轮胎式起重机能耗分析及势能回收研究

周 波 庞利宝 何 浩

1 武汉航科物流有限公司 2 上海振华重工集团有限公司



轮胎式起重机能耗分析及势能回收研究

周 波1庞利宝1何 浩2

1 武汉航科物流有限公司 2 上海振华重工集团有限公司

针对传统起重机能源消耗量大的问题，以LQD60型轮胎式起重机为研究对象，在详细地分析各机构工作中的能量消耗和转换特性的基础上，提出了一种基于超级电容的混合动力系统方案，设计了基于PLC和DSP的联合控制系统，并制定了各个工况下柴油机、电动机、超级电容的具体控制策略，为轮胎式起重机节能提供了理论基础与技术支持。

轮胎式起重机； 能耗分析； 势能回收； 超级电容

1 引言

起重能力和安全性一直是起重机最重要的性能,但是国内在起重机械设计、制造和使用中，相对来说更看重起重机的安全性能和起重能力，而忽略了环保，导致国内生产的起重机质量大，功率配置高，运行效率低，能源消耗大[1]。轮胎式起重机以柴油机作为动力源，带动发电机运转产生的电能来驱动各个机构电机，并由各电机拖动负载。能量输出端的节能方法主要是改善动力源，节能方式主要是提高柴油机的效率和“油改电”。能量利用端的节能方法主要是对势能或其产生的电能进行回收，节能方式主要是电能回馈电网技术和混合动力技术[2]。

本文以LQD60型轮胎式起重机为研究对象，通过分析各机构的能量转换和损耗特性，计算了起升机构和变幅机构在各工况下的可回收势能，提出了一种适用于起升机构双卷扬驱动的节能改进方案，及其适应其新系统的控制策略。

2 轮胎式起重机的能耗分析

2.1 起升机构可回收能量分析

轮胎式起重机起升机构主要由电动机、制动器、减速器、卷筒和吊具等组成。电动机动力通过万向联轴器，经一对圆锥圆柱齿轮减速器带动卷筒旋转，起升机构可采用单卷筒或双卷筒，卷筒上的钢丝绳便可随之收或放，通过滑轮组、吊钩使重物升降。电动机输出轴上装有块式常闭制动器，通过制动电机来控制重物的升降。

起升过程中，制动装置所消耗的能量可以通过电气制动来减少，由能耗电阻消耗的电能则可以考虑回收[3]。根据能量守恒定律，起升机构可回收的净能量为：

(1)

式中，mt为重物质量,kg；mh为吊具质量，kg；H为载荷下降高度，m；ηz为起升机构滑轮组效率；ηd为导向滑轮效率；ηj为卷筒效率，ηj=ηt；ηch为机械传动效率；vq为货物最大下降速度，m/s。

由式(1)可知，起升机构的可回收能量与起升货物的重量和可起升高度有直接关系。若起升货物质量一定，最大可回收能量应以最大可下降高度来计算，其表达式为：

式中，L为臂架长度，m；H0为起吊安全距离，LQD60型起重机为2.5 m。

2.2 变幅机构可回收能量分析

变幅过程中，货物会随着臂架角度变化在竖直方向产生位移，变幅机构计算简图见图1。

图1 变幅机构计算简图

根据能量守恒定律，变幅机构可回收的净能量为：

式中，θ1为变幅前臂架角度，rad；θ2为变幅后臂架角度，rad；∑Ek为变幅机构所有动能和，其表达式为：

(4)

式中，t为变幅时间，s。

3 节能系统设计

3.1 节能系统方案

LQD60型起升机构和变幅机构均采用同轴线布置，减速器位于卷筒内，其中，起升电机由2台电机、2个卷筒共同驱动，变幅机构由单电机驱动。

对双电机驱动的轮胎式起重机，将超级电容与其中1台电机相连，由超级电容供能，另一电机由直流母线供能。2台电机通过各自的减速器卷筒共同拖动负载，驱动和控制相互独立。因此，只需控制超级电容的放电电压，使2台起升电机的转速保持一致即可。变幅机构减幅时则只由发电机供能，当处于增幅状态时，将反馈的能量储存于超级电容。改进后的起升机构能量转换图见图2。

图2 节能系统能量转换图

节能系统需要在原系统的基础上添加超级电容，其布置图见图3。

图3 系统布置图

3.2 节能系统控制

改进后的节能型轮胎式起重机的混合动力系统中，要控制的对象包括柴油发电机组的调速控制、超级电容的充放电控制、各机构电机的转速控制。起重机的工况复杂，在不同的工况下，柴油机、电动机、超级电容的工作状态都会有所不同。因此，需要根据各个机构的工况，分别对柴油机、电动机和超级电容制订控制策略。本文采用PLC和DSP进行协同控制。其中，PLC控制起重机的开关信号，而具体的控制策略则由DSP来实现。

3.2.1 PLC控制系统

(1)柴油机。在该系统中，PLC控制柴油机的启、停和全速、怠速2个档位等4种工况。电子调速器采集柴油机负载变化产生的电信号，通过控制器和执行器来改变柴油机的循环供油量，保持柴油机的转速稳定，改善柴油机的工作性能。

柴油机的控制最为核心的是喷油控制，它又分为喷油量控制和喷油时刻控制。喷油量控制是对柴油机转速和负载的响应，喷油时刻的控制是为了满足经济性和排放性。笔者对柴油机采用转速负反馈的闭环结构来调节柴油机的转速，其控制系统框图见图4。

图4 柴油机控制框图

(2)电动机。轮胎式起重机运行时，各机构电动机存在3种工作状态：电动工作状态，包括起升机构起升货物、变幅机构减幅、回转机构和行走机构运行时；回馈工作状态，包括起升机构下放货物和变幅机构增幅时；空闲工作状态，电动机停止或空转时。

本文不考虑对回转机构、行走机构的能量回收，因此，耗能工况指起升机构货物上升工况和变幅结构减幅工况。两机构的电动机皆为串励直流电动机。串励电动机起动转矩大、过载能力强，可实现无极调速，适用于起重牵引机械。

图5为电机励磁控制图，将电机的转速作为给定值不变，将超级电容的端电压作为正反馈量，即随着充电的进行，超级电容的逐渐上升，直流电机励磁电流将增加，直流电机电压随着增加，使电磁转矩与负载转矩平衡来维持电机转速。

图5 电机励磁控制图

(3)超级电容的控制。在该系统中，超级电容通过双向DC/DC变换器与能耗电阻并联流经起升电机和变幅电机。在能量回馈工况时，如果超级电容的电量未满，则超级电容与电机连接进行充电，否则断开，电机与能耗电阻连接以消耗多余能量。因此，PLC对超级电容的控制只是进行投切控制。

在货物平稳下放的过程中，起升电机的转速保持不变。由于起升机构的负载属于位能型负载，其电磁转矩与之相平衡，也会保持不变。放电时电动机的功率不变，超级电容的充电属于恒功率充电。

除了利用回收的势能对超级电容进行充电外，还可以在起升、变幅机构工作间隙利用柴油机的怠速能对超级电容充电。由于怠速时整机功率较低，将超级电容充电到300 V即可。超级电容充电采用闭环控制，反馈量有充电电流和超级电容端电压，充电控制策略见图6。

图6 超级电容充电控制策略

为了满足起升电机2的调速要求，对超级电容进行恒压放电控制，即实时检测起升电机1的端电压，并调节超级电容的放电电压使其相等。其放电控制策略见图7。

图7 超级电容放电控制策略

3.2.2 DSP控制系统

在本系统中，DSP控制器主要是对电力电子装置的控制，主要包括模拟量的检测和控制算法的实现，具体的控制对象及控制要求如下：

(1)双向DC/DC变换器。超级电容通过双向DC/DC变换器与起升电机和变幅电机连接。DSP系统通过调节双向DC/DC变换器的输入、输出电压的来控制超级电容的充放电。超级电容充电时，充电电流会随着其端电压的升高而减小，此时可以通过双向DC/DC变换器进行降压充电，提高超级电容的充电效率；超级电容放电时，放电电流会随着其端电压的下降而减小，此时可以控制双向DC/DC变换器进行升压放电，提高超级电容的放电深度。

(2)斩波器。各机构电机由斩波器进行控制。DSP通过采集各机构电机的电压和电流，通过控制斩波器的占空比，在各机构电机启动和制动时实现电机的软启停，在某些工况下可适当调节电动机的转速来适应工况的需要。

(3)励磁控制器。在能量反馈工况(起升机构下放货物和变幅机构增幅)时，货物和臂架的势能通过电机转化成电能。随着超级电容端电压的升高，电机电枢电流会逐渐减小，制动力矩也会减小，为保证安全，需要适当增大励磁电流。DSP通过对采集的电信号进行分析计算，然后控制励磁控制器输出相应的励磁电流。

节能系统的控制原理见图8。DSP通过将PLC采集的信号(发电机输出电压、发电机励磁电流、超

图8 节能系统原理图

级电容端电压、超级电容电流、起升电机2励磁电流等)进行运算，对励磁控制器、双向DC/DC变换器、直流斩波器等装置输出控制信号。其中PLC根据起重机的运行状态，通过控制接触器开关来控制超级电容和能耗电阻与起升电机和变幅电机之间的连接和断开。具体情况是：当起重机处于起升机构下降工况，若超级电容此时电荷量未满(即SOC<100%)时，则PLC控制起升电机2与超级电容连接，进行充电；当超级电容电荷量已满(即SOC=100%)时，PLC控制起升电机2与超级电容断开，与能耗电阻连接，改为能耗制动方式。当起重机处于变幅机构增幅工况时，PLC的控制方式与起升机构类似，在此不再赘述。

4 结语

本文对轮胎式起重机的节能方式进行了探讨，在简要介绍轮胎式起重机的结构，分析轮胎式起重机起升机构、变幅机构工作中能量转换特性的基础上，提出了基于超级电容的混合动力系统节能的初步方案，对节能系统提出了控制方案，设计了基于PLC和DSP的联合控制系统。分别制订了柴油机、电动机和超级电容在各个工况下的控制策略。该方案不局限于直流动力系统，加上整流逆变环节后也适用于交流动力系统。

[1] Rob Kuilboer. Siemens Cranes:The Hague,The Netherlands Evaluating the ECO-RTG concept. Port Technology International[J].2007 (8) ISSUE:33.

[2] 景海洲，张天彤．3种型式起重机在风电场设备安装中性能的比较[J]．工程机械与维修，2013(5):156-158.

[3] 丁 敏，罗建平，张德文.轨道式集装箱门式起重机能耗试验研究[J].港口装卸，2014(1)：8-10

庞利宝： 430000，湖北省武汉市江岸区沿江大道256号

The Study on Tyre Crane Consumption Analysis and Potential Energy Recycling

Zhou Bo1Pang Libao1He Hao2

1 Wuhan Air Logistics Co., Ltd 2 Shanghai Zhenhua Heavy Industries Group Co., Ltd

As traditional crane consumes large energy, taking LQD60 tyre crane as an example, after a detailed analysis of the energy consumption and transformation characteristics of each mechanism in detail, a modified scheme based on hybrid power system scheme with super capacitor is proposed, the control system combined with PLC and DSP based framework is designed, and the specific control strategies of diesel engine, electric motor and super capacitor in each working conditions are developed. It will offer theoretical principle and technical support to the energy constrvation the tyre crane.

tyre crane; energy consumption analysis; potential energy recycling; super capacitor

2016-09-27

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.013