浅谈履带起重机电动化技术应用

王成勤

摘要：在“碳达峰、碳中和”的大背景下，履带起重机厂家顺应趋势，加速新能源动力技术的研发和应用。着重分析3种电动化技术方式的优缺点，探讨对履带起重机的适用性，提出新能源履带起重机的推广建议。

关键词：履带起重机；电动化；新能源

基金项目：徐州工业职业技术学院2021年度校级科研项目（XGY2021A014）

0   引言

履带起重机是指具有履带行走装置的全回转臂架式起重机，它具有起重性能好、起升高度与幅度大、动作平稳、接地比压小、可带载行走、安装拆卸方便、工况组合多等多个优点，广泛应用于电力、核能、石油化工、桥梁、市政、发电等国民经济建筑领域[1]。

目前履带起重机基本采用内燃机液压驱动，即通过液压传动装置将内燃机发出的功力传递到各工作机构上去。柴油机燃烧效率一般为35%～40%，尾气排放比较严重[2]，使用柴油机作为动力既耗费能源又污染环境。履带起重机起重量大，需配装大功率柴油机功率，造成的能源浪费和环境污染较一般工程机械更严重。

在节能减排的大背景下，以氢燃料电池、LNG燃气发动机、电动化等为代表工程机械不断涌现。本文从电动化履带起重机技术方式进行比较，分析几种技术方式对履带起重机产品的适用性，并提出新能源履带起重机推广建议。

1   履带起重机电动化技术方式

电动化主要是用电机代替柴油机，根据驱动力来源和传动方式主要有电驱液传动、电驱电传动、混合动力等3种。

1.1   电驱液传动技术

电驱液传动技术是将发动机换成电机，传动系统如图1所示。2020年利勃海尔推出的LR1250.1、LR1200.1型履带起重机，即采用此方案。此方式有利于提高能源利用率，降低噪声，同时能提高控制精度。但履带起重机不能上公路行驶，受供电及电池的影响，采用此种方式使用场景、工作时间受限比较大。

1.2   电驱电传动技术

电驱电传动技术是电机替换原有的内燃机和液压系统，用电池给电动机供电，电动机驱动执行结构动作，属于纯电动工程机械，传动系统示意图如图2所示。

纯电动工程机械几乎为零排放，是新能源产业的理想选择，也是新能源发展的主要方向。如中联重科全球首款分布式电驱履带起重机ZCC850V-1EV，采用了7组电机直驱机构。但履带起重机整车系统复杂，每一个执行机构都需电机驱动，综合成本高。电动工程机械目前尚处于起步阶段，针对履带起重机的电机等产业链配套也不完善，使用场景同样受限电源限制。

1.3   混合动力技术

混合动力技术是指配置两个或更多动力系统，运行中至少有一种能量存储器或转化器直接驱动车辆。目前工程机械主要是采用柴油机和电机混合。油电混合尽管不能实现零排放，由于有电机助力，可以选用较小排量的柴油机，且柴油机可以更长时间工作在低油耗和低排放区域，使用场景同原来一样不受限。

混合动力技术兼顾传统内燃机优良的动力性和纯电动车辆的低排放特性，能在一定程度上缓解燃油车发展与环境污染、能源危机的矛盾，是内燃机驱动向纯电动驱动发展的过渡阶段，尤其对于长距离移动速度较快的道路机械，油电混优势明显。一般混合动力工程机械比同功率的内燃机工程机械燃油消耗降低30%～50%[2]，履带起重机由于不能在公路上行驶，采用混合动力技术方式节能效率较低。

2   应用比较

从用户角度来讲，履带起重机作为生产工具，除了要求其安全、实用、可靠外[3]， 还要求其购置成本、使用成本低。要赢得市场的青睐，生产厂家需要从节能环保、实施难度、发展趋势等方面综合考虑。

2.1   生产成本

以200t履带起重机产品为例，若采用电驱液传动方式，需要配备360kW永磁同步电机、300kW·h的電池组、制冷功率7kW电池冷却系统、80kW的交流充电机，成本相比于内燃机液压驱动方式，增加约40万元，约占整车成本11%。

若采用电驱电传动方式，需配置3台150kW/360N·m的专用卷扬电机、2台174kW/723N·m的行走电机、5台定制减速机、1个30kW的回转系统电机总成，外加动力电池及充电单元，整车成本约增加18%。若采用混动方式则整车成本增加10%左右。

2.2   使用成本

使用成本主要是能量消耗成本和车辆维护保养成本。仍以200t履带起重机产品为例，传统内燃机驱动方式，柴油消耗约为12L/h，当前柴油价格按7.5元/L计算。电驱动车辆每小时耗电约35kW，平均电价按1.5元/kW·h计算。每年按2000h运行计算，柴油车单车年均费用约18万元，电驱动车辆单车年均费用10.5万元，相比之下电驱动车辆每年能量消耗成本能节约42%。油电混合方式每年节约成本约10%。

维护保养方面，柴油车需要定期更换机油、机油滤芯、空气滤芯、柴油滤芯。柴油车和电驱车都需要冷却液，更换周期类似，柴油车因工作温度范围比较大，冷却液消耗会多一些。液压系统需要定期更换液压油、液压件并定期清洗油箱、管路等。电机和电控本身几乎都是免维护的。

内燃机液压驱动一年的维护保养费用在2万元左右，电驱液传动相比内燃机液压驱动车每年可节约费用20%左右。电驱电传动相比电驱液传动减少了液压系统的维护保养，每年可节约费用40%左右。混和动力系统复杂，保养项目增多，维护保养成本略有增加。整体来看，电驱动保养项目少，且保养周期更长。

2.3   实施难度

电驱液传动方式可以继续沿用之前的液压传动装置，整体结构改动小，易于实现。混合动力方式既要安装发动机又要安装电机，整个传动系统结构复杂，布置困难，对控制单元要求较高，实现相对较难。电驱电传动方式相较于内燃机液压驱动，结构平台和控制都是全新的，开发难度较大。

2.4   节能环保

电驱液传动和电驱电传动无需发动机，可以实现零排放。采用混合动力技术方案节能效率较低。3种技术方案对比如表1所示。混合动力技术方案混合使用场合不受限制，但是节能效率低，实施难度也较大。电驱液传动和电驱电传动工作时间受限，制造成本高，但是使用成本低，同时电驱液传动较电驱电传动技术易于实现、成本增加相对较少。综合来看，电驱液传动是目前比较适合生产厂家的技术路线，实现难度小，成本增加少。

3   结束语

在节能减排的大背景下，以氢燃料电池、LNG燃气发动机、电动化等为代表环保产品不断涌现。履带起重机作为高消耗、高污染的大型工程机械产品，采用电驱动技术是大势所趋。本文着重分析3种电动化技术方式的优缺点，探讨对履带起重机的适用性，提出新能源履带起重机的推广建议。

参考文献

[1] 黄丽丽，张景芬.履带起重机电液传动与控制技术探究[J].工程机械与维修，2016（9）：46-48.

[2] 郭锐，韩彪，张淼.浅析工程机械新能源应用现状与发展趋势[J].工程机械与维修，2019（4）：41-43

[3] 沈杜烽，陈以林，杜海明，等.碳达峰、碳中和”背景下工程机械动力系统比较研究[J].小型内燃机与车辆技术，2021，50（6）：77-79+93.