淺談履帶起重機電動化技術應用

王成勤

摘要：在“碳達峰、碳中和”的大背景下，履帶起重機廠家順應趨勢，加速新能源動力技術的研發和應用。著重分析3種電動化技術方式的優缺點，探討對履帶起重機的適用性，提出新能源履帶起重機的推廣建議。

關鍵詞：履帶起重機；電動化；新能源

基金項目：徐州工業職業技術學院2021年度校級科研項目（XGY2021A014）

0? ?引言

履帶起重機是指具有履帶行走裝置的全回轉臂架式起重機，它具有起重性能好、起升高度與幅度大、動作平穩、接地比壓小、可帶載行走、安裝拆卸方便、工況組合多等多個優點，廣泛應用于電力、核能、石油化工、橋梁、市政、發電等國民經濟建筑領域[1]。

目前履帶起重機基本采用內燃機液壓驅動，即通過液壓傳動裝置將內燃機發出的功力傳遞到各工作機構上去。柴油機燃燒效率一般為35%～40%，尾氣排放比較嚴重[2]，使用柴油機作為動力既耗費能源又污染環境。履帶起重機起重量大，需配裝大功率柴油機功率，造成的能源浪費和環境污染較一般工程機械更嚴重。

在節能減排的大背景下，以氫燃料電池、LNG燃氣發動機、電動化等為代表工程機械不斷涌現。本文從電動化履帶起重機技術方式進行比較，分析幾種技術方式對履帶起重機產品的適用性，并提出新能源履帶起重機推廣建議。

1? ?履帶起重機電動化技術方式

電動化主要是用電機代替柴油機，根據驅動力來源和傳動方式主要有電驅液傳動、電驅電傳動、混合動力等3種。

1.1? ?電驅液傳動技術

電驅液傳動技術是將發動機換成電機，傳動系統如圖1所示。2020年利勃海爾推出的LR1250.1、LR1200.1型履帶起重機，即采用此方案。此方式有利于提高能源利用率，降低噪聲，同時能提高控制精度。但履帶起重機不能上公路行駛，受供電及電池的影響，采用此種方式使用場景、工作時間受限比較大。

1.2? ?電驅電傳動技術

電驅電傳動技術是電機替換原有的內燃機和液壓系統，用電池給電動機供電，電動機驅動執行結構動作，屬于純電動工程機械，傳動系統示意圖如圖2所示。

純電動工程機械幾乎為零排放，是新能源產業的理想選擇，也是新能源發展的主要方向。如中聯重科全球首款分布式電驅履帶起重機ZCC850V-1EV，采用了7組電機直驅機構。但履帶起重機整車系統復雜，每一個執行機構都需電機驅動，綜合成本高。電動工程機械目前尚處于起步階段，針對履帶起重機的電機等產業鏈配套也不完善，使用場景同樣受限電源限制。

1.3? ?混合動力技術

混合動力技術是指配置兩個或更多動力系統，運行中至少有一種能量存儲器或轉化器直接驅動車輛。目前工程機械主要是采用柴油機和電機混合。油電混合盡管不能實現零排放，由于有電機助力，可以選用較小排量的柴油機，且柴油機可以更長時間工作在低油耗和低排放區域，使用場景同原來一樣不受限。

混合動力技術兼顧傳統內燃機優良的動力性和純電動車輛的低排放特性，能在一定程度上緩解燃油車發展與環境污染、能源危機的矛盾，是內燃機驅動向純電動驅動發展的過渡階段，尤其對于長距離移動速度較快的道路機械，油電混優勢明顯。一般混合動力工程機械比同功率的內燃機工程機械燃油消耗降低30%～50%[2]，履帶起重機由于不能在公路上行駛，采用混合動力技術方式節能效率較低。

2? ?應用比較

從用戶角度來講，履帶起重機作為生產工具，除了要求其安全、實用、可靠外[3]， 還要求其購置成本、使用成本低。要贏得市場的青睞，生產廠家需要從節能環保、實施難度、發展趨勢等方面綜合考慮。

2.1? ?生產成本

以200t履帶起重機產品為例，若采用電驅液傳動方式，需要配備360kW永磁同步電機、300kW·h的電池組、制冷功率7kW電池冷卻系統、80kW的交流充電機，成本相比于內燃機液壓驅動方式，增加約40萬元，約占整車成本11%。

若采用電驅電傳動方式，需配置3臺150kW/360N·m的專用卷揚電機、2臺174kW/723N·m的行走電機、5臺定制減速機、1個30kW的回轉系統電機總成，外加動力電池及充電單元，整車成本約增加18%。若采用混動方式則整車成本增加10%左右。

2.2? ?使用成本

使用成本主要是能量消耗成本和車輛維護保養成本。仍以200t履帶起重機產品為例，傳統內燃機驅動方式，柴油消耗約為12L/h，當前柴油價格按7.5元/L計算。電驅動車輛每小時耗電約35kW，平均電價按1.5元/kW·h計算。每年按2000h運行計算，柴油車單車年均費用約18萬元，電驅動車輛單車年均費用10.5萬元，相比之下電驅動車輛每年能量消耗成本能節約42%。油電混合方式每年節約成本約10%。

維護保養方面，柴油車需要定期更換機油、機油濾芯、空氣濾芯、柴油濾芯。柴油車和電驅車都需要冷卻液，更換周期類似，柴油車因工作溫度范圍比較大，冷卻液消耗會多一些。液壓系統需要定期更換液壓油、液壓件并定期清洗油箱、管路等。電機和電控本身幾乎都是免維護的。

內燃機液壓驅動一年的維護保養費用在2萬元左右，電驅液傳動相比內燃機液壓驅動車每年可節約費用20%左右。電驅電傳動相比電驅液傳動減少了液壓系統的維護保養，每年可節約費用40%左右。混和動力系統復雜，保養項目增多，維護保養成本略有增加。整體來看，電驅動保養項目少，且保養周期更長。

2.3? ?實施難度

電驅液傳動方式可以繼續沿用之前的液壓傳動裝置，整體結構改動小，易于實現。混合動力方式既要安裝發動機又要安裝電機，整個傳動系統結構復雜，布置困難，對控制單元要求較高，實現相對較難。電驅電傳動方式相較于內燃機液壓驅動，結構平臺和控制都是全新的，開發難度較大。

2.4? ?節能環保

電驅液傳動和電驅電傳動無需發動機，可以實現零排放。采用混合動力技術方案節能效率較低。3種技術方案對比如表1所示。混合動力技術方案混合使用場合不受限制，但是節能效率低，實施難度也較大。電驅液傳動和電驅電傳動工作時間受限，制造成本高，但是使用成本低，同時電驅液傳動較電驅電傳動技術易于實現、成本增加相對較少。綜合來看，電驅液傳動是目前比較適合生產廠家的技術路線，實現難度小，成本增加少。

3? ?結束語

在節能減排的大背景下，以氫燃料電池、LNG燃氣發動機、電動化等為代表環保產品不斷涌現。履帶起重機作為高消耗、高污染的大型工程機械產品，采用電驅動技術是大勢所趨。本文著重分析3種電動化技術方式的優缺點，探討對履帶起重機的適用性，提出新能源履帶起重機的推廣建議。

參考文獻

[1] 黃麗麗，張景芬.履帶起重機電液傳動與控制技術探究[J].工程機械與維修，2016（9）：46-48.

[2] 郭銳，韓彪，張淼.淺析工程機械新能源應用現狀與發展趨勢[J].工程機械與維修，2019（4）：41-43

[3] 沈杜烽，陳以林，杜海明，等.碳達峰、碳中和”背景下工程機械動力系統比較研究[J].小型內燃機與車輛技術，2021，50（6）：77-79+93.