基于智能控制的港口起重機液壓系統節能優化研究

摘 要：文章對基于智能控制的港口起重機液壓系統展開節能優化研究，分析港口起重機液壓系統能耗現狀與節能必要性，探討智能控制技術在港口起重機液壓系統中的具體應用，結合實際案例展示應用效果，剖析面臨的挑戰與應對策略，基于智能控制的港口起重機液壓系統節能優化是解決港口起重機能耗高、效率低等問題的有效途徑。為港口實現高效節能運行提供理論與實踐支持。

關鍵詞：智能控制 港口起重機 液壓系統 節能優化

近年來，全國各地區、各行業積極推進“雙碳”目標，加快能源結構調整，促進產業綠色低碳轉型。港口起重機作為港口貨物裝卸的關鍵流動機械設備，其能耗在港口總能耗中占據較大比例。傳統港口起重機液壓系統存在能耗高、效率低等問題，這不僅導致港口運營成本增加，同時也對環境造成了一定壓力。智能控制技術的快速發展為港口起重機液壓系統的節能優化提供了新的途徑。將智能控制技術應用于港口起重機液壓系統中，可以實現對系統運行參數的精確控制，有效地提高系統效率，降低設備能耗，進而提升港口的綜合競爭力。

1 港口起重機液壓系統能耗現狀與節能必要性

1.1 不同工況下的能耗特點

港口起重機在起升、變幅、回轉等不同作業工況下，其液壓系統的能耗存在顯著差異。起升工況下，起重機需克服吊裝貨物的重力做功，能耗較大；變幅工況中，隨著起重臂的伸展和收縮，負載變化頻繁，液壓系統的能耗也隨之波動；回轉工況時，起重機主要克服慣性力和摩擦力做功。在典型的港口裝卸作業中，起升工況能耗占總能耗的40%-50%，變幅工況占20%-30%，回轉工況占10%-20%[1]。

1.2 能耗高的原因分析

傳統港口起重機液壓系統能耗高的原因主要包括以下幾個方面。一是系統設計不合理，存在能量浪費的環節。例如，液壓泵的選型往往偏大，在實際運行中經常處于非額定工況，導致能量利用率低下。二是控制策略落后，無法根據負載的變化情況對系統參數進行實時調整。例如，輕載時，液壓系統仍以重載時的流量和壓力運行，造成大量能量的浪費。三是設備老化和維護不當，導致系統泄漏增加，效率降低，從而能耗上升[2]。

1.3 節能必要性

隨著各行業環保意識的不斷提高，減少能源消耗和降低碳排放已成為全球共識。港口起重機作為高能耗設備，其節能優化有助于減少對環境的污染，不僅符合國家的環保政策要求，也有助于提升港口的社會形象，促進港口的可持續發展[3]。港口起重機的能耗成本是港口運營成本的重要組成部分，對起重機液壓系統進行節能優化，降低其能耗將直接減少港口的運營成本，對于提高港口的經濟效益，增強港口在市場中的競爭力具有重要意義。

2 智能控制在港口起重機液壓系統節能優化中的應用

2.1 智能控制在液壓泵控制系統中的應用

在起重機液壓系統中，液壓泵作為核心動力源，其運行效率直接影響整個系統的能耗。傳統的液壓泵控制系統難以精準適應港口起重機復雜多變的作業工況，導致能源浪費嚴重。智能控制技術的引入，為液壓泵控制系統帶來了革命性變革。在如圖1所示的基于智能控制的液壓泵控制系統中，傳感器1、3、4實時采集發動機轉速、臂架角度、起重機起吊重量等工作參數，這些數據被傳輸至控制系統，經智能算法分析處理，精確計算出液壓泵在不同工況下所需輸出的流量和壓力。以模糊控制算法為例，對輸入的連續量進行模糊化處理，依據預先設定的模糊規則進行推理決策，進而輸出精確控制量。起重機起吊重物時，若起吊重量增加，模糊控制系統會迅速做出響應，調整液壓泵的排量，使輸出壓力和流量精準匹配負載需求，避免因過度輸出造成能源浪費；神經網絡控制系統也是智能控制在液壓泵控制系統中的重要應用[4]。神經網絡具有強大的自學習和自適應能力，通過對大量樣本數據的訓練，構建起輸入（工作參數）與輸出（液壓泵控制信號）之間的復雜映射關系。在實際工作中，即便面對工況突變，神經網絡控制下的液壓泵也能快速調整工作參數，確保系統始終保持節能高效運行。

此外，智能控制還能實現液壓泵的多泵協同優化控制。在大型港口起重機中，往往配備多個液壓泵。智能控制系統可根據實時工況，合理分配各液壓泵的工作任務，使多個泵之間協同工作，在滿足作業需求的前提下，最大限度降低整體能耗。例如，在輕載作業時，僅啟動部分小功率泵，重載作業時再按需啟動大功率泵，從而實現資源的高效利用。

2.2 智能控制在液壓閥控制系統中的應用

傳統的比例閥控制方式難以依據工況的變化對液壓油的流量進行精準地調節，而在圖2所示的基于智能控制的液壓閥控制系統中，智能控制系統依據速度傳感器6、壓力傳感器7反饋的起升速度、負載重量等數據，運用自適應控制算法，動態調整比例閥4的閥口開度，使液壓油流量與實際作業需求進行精確匹配。

智能控制技術在液壓閥控制系統中的應用，有效提升了港口起重機的節能水平與作業效率。在港口起重機的液壓系統中，液壓閥承擔著控制液壓油流向、壓力以及流量的關鍵職責，其控制效果關乎系統的工作性能與能耗狀況。智能控制借助高精度傳感器，實時收集起重機作業過程中負載變化、運動速度、系統壓力等參數，這些數據被迅速傳輸到智能控制系統中，經復雜的算法運算，對液壓閥的閥口開度、切換時間進行精準控制。在起重機起吊較輕貨物且需快速提升時，智能控制系統會增大比例閥閥口開度，使更多液壓油快速流入執行機構，提高起升速度；當起吊重物時，則自動減小比例閥閥口開度，確保系統壓力穩定，避免因流量過大造成能源浪費與設備磨損[5]；此外，模糊控制算法在液壓閥控制系統中也發揮著重要作用。液壓系統工作時，工況常存在諸多不確定性與模糊性，難以用精確的數學模型進行描述，模糊控制將這些信息進行模糊化處理，依據預設的模糊規則進行推理，進而輸出精準控制指令。例如，在起重機的變幅工況中，臂架角度、負載大小以及作業環境等因素相互交織，工況復雜，模糊控制系統可綜合考慮這些因素，智能調整液壓閥動作，使變幅過程平穩且高效。智能控制還能實現多個液壓閥的協同工作。在大型港口起重機的復雜液壓系統中，多個液壓閥協同控制著不同的執行機構。智能控制系統可依據整體作業需求，對各液壓閥的動作順序、時間間隔等進行優化調度。在一次起吊作業中，智能控制系統能精準協調控制起升、變幅、回轉等不同功能的液壓閥，確保各執行機構緊密配合，避免因液壓閥動作不協調導致的能量損耗與作業效率低下。

2.3 智能控制在系統能量回收與再利用中的應用

港口起重機在起升機構下降和變幅機構回縮等過程中，會產生大量的勢能和動能，通常采用安裝能量回收裝置，如液壓蓄能器、發電機的方式將這些能量回收并儲存起來。智能控制技術可實現對能量回收裝置的精確控制，確保能量的高效回收和利用。利用神經網絡控制算法，根據系統的運行狀態和能量回收裝置的工作狀態，實時調整能量回收裝置的工作參數，使能量回收效率最大化。系統回收的能量將會在起重機的其他作業環節中進行再利用，智能控制技術可以根據起重機各機構的工作需求和能量回收裝置的儲能狀態優化能量再利用策略。當起重機需要進行回轉作業時，智能控制系統可優先利用能量回收裝置儲存的能量，減少對主液壓泵的能量需求，從而降低系統能耗。

3 基于智能控制的港口起重機液壓系統節能優化案例分析

3.1 項目概況

某港口擁有多臺大型起重機，為降低能耗，提高作業效率，項目組對其中一臺起重機的液壓系統進行了基于智能控制的節能優化改造。改造內容包括安裝智能控制系統、更換節能型液壓泵和液壓閥、增設能量回收裝置等。

3.2 節能優化措施

3.2.1 智能控制系統

在智能控制系統的構建上，采用模糊控制和神經網絡控制相結合的創新算法。通過模糊控制算法對起重機起吊作業中的風力、濕度等信息進行模糊化處理，依據預先設定的模糊規則進行推理，輸出初步控制指令。通過神經網絡對起重機作業數據進行學習，不斷優化控制策略。二者協同工作，依據起重機實時的作業工況和負載變化，精準實時調整液壓泵的排量、壓力，以及液壓閥的開啟和關閉時間。當起重機起吊重物時，系統迅速響應負載變化，通過算法運算，精確控制液壓泵增加排量，提高系統壓力，同時精準控制液壓閥閥口開度，確保液壓油快速、穩定地輸送至執行機構，保障起吊作業平穩高效進行。

3.2.2 液壓泵和液壓閥

液壓泵選用A10VSO系列負載敏感變量泵。系統可以最大程度地利用液壓泵的輸出功率，減小節流損失和溢流損失，提高能量轉換效率，從而實現變量泵節能。節能型液壓閥的閥芯經過優化后流道更加順暢，在控制液壓油流量和壓力時產生的壓力損失更小，進一步提升了系統的整體效率。

3.2.3 能量回收裝置

為實現能量的高效回收與再利用，項目組為起重機安裝了液壓蓄能器作為核心能量回收裝置。在起升機構下降和變幅機構回縮過程中，系統會產生大量原本被浪費的能量。在如圖3所示的基于智能控制的能量回收系統中，系統精準捕捉能量釋放信號，通過控制液壓回路使執行機構帶動液壓泵1反轉，將這些動能和勢能轉化為液壓油的壓力能，高效儲存于液壓蓄能器12中。當起重機回轉機構啟動或起升機構加速時，智能控制系統會根據實時的能量需求，精準控制蓄能器12釋放儲存的壓力能，為這些機構提供額外的動力支持，減少主油泵的能量輸出，從而實現能量的循環利用。

3.3 應用效果

經過節能優化改造后，該起重機的平均能耗比改造前降低了18%，作業效率提高了12%。同時，由于智能控制系統的應用，起重機的運行穩定性和可靠性得到有效提升，設備故障率明顯降低，維修成本也相應減少。

4 結論

基于智能控制的港口起重機液壓系統節能優化是解決港口起重機能耗高、效率低等問題的有效途徑。將智能控制技術應用于液壓泵控制、液壓閥控制和系統能量回收與再利用等方面，可實現對港口起重機液壓系統的精確控制，從而取得顯著的節能效果和經濟效益。展望未來，港口流動機械設備將朝著智能化與自動化程度不斷提高、多技術融合、綠色環保與可持續的方向發展，港口企業應積極關注和推動這一領域的發展，為港口行業的綠色低碳轉型提供更多的理論和實踐支持。

參考文獻：

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[3]劉園，張玉柱.超大噸位履帶起重機液壓系統仿真研究及控制策略優化[J].建設機械技術與管理，2024，37（2）：13-16.

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