蓄能器在起升机构上的节能研究

1 技术背景

目前，码头堆场上用于集装箱的吊装作业设备多数都是场桥、岸桥，其起升机构一般都是电机驱动，机构传动系统为：电机-连轴器-减速器-卷筒。在重物上升阶段，电机驱动提升重物；在重物下降阶段，重物拖动电机反转，此时电机为发电状态。为控制电能输出，传统方法一般都接制动电阻，将重物势能转化的电能通过电阻发热白白消耗掉；也有少数配置电池储能单元，回收部分电能，储存的电能在起升阶段再用于提升重物，但由于成本及电池寿命原因，很难大规模推广。因此本文研究介绍一种新的即液压蓄能器在场桥、岸桥起升机构应用,并进行节能研究。

2 理论方法研究

在液压传动中，蓄能器也常作为储能单元使用，重物下降的势能也可通过蓄能器储存起来，相对于电池储能技术，液压寿命一般较长，成本可控。节能效率通过计算如下面研究。

蓄能器节能方案中，通过在减速器上安装一液压马达（与电机同轴）或在电机尾部串接液压马达，液压马达与起升电机一起驱动减速器。

2.1 节能系统原理

液压原理图如图1所示，9为二次马达，其高压油口B通过蓄能器控制阀组10与蓄能器组11相连，每组蓄能器由活塞式蓄能器及氮气瓶组成，结合吊机上的重量传感器设定二次马达9的排量，当不需要二次马达参加工作时，蓄能器控制阀组10可以让马达高压口B与油口T直接相连。电机3用于驱动辅助油泵5、6，油泵5一方面向二次马达9低压侧补油，防止马达吸空，一方面为散热器7提供散热油流量。油泵6用于驱动散热器马达，同时提供二次马达变量控制油。

图1 节能系统原理图

2.2 原理图工况

原理图工况如图2所示。

图2 工况

（1）带载下降/如BA段：减速器驱动液压二次马达9,此时马达当泵工况，高压油经B口、蓄能器控制阀组P、A口至蓄能器组P口，蓄能器组在充能状态。当压力到蓄能器控制阀组设定的高压力时，充能结束，马达高压油通过蓄能器控制阀组溢流至T口回油箱，但二次马达依然维持较大排量，产生的扭矩用于抗衡重物势能。补油泵5用于向二次马达9低压侧A口补油，多余流量经散热器7至油箱。

（2）空载上升/如AB段：二次马达9驱动减速器辅助提升空载吊具，蓄能器组11高压油经蓄能器控制阀组A、P口、二次马达9高压侧B口，再从A口回油箱。补油泵5泵出液压油经散热器7至油箱。

（3）空载下降/如CD段：减速器驱动液压二次马达9,此时马达当泵工况，高压油经B口、蓄能器控制阀组P、A口至蓄能器组P口，蓄能器组在充能状态。当压力到蓄能器控制阀组设定的高压力时，充能结束，但马达依然维持设定排量，产生的扭矩用于抗衡吊具势能。补油泵5用于向液压二次马达9低压侧A口补油，多余流量经散热器7至油箱。

（4）带载上升/如DC段：液压二次马达9驱动减速器辅助提升重物，蓄能器组高压油经蓄能器控制阀组A、P口、二次马达9高压侧B口，再从A口回油箱。补油泵5泵出液压油经散热器7至油箱。

（5）横移/如BC、CB段：此时液压二次马达9不工作，补油泵5泵出液压油经散热器7至油箱。冷却泵5驱动散热器7马达工作。

3 蓄能器设计计算

以某一型号场桥为例，其起升系统要求如表1。

3.1 根据系统要求，通过常规计算起重机计算公式可以得出起升机构如表2的基本参数

3.2 液压马达、蓄能器选型计算

根据计算扭矩、选定蓄能器工作压力等级，可以初步估算出液压马达排量，再根据马达作用时间或转过的圈数可以推导出蓄能器工作容积的变化，以此选定液压马达、蓄能器型号。

式中，ΔP为马达工作压力差，取300bar；ηm为马达机械效率，取0.95；Tm为下降时马达的扭矩取，取80%满载扭矩T12。

（1）选定马达最大排量400ml/r，排量电比例控制。

蓄能器工作容积ΔV，L

式中，ηV为马达容积效率，取0.95；n为下降时马达转过的圈数。

式中：P0为蓄能器充气压力，140bar；P1为蓄能器最低工作压力，150bar。P2为蓄能器最高工作压力，300bar；n为指数，取1.4。

（2）蓄能器总容积700L,其中活塞蓄能器330L,气瓶370L。

4 蓄能器节能分析

因起升机构由主起升电机及液压马达一起驱动，速度由主起升电机变频控制，液压马达不设速度控制，理想工况是主起升电机在负载下降时要提供一定的抗衡扭矩，在负载上升阶段提供驱动扭矩，即要求液压马达在负载下降时提供的抗衡扭矩最大值不超过抗衡负载下降要求计算值，在负载上升阶段提供的驱动扭矩最大值不超过驱动负载上升要求计算值。电比例液压马达具体排量设定,可按各工况蓄能器工作压力及负载抗衡扭矩或驱动扭矩确定设定范围：如负载下降时，液压马达抗衡扭矩最大可达到总负载抗衡扭矩的80%～100%，尽可能大的排量有利于蓄能器储存更多的能量；负载上升时，液压马达驱动扭矩会随着压力降低而减小，初始排量最大可设定为驱动总负载驱动扭矩的排量，尽可能多的利用蓄能器的储存能量。

4.1 额定负载下降储存能量（如BA段）

马达排量Vg设置，400ml/r(小于最大工作压力马达排量计算值，在额定负载下，可以将马达设定到最大排量)。

最大工作压力300bar时：

在t1=24.66s时,压力达到最高压力限制299.7bar,工作容积变化为184.1L,此后蓄能器不再蓄能,马达提供的流量经溢流阀(设定压力300bar)卸掉。马达输出扭矩蓄能开始时T0,最低工作压力150bar。

蓄能结束时工作扭矩T1，工作压力300bar：

液压辅助系统消耗功率N3=15kW，作用时间t1为30s。

此阶段,重物势能部分通过液压蓄能器转化、存储，起升机构从电网耗能较小，忽略不计。

4.2 吊具空载上升释放能量（如AB段）

马达排量设置Vg，取120ml/r(小于初始压力马达排量计算值，OK)。

4.3 吊具空载下降储存能量（如CD段）

马达排量Vg设置，120ml/r（小于最终压力时马达排量计算值127ml/r，OK）。

液压辅助系统消耗功率N3=15kW,作用时间t1为20s。

此阶段,吊具势能部分通过液压蓄能器转化、存储，起升机构从电网耗能较小，忽略不计。

4.4 额定载荷上升释放能量（如DC段）

马达排量设置Vg，取261ml/r(小于初始压力马达排量计算值，OK)。

表1

表2

261ml/r为由软件模拟上升结束时蓄能器刚好释能至最低工作压力150bar的液压马达排量，如排量设置大于261ml/r,释能在上升过程中提前结束，节能效果与排量为261ml/r时一致；排量设置小于261ml/r,释能在上升结束时，蓄能器压力还超过最低工作压力，释能不充分。

节能效率η0=η1-η2=25.4%。

小车横移，如BC、CB段，起升机构不工作，液压辅助系统耗能15kW,工作时间都为20S。得出结论如表3。

不考虑下降时起升功率影响（负载驱动起升电机,蓄能器处于储能模式,起升电机从电网耗能忽略不计），则总节能效率如下：

表3

为方便计算，压力变化曲线看作是线性曲线。计算过程中取高、低两点的平均值。

5 结语

公司场桥、岸桥设备目前主要采用制动电阻方式吸收转化重物下降时的势能，通过发热消耗掉，少有吸收再利用的方式。液压蓄能器-马达方案可以吸收部分重物下降势能，用于再提升，相当于部分制动载荷；蓄能器储能饱和后，多余流量通过高压溢流，相当于大部分制动载荷，溢流热量通过油散冷却。蓄能器功能：一是充当制动载荷，二是节能，同时还可以降低主机功率配置，提升作业效率。