器轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)，起升機(jī)構(gòu)從電網(wǎng)耗能較小，忽略不計(jì)。

4.2 吊具空載上升釋放能量（如AB段）

馬達(dá)排量設(shè)置Vg，取120ml/r(小于初始?jí)毫︸R達(dá)排量計(jì)算值，OK)。

4.3 吊具空載下降儲(chǔ)存能量（如CD段）

馬達(dá)排量Vg設(shè)置，120ml/r（小于最終壓力時(shí)馬達(dá)排量計(jì)算值127ml/r，OK）。

液壓輔助系統(tǒng)消耗功率N3=15kW,作用時(shí)間t1為20s。

此階段,吊具勢(shì)能部分通過(guò)液壓蓄能器轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)，起升機(jī)構(gòu)從電網(wǎng)耗能較小，忽略不計(jì)。

4.4 額定載荷上升釋放能量（如DC段）

馬達(dá)排量設(shè)置Vg，取261ml/r(小于初始?jí)毫︸R達(dá)排量計(jì)算值，OK)。

表1

表2

261ml/r為由軟件模擬上升結(jié)束時(shí)蓄能器剛好釋能至最低工作壓力150bar的液壓馬達(dá)排量，如排量設(shè)置大于261ml/r,釋能在上升過(guò)程中提前結(jié)束，節(jié)能效果與排量為261ml/r時(shí)一致；排量設(shè)置小于261ml/r,釋能在上升結(jié)束時(shí)，蓄能器壓力還超過(guò)最低工作壓力，釋能不充分。

節(jié)能效率η0=η1-η2=25.4%。

小車橫移，如BC、CB段，起升機(jī)構(gòu)不工作，液壓輔助系統(tǒng)耗能15kW,工作時(shí)間都為20S。得出結(jié)論如表3。

不考慮下降時(shí)起升功率影響（負(fù)載驅(qū)動(dòng)起升電機(jī),蓄能器處于儲(chǔ)能模式,起升電機(jī)從電網(wǎng)耗能忽略不計(jì)），則總節(jié)能效率如下：

表3

為方便計(jì)算，壓力變化曲線看作是線性曲線。計(jì)算過(guò)程中取高、低兩點(diǎn)的平均值。

5 結(jié)語(yǔ)

公司場(chǎng)橋、岸橋設(shè)備目前主要采用制動(dòng)電阻方式吸收轉(zhuǎn)化重物下降時(shí)的勢(shì)能，通過(guò)發(fā)熱消耗掉，少有吸收再利用的方式。液壓蓄能器-馬達(dá)方案可以吸收部分重物下降勢(shì)能，用于再提升，相當(dāng)于部分制動(dòng)載荷；蓄能器儲(chǔ)能飽和后，多余流量通過(guò)高壓溢流，相當(dāng)于大部分制動(dòng)載荷，溢流熱量通過(guò)油散冷卻。蓄能器功能：一是充當(dāng)制動(dòng)載荷，二是節(jié)能，同時(shí)還可以降低主機(jī)功率配置，提升作業(yè)效率。