起重機行走系統節能經濟效益研究

王 威

（江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢驗檢測研究院贛州檢測分院， 江西 贛州 341000）

0 引言

起重機是我國應用最廣泛的工程機械，其具有大功率、高耗能特點。隨著我國綠色化理念的推行，高效、節能也成為各行業發展的主流方向[1]。在此種環境下，起重機的節能化設計改造也成為每一個工程機械制造企業所需要思考的問題。履帶式起重機作為我國最常見的一種工程起重機械具有大功率和高耗能特點，其在行走過程中因系統功率匹配不當會造成巨額能量流失，因此如何有效實現起重機功率匹配對節能發展有著極其重要的意義。

1 節能控制策略

1.1 分工況功率設定節能控制策略

起重機在作業過程中行走系統所受到的地面負載是可變化的，此種情況下便需要根據工況的不同對發動機進行調整，實現行走系統功率與負載的匹配，進而降低能源消耗[2]。本次節能控制策略基于電子信息技術以及自適應模糊PID 控制算法所實現，通過傳感器檢測起重機的信號，起重機行走系統會根據反饋的信號對發動機油門開度進行控制。根據某企業起重機實際運行情況來看，可以將其分為空載大功率工況、帶載中功率工況以及空載小功率工況，不同工況下的功率消耗也包含有附屬裝置的消耗，因此所設定的工況功率值需要大于系統實際所產生的功率。

1.1.1 空載大功率工況下的節能控制方式

空載大功率工況主要有轉彎工況和爬坡工況兩種，經實踐研究發現，空載轉彎工況下所需要的功率相比較爬坡（坡度≤3°）工況功率大。在這兩種工況下，為了能夠確保發動機輸出的功率得到最大化利用，需要將最大功率點設置為發動機功率匹配工況點，同時利用自適應模糊PID 控制的方式對發動機的轉速進行調整，保持發動機在符合功率需求下依舊能夠處于最佳經濟轉速值（1 900 r/min），此時發動機功率與變量泵的吸收功率基本一致，從理論角度分析發動機的功率輸出不存在剩余功率。

1.1.2 帶載中功率工況下的節能控制方式

帶載中功率工況包含有低速直行工況和低速大半徑轉彎工況。在此種工況下，發動機想要匹配最佳功率，需要保證在該工況下發動機的轉速波動不大。為此，需要將發動機帶載低速工況下的目標轉速設置為1 800 r/min，而在低速直行工況下發動機轉速則設定為1 600 r/min。

1.1.3 空載小功率工況下的節能控制方式

空載小功率工況包含有起重機怠速作業或場地轉換作業工況，其對發動機的輸出功率要求較小，因此此種工況下的功率設定可以將空載直行小功率為主，發動機目標轉速設置為1 400 r/min，進而降低發動機能耗。此時電控系統也會將液壓系統的數據傳遞給行走系統中，進而對變量泵的排量進行調整，并對變量泵的出口壓力和標定壓力進行比對，以此為基礎對發動機油門開口度進行調整，實現燃油噴吐量的調控，從而達到節能控制的目的。

1.2 行駛階段的節能控制方式

某起重機行走系統是由L8VO 雙泵系統所驅動的，起重機的位移運動均是在此系統的操控下所完成。為了降低起重機行走時的能源消耗，可根據上文將發動機的運行情況分為三個工況，不同工況下發動機設置的目標轉速有一定的差異。在功率模式設定完成后，功率變動主要由變量泵功率進行調控，基于模糊PID 控制模式結合電子控制單元對發動機進行合理化調控，確保發動機在各種工況下均能處于穩定狀態，行走系統中的發動機、泵的負載功率能夠實現相互匹配。

1.3 起重機功率匹配自適應模糊PID 節能控制

本次所建立的起重機行走功率匹配系統是基于自適應模糊PID 控制算法所實現的，該算法用于協調發動機、負載、液壓泵三者之間的匹配關系。在行走節能系統運行過程中，壓力傳感器將檢測到的信號值傳遞給電子控制單元，之后電子控制單元根據信號值判定起重機的實際運行工況，將發動機轉速與目標轉速進行對比，將對比值輸入到模糊控制器中進行計算，然后得出油門開口最佳經濟點，并發出電信號由執行元件進行控制。

2 起重機行走系統節能措施的仿真模擬

為了驗證起重機行走系統節能措施的可行性，本次采用AMESim 以及MATLAB/Simulink 軟件對系統進行仿真模擬，根據上述節能策略所建立的節能系統模型如圖1 所示。

圖1 節能系統模型

本次仿真模擬是在起重機空載小功率工況下進行的，選定目標轉速設置為1 400 r/min，將油門開度設置為60%，起重機行走速度設置為0.15 m/s。在仿真模擬過程中，在第10 s 和20 s 時分別加載和減載6 MPa 的載荷，仿真時間為30 s，查看發動機轉速仿真模擬輸出情況，結果如圖2 所示。

圖2 發動機轉速仿真模擬輸出情況

在傳統控制模式下，在加入載荷后起重機發動機轉速最低降至1 289 r/min，經過約7 s 時間恢復到1 400 r/min，在減去載荷后，發動機的轉速最高升至1 441 r/min，經過約6 s 時間恢復到最初狀態；在節能控制模式下，仿真模擬系統在加入載荷后發動機轉速最小降至1 322 r/min，在5 s 后恢復到1 400 r/min，在減去載荷后發動機轉速最高升至1 425 r/min，在5 s后降至穩定狀態。由此可見，相比較傳統控制方式而言，節能控制策略下起重機發動機轉速在載荷變化下波動幅度更小，回歸平穩狀態所需要的時間更短，對改善調控系統動態性能具有更好的效果。

為了驗證行走系統功率匹配情況是否良好，在仿真模擬過程中將電流初始值設置為320 mA，發動機輸入轉矩設置為653.2 N·m，轉速設置為1 400 r/min。對發動機的輸出功率變化情況和變量泵吸收功率的變化情況進行仿真，具體結果如圖3、圖4 所示。

圖3 起重機發動機輸出功率變化

圖4 起重機變量泵吸收功率變化

由圖3、圖4 可知，起重機發動機輸出功率穩定狀態下為84.15 kW，變量泵吸收功率為75.95 kW；在10 s 加載載荷時發動機輸出功率變化為69.68 kW，變量泵吸收功率變化為64.39 kW；在20 s 減去載荷時發動機輸出功率上升至113.48 kW，變量泵吸收功率變化至98.21 kW，功率變化與上述發動機轉速變化規律一致，匹配功率為75.95÷84.15×100%=90.26%，可見匹配效果良好。

3 起重機行走系統節能措施的實際應用效果

該行走系統節能措施主要應用于某企業履帶式起重機上。該企業301 號履帶式起重機為80 t 載重量，該起重機主要用于工程材料的裝卸和轉移。在2022 年7 月8 日—7 月15 日為某地連續陰雨，室外工程作業需要停止，該企業在此段時間將301 號起重機行走系統進行節能改造，改造完成后繼續進行工程作業。改造前后301 號履帶式起重機作業工況與作業時間一致，因此前后能耗有對比性。經過統計計算，改造前每小時油耗約為33 L 左右，改造完成后每小時油耗為24 L，降低幅度為27.27%，該工程所在地0 號柴油價格為8.56 元/L，每小時能夠節約燃油成本77.04元。該起重機每日工作時間約8 h，該項工程工期至2025 年完工，根據工程建設需求該型號起重機在2022 年7 月15 日后預計作業時間為300 d 左右，本次經濟性計算以工作300 d 為例，改造后每臺該型號起重機在整個工程當中能夠降低成本為300 d×8 h/d×77.04 元/h=184 896 元，由此可見，行走系統節能改造能夠有效降低企業的成本投入。

4 結論

1）從空載大功率工況、帶載中功率工況、空載小功率工況方面入手，建立節能控制策略。

2）利用AMESim 和MATLAB/Simulink 軟件對行走系統節能措施進行仿真模擬，結果顯示節能控制策略下發動機動態調控性能更佳，發動機輸出功率和變量泵吸收功率匹配率達到90.26，具有良好的匹配效果。

3）將節能控制策略應用于某企業起重機中，經過統計計算可知每小時能夠節約燃油成本77.04 元，從整個工程角度分析每臺起重機能夠降低成本184 896元，具有良好的節能經濟效應。