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(jì)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(jì)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(jìn)行及時替換與淘汰。門座起重機(jī)作為港口使用數(shù)量最多、耗能量大的機(jī)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(jī)節(jié)能減排的理論和應(yīng)用研究，對設(shè)備能耗進(jìn)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(jī)的起升機(jī)構(gòu)是耗能最大的工作機(jī)構(gòu)，其具有位能性的工作特點(diǎn)[1]。當(dāng)起吊貨物時，電機(jī)吸收電能并將其轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動貨物起升而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為勢能。當(dāng)下放貨物時，負(fù)載自身的重力勢能釋放將拖動電機(jī)反轉(zhuǎn)，負(fù)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(jìn)行回收再利用，將會大幅提高機(jī)構(gòu)的工作能效，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。通過對起升機(jī)構(gòu)工作過程中的能量利用與損耗進(jìn)行研究，對機(jī)構(gòu)工作循環(huán)過程中的供給能和可回收能量進(jìn)行詳細(xì)分析，并通過實(shí)例計算和測試獲得相關(guān)有價值的結(jié)論，為港口機(jī)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(jī)構(gòu)的能量分析

起升機(jī)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(yùn)行階段。圖1所示為空載或帶載工況下的起升機(jī)構(gòu)工作循環(huán)圖。下面將分階段對起升機(jī)構(gòu)的能量利用與損耗進(jìn)行分析。

圖1 起升機(jī)構(gòu)工作循環(huán)示意圖

2.1 帶載荷上升運(yùn)行過程

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

起升機(jī)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(jī)做功驅(qū)動傳動系統(tǒng)運(yùn)動，最終實(shí)現(xiàn)貨物的提升，其能量流向?yàn)椋和怆娋W(wǎng)→驅(qū)動電機(jī)→傳動系統(tǒng)→負(fù)載[2]。

2.1.1 加速上升運(yùn)行階段

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

TM>TG+TF

(1)

式中，TM為電機(jī)軸上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；TF為電機(jī)軸上的傳動系統(tǒng)摩擦阻力矩；TG為電機(jī)軸上的起吊負(fù)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(yùn)行段的電機(jī)轉(zhuǎn)角；TMθ1為電機(jī)轉(zhuǎn)矩所做的功，近似等于該階段電機(jī)的供給能E供給1減去電機(jī)損耗EMS1；TGθ1為負(fù)載轉(zhuǎn)矩所做的功，等于負(fù)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(yùn)行的動能變化；EGS1為傳動系統(tǒng)在加速上升運(yùn)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(jī)的供給能減除電機(jī)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(yùn)行階段

起升機(jī)構(gòu)在穩(wěn)定上升運(yùn)行階段，作用在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩等于傳動系統(tǒng)的摩擦阻力矩和負(fù)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(yùn)行階段的電機(jī)轉(zhuǎn)角；TMθ2為電機(jī)轉(zhuǎn)矩所做的功，近似等于該階段的電機(jī)的供給能E供給2減去電機(jī)損耗EMS2；TGθ2為負(fù)載轉(zhuǎn)矩所做的功，等于負(fù)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(jī)構(gòu)穩(wěn)定上升階段，電機(jī)的供給能除去電機(jī)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(yùn)行階段

起升機(jī)構(gòu)在減速上升運(yùn)行階段，作用在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩小于傳動系統(tǒng)的摩擦阻力矩、負(fù)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(yùn)行階段的電機(jī)轉(zhuǎn)角；TMθ3為電機(jī)轉(zhuǎn)矩所做的功，近似等于該階段的電機(jī)的供給能E供給3減去電機(jī)損耗EMS3；TGθ3為負(fù)載轉(zhuǎn)矩所做的功，等于負(fù)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(fù)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(fù)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(jī)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(jī)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(yùn)行過程

起升機(jī)構(gòu)在整個帶載上升運(yùn)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(jī)從外電網(wǎng)吸收的全部能量E供給除去電機(jī)損耗EM和機(jī)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(yùn)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(yùn)行總高度；m為負(fù)載的質(zhì)量；m1為吊具質(zhì)量。

2.2 帶載荷下降運(yùn)行過程

起升機(jī)構(gòu)帶載下降時，外部電網(wǎng)能量供給切斷，由負(fù)載自重拖動傳動系統(tǒng)反轉(zhuǎn)下降，此時驅(qū)動電機(jī)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?yàn)椋贺?fù)載→傳動系統(tǒng)→發(fā)電機(jī)→制動電阻。該過程所輸出的總能量即為負(fù)載在下降初始位置的總勢能E勢。

2.2.1 加速下降運(yùn)行階段

加速下降運(yùn)行階段系統(tǒng)的輸出能量為負(fù)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(yùn)行距離。該階段，負(fù)載重力矩TG大于傳動系統(tǒng)摩擦阻力矩TF與電機(jī)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(fù)載重力釋放的勢能除消耗于傳動系統(tǒng)摩擦損耗、電機(jī)勵磁損耗及制動電阻損耗外，其余能量轉(zhuǎn)化為負(fù)載加速下降運(yùn)行的動能和傳動系統(tǒng)的慣性能改變，此時系統(tǒng)在負(fù)載勢能的作用下，使傳動系統(tǒng)和貨物加速下降運(yùn)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(yùn)行階段負(fù)載的動能變化；EGX1為加速下降運(yùn)行階段傳動系統(tǒng)慣性能變化；EFX1為加速下降運(yùn)行階段傳動系統(tǒng)摩擦損耗；ERX1為加速下降運(yùn)行階段制動電阻的損耗；EMX1為加速下降運(yùn)行階段電機(jī)勵磁損耗。

2.2.2 穩(wěn)定下降運(yùn)行階段

穩(wěn)定下降運(yùn)行階段系統(tǒng)的輸出能量也為負(fù)載下降運(yùn)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(yùn)行距離。在該階段，負(fù)載重力矩TG等于傳動系統(tǒng)摩擦阻力矩TF與電機(jī)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(fù)載重力矩釋放的勢能與系統(tǒng)的摩擦損耗、電機(jī)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(yùn)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(yùn)行階段電機(jī)制動電阻損耗；EMX2為穩(wěn)定下降運(yùn)行階段電機(jī)勵磁損耗；EFX2為穩(wěn)定下降運(yùn)行階段傳動系統(tǒng)摩擦損耗。

起升機(jī)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(fù)載重力釋放的總勢能減除電機(jī)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(yùn)行階段

減速下降運(yùn)行階段的總能量包括負(fù)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(yùn)行距離;EDX2為減速下降運(yùn)行階段負(fù)載的動能變化；EGX2為減速下降運(yùn)行階段傳動系統(tǒng)慣性能變化。在該階段，負(fù)載重力矩TG小于傳動系統(tǒng)摩擦阻力矩TF與電機(jī)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(fù)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(jī)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(yùn)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(yùn)行階段傳動系統(tǒng)摩擦損耗；EMX3為減速下降運(yùn)行階段電機(jī)勵磁損耗；E制為減速下降運(yùn)行階段制動器摩擦損耗；ERX3為減速下降運(yùn)行階段電機(jī)制動電阻損耗。

2.2.4 整體下降運(yùn)行過程

起升機(jī)構(gòu)在整個帶載下降運(yùn)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(jī)損耗和機(jī)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(jìn)行回收再利用的。

門座起重機(jī)在一個工作循環(huán)中，具有帶載和空載2個作業(yè)工況?？蛰d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(shí)際計算時用吊具質(zhì)量取代載物質(zhì)量即可。

3 起升機(jī)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(jī)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(fù)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(yùn)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(jī)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(shí)際計算時，通常將電動機(jī)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(jìn)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(jī)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(dá)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(shí)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)例

某港口40 t抓斗門座起重機(jī)起升機(jī)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(jī)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(jī)起升機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)由電機(jī)、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(jī)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?？捎嬎愕脗鲃酉到y(tǒng)總供給能為E供給=9 429 kJ。其中勢能所占的比例達(dá)76%以上。

起升機(jī)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?？苫厥漳芰空脊┙o能量的比例為40%。

4 起升機(jī)構(gòu)能量回收應(yīng)用

起升機(jī)構(gòu)位能的整個釋放過程大約12 s左右，整個加速補(bǔ)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(shí)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(jī)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(hù)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(jī)上穩(wěn)定運(yùn)行半年，其現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同測試周期時起升機(jī)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(jī)的起升機(jī)構(gòu)上，其能量回收效率為37.3%。實(shí)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(yàn)證了計算結(jié)果。

5 結(jié)語

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

(1)門座起重機(jī)起升機(jī)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(dá)近80%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他平移性工作機(jī)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(shí)例定量計算分析可知，起升機(jī)構(gòu)可回收能量占供給能量的比例可達(dá)40%以上，通過實(shí)際應(yīng)用超級電容儲能裝置將該部分能量進(jìn)行回收再利用，可有效提高門機(jī)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(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能效果。