浅析建筑机械节能技术

程 浩/CHENG Hao

(中石化江汉石油管理局，湖北 潜江 433123)

建筑机械广泛应用于建筑施工行业，建筑机械节能是执行国家节约能源基本国策的重要途径，是建筑行业发展的趋势之一。建筑机械广泛采用液压传动技术，本文以挖掘机和混凝土泵车为例，阐述了液压节能技术在建筑机械上的典型应用，并对建筑机械节能技术的发展趋势进行了预测。

1 液压节能技术简介

1.1 能量回收节能技术

节能技术的研究，绝大多数是从重新利用和负载能量回收的角度来考虑的。因此，实行能量回收是液压系统节能的一种有效途径。常规的和带能量反馈的液压系统能量传递框图如图1所示。带能量反馈的液压系统增加了反馈元件，由于该环节的存在提高了系统的能量利用率。在实际物理系统中，反馈元件一般与动力元件或执行元件集成在一起。

在图1中

图1 液压系统能量传递框图

其中，Ei1和Eo1为常规系统动力元件输入和输出功率，Ei2和Eo2为带能量反馈系统动力元件输入和输出功率，Ef为反馈元件输出功率，η1为动力元件总效率，η2为执行元件总效率，η3为系统其他部分总效率。对于液压系统，取η1=η2=0.9，η3=0.8，对比式(1)和式(4)，可得

由式(5)可知，节能效果是明显的。

液压系统能量回收方式包括机械能量回收、电能量回收和液压能量回收。通过负载在不做功过程或做功过程使剩余能量通过机械能、电能或液压能的形式反馈回系统。液压能量回收的关键环节是能量转换器，常用的有蓄能器。

图2 液压能量回收原理图

液压能量回收原理图如图2所示。在泵工况下，机械能驱动液压泵，机械能转换为液压能，存储于液压蓄能器中；在马达工况下，蓄能器中的液压能驱动马达，马达带动负载做功，液压能转换机械能。在建筑机械工作过程中，一般通过位能回收和惯性能回收的方式进行能量回收。

1.2 变频节能技术

电动机变频调速技术依靠改变供电电源的频率实现对执行机构的速度调节，电动机始终处在高效率的工作状态。电动机变频调速技术应用于液压系统可以减小液压系统的能量损失，提高整个系统的效率并降低噪声。传统的节流调速存在很大的溢流和节流损失，而容积调速需要较复杂的变排量控制机构，且斜盘摆角只能局限在一定范围。变频液压技术通过变频调速可较好的克服传统调速方法的缺点。变频液压系统工作原理如图3所示。控制器根据输入信号通过一定的控制算法处理输出变频器控制信号，从而控制电动机的转速，传感器检测系统实际的工作参数，传感器反馈信号与输入信号比较，得到新的输入信号。通过负反馈使系统最终工作在设定的工况下。

图3 变频液压系统工作原理图

液压系统调速原理如图4所示，图4a为采用比例节流调速，图4b为采用变频节流调速。比例节流调速控制比例方向阀节流口大小实现速度调节，节流压差损失全部转化为热能。变频调速通过改变电机转速实现变量泵输出流量的控制，系统输出流量为负载所需流量，避免了节流损失和溢流损失。

图4 液压系统调速原理图

2 建筑机械节能技术

建筑机械广泛运用于建筑施工过程，典型的有用于土方施工的挖掘机，用于混凝土泵送和布料的混凝土泵车。下面介绍液压节能技术在挖掘机和混凝土泵车上的应用。

2.1 挖掘机节能技术

液压挖掘机前端工作装置的质量重、惯性大，在下放过程中，重力势能和动能绝大部分在主阀的节流口转化为热能；上车的回转质量大，工作频繁，用于回转的能量最后几乎全部变成热能。上述两种情况不仅造成了能量的浪费，而且使液压系统温度升高，液压油的粘度降低，加剧液压元件的摩擦磨损，降低整个系统的可靠性。为了降低油温进行散热，又将引起附加能量的消耗。为了解决这一问题，应考虑能量回收，回收得到的能量储存于储能元件当中，而后根据实际的需要释放出来再利用。

图5 动臂节能系统原理图

挖掘机动臂节能系统原理如图5所示，通过蓄能器实现挖掘机势能回收，动臂下降过程中，动臂液压缸回油驱动马达做功，驱动变量泵，输出的压力油存储到蓄能器中，实现势能的回收。动臂上升过程中，蓄能器与变量泵一起为系统提供压油，驱动负载，从而回收的势能得以二次利用。

液压挖掘机混合动力系统利用燃油发动机和发电/电动机联合驱动。混合动力系统原理如图6所示，当液压泵所需的驱动功率较大时，电池向发电/电动机供电，协助燃油发动机共同驱动液压泵；当液压泵所需的驱动功率较小时，燃油发动机单独驱动液压泵，并且额外的输出功率驱动发电/电动机发电，能量以电能的形式存储在电池中。

图6 混合动力系统原理图

2.2 混凝土泵车节能技术

混凝土泵车同时实现混凝土的泵送和布料，其工况复杂，进行发动机和负载的功率匹配可以使节能效果最优化。从大系统理论分析出发，计算混凝土泵车能量损失的主要途径，将混凝土泵车的发动机、变量泵及负载作为一个动态系统来研究其节能问题，通过先进控制算法如模糊控制、人工神经网络控制，实现发动机、变量泵、负载的功率匹配。根据负载的变化合理调节混凝土泵车工作模式，使发动机的工作状况与负载相匹配，提高了系统功率利用率，达到系统节能的目的。

混凝土泵车换向冲击引起的整个系统的振动会大大降低系统的可靠性。采用蓄能器对换向过程的冲击能量进行回收，不仅可以使换向更为平稳，而且避免了冲击能转换为热能而使得液压介质温度升高带来的一系列问题。此外，采用主动控制技术，当位移传感器检测到混凝土活塞靠近行程末端时，主动控制变量泵降低输出流量和压力，从而达到减小换向冲击和节能的目的。

3 建筑机械节能技术发展趋势

通过传感器技术和先进控制算法实现建筑机械的智能节能是建筑机械节能的发展趋势之一。安装于铲斗的力传感器检测施工过程挖掘阻力大小，根据先进的控制算法主动计算液压系统的输出压力和流量，通过主动控制有效提高液压系统的能量利用率。根据施工要求，通过优化算法对挖掘机各节臂路径进行规划，通过位移传感器或倾角计的闭环反馈，精确控制各节臂的运行轨迹使挖掘机作业效率大幅度提高。同理，对混凝土泵车的布料轨迹进行优化，实现高质高效布料。

提高系统可靠性，降低系统故障率，从长远经济利益角度出发，也是节能的一种方式。通过传感器技术对液压元件的运行状态进行实时检测，对液压介质的品质进行实时检测，对液压泵关键摩擦副摩擦磨损情况进行监测，对液压缸的密封圈磨损、爬行现象、缓冲机构失效进行有效的监控，对控制阀的阀芯卡紧、工作过程中的泄漏、换向冲击进行有效的监控，提高液压元件的使用寿命和可靠性。对于机械结构部件，如挖掘机动臂、混凝土泵车臂架，在易失效部位安装超声波传感器和加速度计，超声波传感器检测内部裂纹，加速度计检测振动信号，通过实时监控避免事故的发生，提高了整个系统的可靠性。

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