程 浩/CHENG Hao

(中石化江漢石油管理局，湖北 潛江 433123)

建筑機(jī)械廣泛應(yīng)用于建筑施工行業(yè)，建筑機(jī)械節(jié)能是執(zhí)行國家節(jié)約能源基本國策的重要途徑，是建筑行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一。建筑機(jī)械廣泛采用液壓傳動(dòng)技術(shù)，本文以挖掘機(jī)和混凝土泵車為例，闡述了液壓節(jié)能技術(shù)在建筑機(jī)械上的典型應(yīng)用，并對(duì)建筑機(jī)械節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 液壓節(jié)能技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 能量回收節(jié)能技術(shù)

節(jié)能技術(shù)的研究，絕大多數(shù)是從重新利用和負(fù)載能量回收的角度來考慮的。因此，實(shí)行能量回收是液壓系統(tǒng)節(jié)能的一種有效途徑。常規(guī)的和帶能量反饋的液壓系統(tǒng)能量傳遞框圖如圖1所示。帶能量反饋的液壓系統(tǒng)增加了反饋元件，由于該環(huán)節(jié)的存在提高了系統(tǒng)的能量利用率。在實(shí)際物理系統(tǒng)中，反饋元件一般與動(dòng)力元件或執(zhí)行元件集成在一起。

在圖1中

圖1 液壓系統(tǒng)能量傳遞框圖

其中，Ei1和Eo1為常規(guī)系統(tǒng)動(dòng)力元件輸入和輸出功率，Ei2和Eo2為帶能量反饋系統(tǒng)動(dòng)力元件輸入和輸出功率，Ef為反饋元件輸出功率，η1為動(dòng)力元件總效率，η2為執(zhí)行元件總效率，η3為系統(tǒng)其他部分總效率。對(duì)于液壓系統(tǒng)，取η1=η2=0.9，η3=0.8，對(duì)比式(1)和式(4)，可得

由式(5)可知，節(jié)能效果是明顯的。

液壓系統(tǒng)能量回收方式包括機(jī)械能量回收、電能量回收和液壓能量回收。通過負(fù)載在不做功過程或做功過程使剩余能量通過機(jī)械能、電能或液壓能的形式反饋回系統(tǒng)。液壓能量回收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是能量轉(zhuǎn)換器，常用的有蓄能器。

圖2 液壓能量回收原理圖

液壓能量回收原理圖如圖2所示。在泵工況下，機(jī)械能驅(qū)動(dòng)液壓泵，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，存儲(chǔ)于液壓蓄能器中；在馬達(dá)工況下，蓄能器中的液壓能驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，馬達(dá)帶動(dòng)負(fù)載做功，液壓能轉(zhuǎn)換機(jī)械能。在建筑機(jī)械工作過程中，一般通過位能回收和慣性能回收的方式進(jìn)行能量回收。

1.2 變頻節(jié)能技術(shù)

電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)依靠改變供電電源的頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)始終處在高效率的工作狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于液壓系統(tǒng)可以減小液壓系統(tǒng)的能量損失，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率并降低噪聲。傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速存在很大的溢流和節(jié)流損失，而容積調(diào)速需要較復(fù)雜的變排量控制機(jī)構(gòu)，且斜盤擺角只能局限在一定范圍。變頻液壓技術(shù)通過變頻調(diào)速可較好的克服傳統(tǒng)調(diào)速方法的缺點(diǎn)。變頻液壓系統(tǒng)工作原理如圖3所示?？刂破鞲鶕?jù)輸入信號(hào)通過一定的控制算法處理輸出變頻器控制信號(hào)，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，傳感器檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際的工作參數(shù)，傳感器反饋信號(hào)與輸入信號(hào)比較，得到新的輸入信號(hào)。通過負(fù)反饋使系統(tǒng)最終工作在設(shè)定的工況下。

圖3 變頻液壓系統(tǒng)工作原理圖

液壓系統(tǒng)調(diào)速原理如圖4所示，圖4a為采用比例節(jié)流調(diào)速，圖4b為采用變頻節(jié)流調(diào)速。比例節(jié)流調(diào)速控制比例方向閥節(jié)流口大小實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，節(jié)流壓差損失全部轉(zhuǎn)化為熱能。變頻調(diào)速通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)變量泵輸出流量的控制，系統(tǒng)輸出流量為負(fù)載所需流量，避免了節(jié)流損失和溢流損失。

圖4 液壓系統(tǒng)調(diào)速原理圖

2 建筑機(jī)械節(jié)能技術(shù)

建筑機(jī)械廣泛運(yùn)用于建筑施工過程，典型的有用于土方施工的挖掘機(jī)，用于混凝土泵送和布料的混凝土泵車。下面介紹液壓節(jié)能技術(shù)在挖掘機(jī)和混凝土泵車上的應(yīng)用。

2.1 挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)

液壓挖掘機(jī)前端工作裝置的質(zhì)量重、慣性大，在下放過程中，重力勢(shì)能和動(dòng)能絕大部分在主閥的節(jié)流口轉(zhuǎn)化為熱能；上車的回轉(zhuǎn)質(zhì)量大，工作頻繁，用于回轉(zhuǎn)的能量最后幾乎全部變成熱能。上述兩種情況不僅造成了能量的浪費(fèi)，而且使液壓系統(tǒng)溫度升高，液壓油的粘度降低，加劇液壓元件的摩擦磨損，降低整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。為了降低油溫進(jìn)行散熱，又將引起附加能量的消耗。為了解決這一問題，應(yīng)考慮能量回收，回收得到的能量?jī)?chǔ)存于儲(chǔ)能元件當(dāng)中，而后根據(jù)實(shí)際的需要釋放出來再利用。

圖5 動(dòng)臂節(jié)能系統(tǒng)原理圖

挖掘機(jī)動(dòng)臂節(jié)能系統(tǒng)原理如圖5所示，通過蓄能器實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)勢(shì)能回收，動(dòng)臂下降過程中，動(dòng)臂液壓缸回油驅(qū)動(dòng)馬達(dá)做功，驅(qū)動(dòng)變量泵，輸出的壓力油存儲(chǔ)到蓄能器中，實(shí)現(xiàn)勢(shì)能的回收。動(dòng)臂上升過程中，蓄能器與變量泵一起為系統(tǒng)提供壓油，驅(qū)動(dòng)負(fù)載，從而回收的勢(shì)能得以二次利用。

液壓挖掘機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)利用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電/電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。混合動(dòng)力系統(tǒng)原理如圖6所示，當(dāng)液壓泵所需的驅(qū)動(dòng)功率較大時(shí)，電池向發(fā)電/電動(dòng)機(jī)供電，協(xié)助燃油發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)液壓泵；當(dāng)液壓泵所需的驅(qū)動(dòng)功率較小時(shí)，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)液壓泵，并且額外的輸出功率驅(qū)動(dòng)發(fā)電/電動(dòng)機(jī)發(fā)電，能量以電能的形式存儲(chǔ)在電池中。

圖6 混合動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

2.2 混凝土泵車節(jié)能技術(shù)

混凝土泵車同時(shí)實(shí)現(xiàn)混凝土的泵送和布料，其工況復(fù)雜，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和負(fù)載的功率匹配可以使節(jié)能效果最優(yōu)化。從大系統(tǒng)理論分析出發(fā)，計(jì)算混凝土泵車能量損失的主要途徑，將混凝土泵車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵及負(fù)載作為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)來研究其節(jié)能問題，通過先進(jìn)控制算法如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵、負(fù)載的功率匹配。根據(jù)負(fù)載的變化合理調(diào)節(jié)混凝土泵車工作模式，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況與負(fù)載相匹配，提高了系統(tǒng)功率利用率，達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的目的。

混凝土泵車換向沖擊引起的整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)會(huì)大大降低系統(tǒng)的可靠性。采用蓄能器對(duì)換向過程的沖擊能量進(jìn)行回收，不僅可以使換向更為平穩(wěn)，而且避免了沖擊能轉(zhuǎn)換為熱能而使得液壓介質(zhì)溫度升高帶來的一系列問題。此外，采用主動(dòng)控制技術(shù)，當(dāng)位移傳感器檢測(cè)到混凝土活塞靠近行程末端時(shí)，主動(dòng)控制變量泵降低輸出流量和壓力，從而達(dá)到減小換向沖擊和節(jié)能的目的。

3 建筑機(jī)械節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

通過傳感器技術(shù)和先進(jìn)控制算法實(shí)現(xiàn)建筑機(jī)械的智能節(jié)能是建筑機(jī)械節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)之一。安裝于鏟斗的力傳感器檢測(cè)施工過程挖掘阻力大小，根據(jù)先進(jìn)的控制算法主動(dòng)計(jì)算液壓系統(tǒng)的輸出壓力和流量，通過主動(dòng)控制有效提高液壓系統(tǒng)的能量利用率。根據(jù)施工要求，通過優(yōu)化算法對(duì)挖掘機(jī)各節(jié)臂路徑進(jìn)行規(guī)劃，通過位移傳感器或傾角計(jì)的閉環(huán)反饋，精確控制各節(jié)臂的運(yùn)行軌跡使挖掘機(jī)作業(yè)效率大幅度提高。同理，對(duì)混凝土泵車的布料軌跡進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)高效布料。

提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)故障率，從長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)利益角度出發(fā)，也是節(jié)能的一種方式。通過傳感器技術(shù)對(duì)液壓元件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)液壓介質(zhì)的品質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)液壓泵關(guān)鍵摩擦副摩擦磨損情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)液壓缸的密封圈磨損、爬行現(xiàn)象、緩沖機(jī)構(gòu)失效進(jìn)行有效的監(jiān)控，對(duì)控制閥的閥芯卡緊、工作過程中的泄漏、換向沖擊進(jìn)行有效的監(jiān)控，提高液壓元件的使用壽命和可靠性。對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，如挖掘機(jī)動(dòng)臂、混凝土泵車臂架，在易失效部位安裝超聲波傳感器和加速度計(jì)，超聲波傳感器檢測(cè)內(nèi)部裂紋，加速度計(jì)檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控避免事故的發(fā)生，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

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