关于混合动力起重机能量控制系统的研究与设计

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面对 日趋严重 的资源短 缺与环境恶化 问题 ，寻求社会 、经济与资源、环境相互促进与协调发展的可持续发展模式正在成为世界性潮流。高效、节能、环保型的起重机-直是国内外许多生产企业走可持续发展战略的-个重要目标。改善发电机组性能、采用市电代替柴油发电机组和采用混合动力技术是当前起重 机节 能研 究的主要方 面。

1 混合动 力起重机动力部件的特性分析1.1 柴油发动机柴油发动机的运转情况主要撒于曲轴的转速和发出的功率及扭矩。不同用途的发动机，其工况是各不相同的。为了评价 发动机在不 同工况下 运行 的动力性指标 和经济性 指标 以及工作过程进行的完善程度，就必须研究发动机特性。柴油发动机 的工况平 面 、工况线及典型工况点如图 1所示 。

图 1 柴油发动机的工况平面、工况线及典型工况点1.2 超 级电容器超级电容器.又称为双电层电容器、黄金电容 、法拉电容，是近年发展起来的-种新型储能器件，与常规电容器不同，超级电容器的容量很大，可达法拉级甚至到数千法拉。

2 混合动力起重机在工程机械上 的应 用在机械使用 中，传统的工程机械利用率不高 ，才到达20%.经济的发展对资源的利用效率提出了更高的要求，很好的节省资源 ，提高操作效率从而提高设备的使用效率和性价比成为了重中之重 ，各大公司为了提高在市场上的竞争力 ，把工程机械的节能技术看成了发展的重点。

在当前节能技术发展的形势下 ，我国也着重将混合动力工程机械中的节能技术的开发提上了日程，引起了国家有关部门的重视。加大了研究力度和资金的投入，同时科技部在 2009年将新型混合动力工程机械关键技术及系统”项 目列入国家高技术研究发展计划(863”计划)先进制造技术领域的重点项目中。

在当前形势下，国内的许多挖掘生产厂家加大了资金和技术投入的力度 ，在以前机械的基础上进行 了改进措施，提高了挖掘机的利用效率，提高了工程的施工 .但是许多公司没有重视新产 品的研发 ，发展角度 比较片 面。

武汉 理工大学的有关人员对轮 胎起 重机进行 了相关 的研究，将其混合动力进行了改造。在改造过程中，其不仅对超级电容器的原理和电的特性进行了分析，还分析了混合动力的应用关键技术同时建立起了轮胎起重机混合动力系统的数学模型。

对超级电容器的电特性进行了仿真验证。通过对比得知在对混合动力进行改造后节能效果十分明显，在轮胎起重机使用混合动力技术后其每个的作业环节都节约了将近40%左右的柴油。

研究结果得 知要 加大对混合动力的改造 ，为建立节 约型和可持续发展型社会提供保障。

我 国相 比较 于国外 来说 。工程机械 的混合动力化起步 比较晚，国外早在 2003年就推出了世界上第-台混合动力轮式的装载机，并经过研究在 2004年推出了世界上第-台试验性混合动力液压挖掘机，远远领先于我国。

在最近几年，我国加大了对混合动力的研究力度 ，-些挖掘机生产公司在混合动力的研发上取得了较大的成绩.为我国混合动力在 工程 机械上的应用提高了宝贵的经验。在 2009年我国开始研发新型混合动力挖掘机，在 2014年将完成研发。到时将 此挖掘机投入使 用 ，将大大减 少二氧化碳 的排放量 ，节约大量的资源和成本。还为我国混合动力工程机械的研发提供了经验，到未来有利于使混合动力起重机应用到大部分的工程机械当中.节约成本和资源。

在当前经济形式下 ，工程机械上要应用混合动力要综合考虑到系统的节能、排放和布局等因素.目前混合动力的能量回收方式主要有两种2.1 串联式系统串联式 系统 主要指 将发动机和大功率 的发电机进行直接的串联 。当机械能通过发动机来输出时.则将其全部用来驱动发 电机 ，在发 电的过程 中会 输 出交 流电 ，交 流 电会通 过整流器的变化 比为直流 电 .然后再将 其存储 到电池或者超级 电容器中，剩下 的-部分 交流 电会 通过逆变器 的处理 ，再去驱 动电动机。在电动机的使用过程中，会输出-部分的机械能，然后通过液压泵的转化会变成液压能，液压能会在控制阀的影响下去驱动执行机构；电动机的运行过程中留下来的另外-部分的机械能会直接驱动工程机械的运转部件。

图 2 串联式混合动力能量回收示意图(下转第 l14页)1O9墨重叠lI ! !! ! ! 垫垫量鱼曲，虽可以继续监护运行 ，但风险较大 ，有可能发生二次破坏性故障。鉴于此，公司决定对汽轮机实施解体大修 ，确定故障原因 ，对汽轮机转子 的热弯 曲变行进行 校正 ，并按要求 重新做高速动平衡。

3.2 具体实施2007年 6月 l1日汽轮机解体 ，测量转 子各 级跳 动发 现 ，汽 轮 机 转 子 后 端 ，即 低 压 蒸 汽 室 侧 的 轴 最 大 跳 动 值 达 到0.15ram。

为此，汽轮机转子送专业维修厂进行维修 ，到 6月 15日转子校正合格，高速动平衡精度达 1.83mm/s，开始汽轮机回装，后运行振动虽较先前要大 ，但已经可 以安全运行 。

4 总结在化工行业 中 ，大型旋转机械 的安全 稳定 运行 ，直接 影响了工厂了的安 、稳 、长 、满 、优 。为此 ，保证大型机组的安全稳定 ，及时发现故障，快速处理成为了重中之重的问题。大机组远程在线监测及其故障诊断系统在大型机组的故障诊断中发挥了及其 重要 的作用 。通过在线系统分析 ，能及时判断故障 ，结合现场的情况及时给出处理 问题 的方法 ，为机组运行的安全性提供依据，同时，提前做出检修准备，缩短检修 ，为化工安全生产提供保证(上接 第 109页)在串联式混合动力 系统 中的蓄能元件 引进 了电池或者超级电容器 ，液压马达驱动 回转运动改成 了由电动机来 代替 ，电动机代替液 压马达不 仅降低 了这 部分 的能 力损耗还 减少了系统的液压损失 ，同时制动能在回转的过程 中会产生 出来可以用来对电动机进行发电。能量得以存储在电池或者超级电容器当中 ，能量得到 了再生利用。

2.2 并联式系统并联式多用于驱动 系统 能量 回收 ，分 为以下三种典型结构。

变速器布置在转矩耦合器的后面，这种传动方式的优点是直接驱动系统和能量再生系统 同时将 动力输 出给变 速器 ，可以使车辆得到更大的驱动力，提高了车辆的驱动性能。但缺点是在进行制 动能量 回收时 .由于变速器 的存在 ，传递 到液压 回收元件 上的转矩不大 ，影响系统的制动能量 回收效率 。

区蒋能器H 液压裂 达h趟级In I lln动机 f图 3 并联式能量回收示 意图变速器安装在直接驱动系统中，转矩耦合器放置在变速器之后。能量回收系统不通过变速器单独安装在转矩耦合器之 前。这种传动方式的优点是在制动时 ，制动转矩可以不通过耦合器直接作用于能量再生系统，能量回收效率较高。但是 ，由于能量再生 系统 的输 出转矩没有 经过变速 器的放大 .所 以驱 动性 能较差。

3 系统能量利用及控 制策 略3.1 柴油发电机组控制策略发动机油门控制 、发 电机励 磁调速和变速箱增 减速调节是发电机组主要控制组成部分。根据速度和电流测量 ，计算实114际所需扭矩，柴油发动机的扭矩和速度，进行转换 ，然后再确定柴油燃油喷射量 。当系统需要工作重物或需要补充能量超级电容器时 .在满效率 的区域 控制涡轮机运行 ，当负载功率需 求低时，发动机可以工作于低于额定转速，以减少柴油燃料消耗，噪声 .和维护成本 。

3-2 超级 电容器能量流向控 制策略超级电容器控制策略.主要是确定超级电容器何时放电、何时充 电 、何时不工 作。其变换器 的工作方式 ：即采用 升级放电 ，升降压充电的工作方式 。

其中 ，系统对重物负载做功 时 ，直流母线上 电压会 有变小的趋 势 ，当系统重物负载 的需求功率大于发 电机组所能提供最大功率时 ，这种趋势更为 明显 。所 以可 以根据直流母线电压的变化来控制双 向 DC/DC变换器 .实现超级 电容器的充放电。

4 结语国外许 多研究机 构和工程机械生产企业 已经在混合 动力起重机领域取 得了-些成果并且掌握 了-定 的关键技术 ：而我国相 关研 究还 比较滞 后 .应抓 紧时间进行相关技术 的研究 ，早日掌握关键技术 。