蓄能器在起升機構上的節能研究

楊萬秋，羅偉平

（上海振華重工集團有限公司，上海 200125）

1 技術背景

目前，碼頭堆場上用于集裝箱的吊裝作業設備多數都是場橋、岸橋，其起升機構一般都是電機驅動，機構傳動系統為：電機-連軸器-減速器-卷筒。在重物上升階段，電機驅動提升重物；在重物下降階段，重物拖動電機反轉，此時電機為發電狀態。為控制電能輸出，傳統方法一般都接制動電阻，將重物勢能轉化的電能通過電阻發熱白白消耗掉；也有少數配置電池儲能單元，回收部分電能，儲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，很難大規模推廣。因此本文研究介紹一種新的即液壓蓄能器在場橋、岸橋起升機構應用,并進行節能研究。

2 理論方法研究

在液壓傳動中，蓄能器也常作為儲能單元使用，重物下降的勢能也可通過蓄能器儲存起來，相對于電池儲能技術，液壓壽命一般較長，成本可控。節能效率通過計算如下面研究。

蓄能器節能方案中，通過在減速器上安裝一液壓馬達（與電機同軸）或在電機尾部串接液壓馬達，液壓馬達與起升電機一起驅動減速器。

2.1 節能系統原理

液壓原理圖如圖1所示，9為二次馬達，其高壓油口B通過蓄能器控制閥組10與蓄能器組11相連，每組蓄能器由活塞式蓄能器及氮氣瓶組成，結合吊機上的重量傳感器設定二次馬達9的排量，當不需要二次馬達參加工作時，蓄能器控制閥組10可以讓馬達高壓口B與油口T直接相連。電機3用于驅動輔助油泵5、6，油泵5一方面向二次馬達9低壓側補油，防止馬達吸空，一方面為散熱器7提供散熱油流量。油泵6用于驅動散熱器馬達，同時提供二次馬達變量控制油。

圖1 節能系統原理圖

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：減速器驅動液壓二次馬達9,此時馬達當泵工況，高壓油經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。當壓力到蓄能器控制閥組設定的高壓力時，充能結束，馬達高壓油通過蓄能器控制閥組溢流至T口回油箱，但二次馬達依然維持較大排量，產生的扭矩用于抗衡重物勢能。補油泵5用于向二次馬達9低壓側A口補油，多余流量經散熱器7至油箱。

（2）空載上升/如AB段：二次馬達9驅動減速器輔助提升空載吊具，蓄能器組11高壓油經蓄能器控制閥組A、P口、二次馬達9高壓側B口，再從A口回油箱。補油泵5泵出液壓油經散熱器7至油箱。

（3）空載下降/如CD段：減速器驅動液壓二次馬達9,此時馬達當泵工況，高壓油經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。當壓力到蓄能器控制閥組設定的高壓力時，充能結束，但馬達依然維持設定排量，產生的扭矩用于抗衡吊具勢能。補油泵5用于向液壓二次馬達9低壓側A口補油，多余流量經散熱器7至油箱。

（4）帶載上升/如DC段：液壓二次馬達9驅動減速器輔助提升重物，蓄能器組高壓油經蓄能器控制閥組A、P口、二次馬達9高壓側B口，再從A口回油箱。補油泵5泵出液壓油經散熱器7至油箱。

（5）橫移/如BC、CB段：此時液壓二次馬達9不工作，補油泵5泵出液壓油經散熱器7至油箱。冷卻泵5驅動散熱器7馬達工作。

3 蓄能器設計計算

以某一型號場橋為例，其起升系統要求如表1。

3.1 根據系統要求，通過常規計算起重機計算公式可以得出起升機構如表2的基本參數

3.2 液壓馬達、蓄能器選型計算

根據計算扭矩、選定蓄能器工作壓力等級，可以初步估算出液壓馬達排量，再根據馬達作用時間或轉過的圈數可以推導出蓄能器工作容積的變化，以此選定液壓馬達、蓄能器型號。

式中，ΔP為馬達工作壓力差，取300bar；ηm為馬達機械效率，取0.95；Tm為下降時馬達的扭矩取，取80%滿載扭矩T12。

（1）選定馬達最大排量400ml/r，排量電比例控制。

蓄能器工作容積ΔV，L

式中，ηV為馬達容積效率，取0.95；n為下降時馬達轉過的圈數。

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，取1.4。

（2）蓄能器總容積700L,其中活塞蓄能器330L,氣瓶370L。

4 蓄能器節能分析

因起升機構由主起升電機及液壓馬達一起驅動，速度由主起升電機變頻控制，液壓馬達不設速度控制，理想工況是主起升電機在負載下降時要提供一定的抗衡扭矩，在負載上升階段提供驅動扭矩，即要求液壓馬達在負載下降時提供的抗衡扭矩最大值不超過抗衡負載下降要求計算值，在負載上升階段提供的驅動扭矩最大值不超過驅動負載上升要求計算值。電比例液壓馬達具體排量設定,可按各工況蓄能器工作壓力及負載抗衡扭矩或驅動扭矩確定設定范圍：如負載下降時，液壓馬達抗衡扭矩最大可達到總負載抗衡扭矩的80%～100%，盡可能大的排量有利于蓄能器儲存更多的能量；負載上升時，液壓馬達驅動扭矩會隨著壓力降低而減小，初始排量最大可設定為驅動總負載驅動扭矩的排量，盡可能多的利用蓄能器的儲存能量。

4.1 額定負載下降儲存能量（如BA段）

馬達排量Vg設置，400ml/r(小于最大工作壓力馬達排量計算值，在額定負載下，可以將馬達設定到最大排量)。

最大工作壓力300bar時：

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

蓄能結束時工作扭矩T1，工作壓力300bar：

液壓輔助系統消耗功率N3=15kW，作用時間t1為30s。

此階段,重物勢能部分通過液壓蓄能器轉化、存儲，起升機構從電網耗能較小，忽略不計。

4.2 吊具空載上升釋放能量（如AB段）

馬達排量設置Vg，取120ml/r(小于初始壓力馬達排量計算值，OK)。

4.3 吊具空載下降儲存能量（如CD段）

馬達排量Vg設置，120ml/r（小于最終壓力時馬達排量計算值127ml/r，OK）。

液壓輔助系統消耗功率N3=15kW,作用時間t1為20s。

此階段,吊具勢能部分通過液壓蓄能器轉化、存儲，起升機構從電網耗能較小，忽略不計。

4.4 額定載荷上升釋放能量（如DC段）

馬達排量設置Vg，取261ml/r(小于初始壓力馬達排量計算值，OK)。

表1

表2

261ml/r為由軟件模擬上升結束時蓄能器剛好釋能至最低工作壓力150bar的液壓馬達排量，如排量設置大于261ml/r,釋能在上升過程中提前結束，節能效果與排量為261ml/r時一致；排量設置小于261ml/r,釋能在上升結束時，蓄能器壓力還超過最低工作壓力，釋能不充分。

節能效率η0=η1-η2=25.4%。

小車橫移，如BC、CB段，起升機構不工作，液壓輔助系統耗能15kW,工作時間都為20S。得出結論如表3。

不考慮下降時起升功率影響（負載驅動起升電機,蓄能器處于儲能模式,起升電機從電網耗能忽略不計），則總節能效率如下：

表3

為方便計算，壓力變化曲線看作是線性曲線。計算過程中取高、低兩點的平均值。

5 結語

公司場橋、岸橋設備目前主要采用制動電阻方式吸收轉化重物下降時的勢能，通過發熱消耗掉，少有吸收再利用的方式。液壓蓄能器-馬達方案可以吸收部分重物下降勢能，用于再提升，相當于部分制動載荷；蓄能器儲能飽和后，多余流量通過高壓溢流，相當于大部分制動載荷，溢流熱量通過油散冷卻。蓄能器功能：一是充當制動載荷，二是節能，同時還可以降低主機功率配置，提升作業效率。