電池鏟運機配定、變量液壓系統(tǒng)能量損耗和續(xù)航時間的分析計算

安曉波,趙天明

(金誠信礦業(yè)管理股份有限公司,北京 101500)

0 概述

隨著全球礦業(yè)機械化水平的不斷提高,地下鏟運機已成為地下礦山開采的必備設(shè)備。礦山井下通風(fēng)差,柴油鏟運機工作時排出的尾氣無法即時排走,造成工作環(huán)境惡劣;而傳統(tǒng)的電動鏟運機帶有電纜,遠距離施工及轉(zhuǎn)場不便。而隨著社會對環(huán)境問題的重視,對燃油車的排放要求也越來越高,電池驅(qū)動的礦山無軌設(shè)備已成為新的發(fā)展方向。

采用電池驅(qū)動的鏟運機(后續(xù)簡稱純電池鏟運機),受限于電池的容量,很難連續(xù)工作8 小時(井下輪一個班的時間)。

傳統(tǒng)的柴油鏟運機大多采用定量液壓系統(tǒng),能量損失大,能耗高,發(fā)熱量大。筆者所在公司生產(chǎn)的KAT307EV(2020 款)純電池鏟運機,采用傳統(tǒng)的定量液壓系統(tǒng)。在實際生產(chǎn)過程中,發(fā)現(xiàn)150 kW·h電量只能連續(xù)工作5小時左右。為減少能耗,延長續(xù)航時間,新機型計劃采用變量液壓系統(tǒng)。本文對配定量液壓系統(tǒng)和變量液壓系統(tǒng)的電池鏟運機的能量損耗和續(xù)航時間進行了詳細的分析對比。

1 定、變量液壓系統(tǒng)的組成及原理

1.1 定量系統(tǒng)

傳統(tǒng)的7 噸鏟運機液壓系統(tǒng)如圖1 所示,采用定量液壓系統(tǒng)。主要由吸油過濾器、轉(zhuǎn)向齒輪泵(排量37 mL/r)、工作齒輪泵(45 mL)、電機、轉(zhuǎn)向閥、工作多路閥、轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)斗油缸、動臂油缸、回油過濾器等組成。

圖1 定量液壓系統(tǒng)

電機用于驅(qū)動轉(zhuǎn)向齒輪泵和工作齒輪泵。轉(zhuǎn)向齒輪泵和工作齒輪泵吸取經(jīng)吸油過濾器過濾后的液壓油,并加壓排出,為液壓系統(tǒng)提供動力。轉(zhuǎn)向齒輪泵通過轉(zhuǎn)向閥優(yōu)先為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供動力。轉(zhuǎn)向閥具有過橋功能,即該閥不動作時,可向其他系統(tǒng)供油。在鏟裝作業(yè)時,轉(zhuǎn)向齒輪泵的液壓油通過轉(zhuǎn)向閥與工作齒輪泵的液壓油合流,共同為工作系統(tǒng)提供液壓油。工作多路閥用于控制轉(zhuǎn)斗油缸和動臂油缸的動作。轉(zhuǎn)向油缸用于推動前機架擺動,整車轉(zhuǎn)彎,轉(zhuǎn)斗油缸用于推動鏟斗運動,動臂油缸用于推動動臂舉升、下降。在鏟料時將動臂下降到合適位置,進行鏟料;鏟料完成后將動臂和鏟斗調(diào)整到合適位置,轉(zhuǎn)運到合適位置后,再舉升至最高位置,卸到礦卡或溜井。

工作多路閥的P 口連接工作齒輪泵的出口,T口通過回油過濾器回到油箱。A1、B1 口分別接動臂油缸的無桿腔和有桿腔;A2、B2 口分別連接轉(zhuǎn)斗油缸的有桿腔和無桿腔。當(dāng)工作多路閥動作時,壓力油通過工作多路閥的出口進入動臂油缸或轉(zhuǎn)斗油缸的有(無)桿腔,推動油缸動作;油缸另一腔的油從工作多路閥T 口經(jīng)過回油過濾器過濾后回到油箱。

1.2 變量系統(tǒng)

7 噸電池鏟運機變量液壓系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2所示。主要由吸油過濾器、變量泵(排量75 mL/r)、回油過濾器、電比例多路閥、轉(zhuǎn)向閥、電機、轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)斗油缸、動臂油缸等組成。

圖2 變量液壓系統(tǒng)

其中吸油過濾器、電機、轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)斗油缸、動臂油缸、回油過濾器的功能與定量系統(tǒng)相同。

變量柱塞泵為負載敏感變量柱塞泵,可根據(jù)系統(tǒng)負載變化情況,通過自動調(diào)節(jié)自身的排量來提供系統(tǒng)所需流量。可避免多余的流量損失掉,減少能耗。工作閥和轉(zhuǎn)向閥均為電比例控制的負載敏感多路閥,可將負載信號反饋給變量柱塞泵,使其按需要調(diào)整排量。

工作閥的P 口連接變量柱塞泵的出口。CF 口與轉(zhuǎn)向閥的P 口相連;LS1 口與轉(zhuǎn)向閥的LS 口相連;LS 口與變量柱塞泵的LS 口相連;Pp 口與蓄能器相連;To 口直接與油箱聯(lián)通;T 口通過回油濾與油箱聯(lián)通;A1、B1 口分別接動臂油缸2 的無桿腔和有桿腔;A2、B2 口分別連接轉(zhuǎn)斗油缸的有桿腔和無桿腔。當(dāng)工作閥動作時,變量柱塞泵提供的液壓油經(jīng)工作閥的A1、B1、A2、B2 口進入液壓缸的一腔,液壓缸另一腔回油從T 口經(jīng)過回油過濾器,回到油箱,同時推動動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸動作。當(dāng)轉(zhuǎn)向閥動作時,變量柱塞泵提供的液壓油經(jīng)工作閥4 的A、B 口進入轉(zhuǎn)向缸的一腔,轉(zhuǎn)向缸另一腔回油從R 口經(jīng)過回油過濾器,回到油箱,同時推動轉(zhuǎn)向油缸動作。當(dāng)工作閥、轉(zhuǎn)向閥不動作時(即鏟運機行走時),變量柱塞泵只會因系統(tǒng)內(nèi)泄露產(chǎn)生微量的壓力油(可忽略不計),此時液壓系統(tǒng)基本不消耗能量,也能減少不必要的發(fā)熱。

2 配定、變量液壓系統(tǒng)電池鏟運機能量損耗的分析計算

鏟運機的能量基本是液壓系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)消耗的。鏟運機工作時分為鏟裝作業(yè)和行駛兩類大的工況。鏟裝作業(yè)又分為插取物料、收斗、舉臂、卸料、再收斗五個階段。插取物料時,液壓系統(tǒng)無動作。

在CAE 軟件Motionsolven 上建模,并將鏟運機的相關(guān)參數(shù)輸入,可得到液壓油缸的受力曲線(如圖3 所示),用作分析計算能耗的材料。

圖3 液壓油缸受力曲線(綠色為動臂油缸,紫色為轉(zhuǎn)斗油缸)

2.1 定量液壓系統(tǒng)的能量損耗

液壓系統(tǒng)的功率計算公式如下:

式中 Po—液壓系統(tǒng)的功率,kW;

P—系統(tǒng)壓強,MPa;

Q—泵的流量,L/min。

根據(jù)帕斯卡公式:

式中 P—系統(tǒng)壓強,MPa;

F—油缸壓力,N;

S—油缸截面積,m2;

D—油缸內(nèi)徑,mm。

由式(1)、(2)可得:

泵的流量:

式中 Di—液壓泵排量,mL/r;

N—電機轉(zhuǎn)速,r/min。

已知舉升油缸缸徑D1為140 mm,由圖3 可知舉升缸計算受力曲線峰值675.8 kN。

由式(2)可得,P=≈22 MPa

注:因舉升油缸有2 個,所以需油缸面積需要乘以2。

結(jié)合圖3 并按此公式計算,可得收斗時系統(tǒng)平均壓強P1為14.07 MPa(取中值),時間t1為3 s;舉臂時系統(tǒng)平均壓強P2為15.24 MPa(取中值),時間t2為6.5 s;卸料時系統(tǒng)平均壓強P3為8.57 MPa(取中值),時間t3為2.5 s;再收斗時系統(tǒng)平均壓強P4為2.3 MPa(取中值),時間t4為3 s。定量系統(tǒng)和變量系統(tǒng)此時壓強是一樣的。

鏟運機在鏟運過程中,需要行走一段距離,根據(jù)實際工況一般≥25 m,另外經(jīng)實際檢測,行走時背壓P5為1 MPa 左右。(按25 m 計算)鏟裝加行駛一次平均約220 s(簡稱一個工作循環(huán)),其中鏟裝作業(yè)時間45 s,行駛時間t5為175 s。

已知定量系統(tǒng)齒輪泵的排量為82 mL/r,電機轉(zhuǎn)速2 200 r/m;根據(jù)公式(2)、(4)可得:

定量系統(tǒng)各個階段的功率:

定量泵系統(tǒng)一個工作循環(huán)消耗的的能量:

式中 El—定量系統(tǒng)的能量損耗,kJ。

根據(jù)公式(5)可得:

2.2 變量液壓統(tǒng)的能量損耗

變量系統(tǒng)鏟裝作業(yè)時各個階段的壓力跟定量系統(tǒng)是一致的,收斗時系統(tǒng)平均壓強P1為14.07 MPa(取中值),時間t1為3 s;舉臂時系統(tǒng)平均壓強P2為15.24 MPa(取中值),時間t2為6.5 s;卸料時系統(tǒng)平均壓強P3為8.57 MPa(取中值),時間t3為2.5 s;再收斗時系統(tǒng)平均壓強P4為2.3 MPa(取中值),時間t4為3 s。但變量系統(tǒng)的流量跟定量系統(tǒng)跟隨負載需要而變化,理論上不存在多余的流量溢流。

已知舉升缸缸徑200 mm,行程600 mm;轉(zhuǎn)斗缸缸徑140 mm,行程650 mm。

油缸容積計算公式:

式中 V—油缸容積,L;

L—油缸行程,mm;

D—油缸內(nèi)徑,mm。

鏟料收斗需要多次抖動,此處總流量按油缸總?cè)莘e估算,平均流量為:

整車行走時,因油缸不動作,液壓系統(tǒng)基本無流量,理論上此時液壓系統(tǒng)不消耗能量。變量系統(tǒng)一個工作循環(huán)消耗的的能量根據(jù)公式(2)、(4)、(5)可得:

2.3 傳動系統(tǒng)的能量損耗

鏟運機使用過程中,主要消耗能量的除了液壓系統(tǒng)外,還有傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)能量消耗計算公式:

式中 Ed—傳動系統(tǒng)做的功,kJ;

Sd—行駛距離,m;

Fd—牽引力,kN。

傳動系統(tǒng)做工分為空載加速、空載勻速、滿載加速、滿載勻速和插入物料5 種工況:

加速階段牽引力計算公式:

式中 Fd—牽引力,kN;

N—電機扭矩,kN;

i—速比,此處為63.005 4;

η—機械效率,此處取0.95;

r—輪胎半徑,m。

勻速階段牽引力計算公式:

式中 FdE—勻速牽引力,kN;

G—整車重量,t;

g—重力加速度,取9.8;

μ—車輪阻力系數(shù),取0.008。

插入物料時電機處于最大功率,由圖3 可知時間約3 s。

已知,空載車重18 t,滿載25 t;電機最大扭矩1 000 N·m,最大功率100 kW;輪胎半徑0.7 m;加速距離按10 m 計算,勻速距離按15 m 計算。根據(jù)公式(7)、(8)、(9)可得,空載加速做工:Ed1=855.07 kJ;空載均速做工:Ed2=129.6 kJ;滿載加速做工:Ed3=855.07 kJ;滿載均速做工:Ed4=180 kJ;根據(jù)公式(5)插入物料做工(此時電機滿功率):Ed5=300 kJ。由此可得一個工作循環(huán),傳動系統(tǒng)做工:Ed=Ed1+Ed2+Ed3+Ed4+Ed5=773 kJ=0.644 kW·h

2.4 配備定、變量系統(tǒng)的電池鏟運機續(xù)航能力對比

已知齒輪泵總效率60%～70%,此處取65%;變量泵總效率80%～90%,此處取85%。通過上述內(nèi)容可知:定量系統(tǒng)一個工作循環(huán)的實際能耗:Ea=El/0.65 +Ed=1.5 kW·h;變量系統(tǒng)一個工作循環(huán)的實際能耗:Eb=Ev/0.85 +Ed=0.78 kW·h。由此可得,同樣的電量變量系統(tǒng)工作量可提高90%。7 噸電池鏟運機所載電池儲能為Ee=150 kW·h,每次使用電量按70%計算(電池電量不能用完):

配定量系統(tǒng)工作循環(huán)次數(shù)N1=

配變量系統(tǒng)工作循環(huán)次數(shù)N2=

由此可得,配定量系統(tǒng)工作時間Tl=N1×220 s(按25 m 運輸距離,實際測得的工作循環(huán)時間)=4.28 h;配變量系統(tǒng)工作時間Tv=N2× 220 s=9.17 h。

3 結(jié)論

本文鏟運機按25 m 運輸距離(工作面到礦卡或溜井)計算,而在實際工作工程中,實際運輸距離一般大于25 m。而由本文上述內(nèi)容可知當(dāng)運輸距離更長時變量系統(tǒng)的能耗優(yōu)勢更明顯。由此計算證明電池鏟運機配變量液壓系統(tǒng)能量損耗相比配定量液壓系統(tǒng)可降低40% 以上。該款電池鏟運機KAT307EV 配變量系統(tǒng)可連續(xù)工作8 小時以上,可滿足井下輪一個班(8 小時)的需要。

注:本文采用的數(shù)據(jù)部分由理論計算得到,部分由實測或按經(jīng)驗估算得到,計算結(jié)果為近似計算。