港口挖掘机节能技术研究与改造

王齐

摘 要：挖掘机的应用比较广泛，特别是用于各大企业、工程项目等，港口挖掘机的需求十分旺盛，并且呈增长趋势，挖掘机在港口可用于煤炭货物的堆存以及冬季煤炭卸货车作业的辅助。传统挖掘机效率低，能耗大，维修成本高，废气排放量大，污染严重，漏油现象也是有发生，虽然以柴油机为动力尚可，但工作时的噪声、废气等对环境造成了严重的污染。为节能降耗、且达到环保要求，我们经过调研分析，决定对传统挖掘机机进行技术研究与改造，增加电动机系统，使其成为油电两用双动力挖掘机。

关键词：油电两用;升级改造;节能降耗

中图分类号：U653.922 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）09-0058-02

1 挖掘机核心部分的技术研究与改造

原有的挖掘机动力系统不变，新增加一套电动机系统，在煤炭堆场等作业场地内设置电源，通过随机电缆将场地内电源供到挖掘机上，堆存作业时可关闭柴油机，使用电动机驱动挖掘机堆存作业。若没有电源，当由一个堆场移动到另一个堆场或长距离移动挖掘机时，依然可以用柴油机驱动。

1.1 电缆及电缆卷筒

YCW和YC重型橡套电缆能承受很大机械外力的自身拖拽力，港口机械设备中多有应用。YCW电缆为重型通用橡套电缆，ycw电缆可用于工地上临时施工用，能承受较大的机械外力作用，广泛适用于交流额定电压450/750V以下各种电动工具、移动式电器设备或轻型移动电气设备等，线芯的工作温度应不超过60℃。根据挖掘机用电量，挖掘机作业时需经常短距离移动，电缆选用截面积为150m2电缆，即YCW3X150电缆最为合适[4]。

JXD、TXC磁滞式电缆卷筒有自制动功能，无需安装制动器，安全可靠，是目前国内最理想的电缆卷绕装置，在回转处增加一套J3D-4型磁滞式电缆卷筒，根据电缆长度，确定电缆卷筒外径为4300mm。

1.2 电动机

在原有挖掘机回转平台尾部增加电动机、主泵、切换阀组等，与原来的系统组成两套双泵双回路的开式恒功率变量液压系统，使挖掘机功率利用依然达到最佳状态。增加YX3-355M-4型高效电机如图1所示。

选择电动机的功率要以驱动的液压泵功率计算，如下：

P=PpQmax/ηp=154W

式中：P——泵的功率，kW;

Pp——取液压泵的额定压力的0.8倍，MPa;

Qmax——液压泵的流量，m3/s;

ηp——主泵的效率，取0.8～0.85。

日立ZX型挖掘机主泵的最大工作压力（Pp）为32MPa。主泵的流量（Qmax）为288L/min，按照上式计算，电驱动系统的电动机功率为154Kw。

为满足使用要求，我们选用160kW电动机，调查研究对比后选用功率为160kW、电流为290A、转速为1490r/min的电动机最为适宜，因此选用YX3-315L-4型高效电机[1]。

选用YX3-315L-4型高效率电机有以下几大好处：

（1）铁芯材质好，所以空载损耗低。（2）损耗低、效率高，节能。（3）损耗低，发热量小，所以电机温升低，延长了电机的使用寿命。（4）振动小，噪音低。（5）温升低，延长机械部件使用寿命。

1.3 软启动器

本次选用施耐德ATS48软启动器，软启动-软停止单元用于功率范围1200kW范围内的三相异步电机的力矩控制软启停。具有电机保护功能，同时还具有通讯控制模块进行通讯连接。

ATS48软启动-软停止单元有效降低设备故障率，提高设备稳定性，它可以：

（1）降低电机线路峰值电流和电压降来有效降低电气系统的运行负担。（2）有效改善机械可用性来降低设备的运行成本。

1.4 PLC控制系统

将用户程序送入PLC中，进行监控和故障检测。S7-200系列PLC有多种编程器，一般可分为智能型和简易型。本文选用简易型编程器，简易实用，是袖珍型的产品，节省空间，增添的PLC控制系统，选用西门子的S7-200型简易型PLC控制器。将与电动机动力源相关的设备状态信息和故障信息输入到PLC控制器内，并通过PLC控制器让各机构动作达到控制目的[3]。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

（1）扩展模块丰富。（2）操作方便、易于掌握、安全可靠。（3）内置集成功能丰富。（4）通讯能力强，便于控制。

1.5 配电箱及供电装置

在回转平台右侧增加1台高度为900mm、长度为600mm 厚度为500mm的配电箱。配电柜防护级别为IP55级。内设电源总开关、启动器、控制和保护元件，保证整机供电和用电安全。在挖掘机作业区域四个堆场内设置四座容量为913kVA的箱式变电站，为挖掘机供电。每隔100m安装一个容量为200kW的地面接线箱。挖掘机通过工业快速插头与接线箱连接，用以给挖掘机提供电源。

1.6 设备冷却

将电动机的冷却器串联在冷却回路中，使用电动机冷却风扇转动来降低温度。为防止因冷却器背压高造成冷却系统故障或损坏，可在主液压系统中设置了旁路阀，液压油可通过旁路阀直接回到液压油箱，背压超过0.6MPA时旁路阀起作用。

1.7 油電切换

液压油从液压油箱并联进入2台主泵，压力油通过切换阀组进入挖掘机多路控制阀，其中经过中央回转接头的压力油，驱动左右行走装置的液压马达，其它的直接驱动回转装置的动臂缸、液压马达等，以此来实现挖掘机的各项基本工作，2套系统不可同时作业，油电切换阀用于电动机与柴油机驱动的切换，不用人工对装置进行调换，切换阀可在驾驶室内进行转换操作。

1.8 安装架

安装新增加的油泵、阀组、电动机、电缆卷盘等，延长回转平台1.5米，在回转平台头部增加配重，达到设备的平衡状态，改进前、后机架结构对比如图2所示。

2 改进后应用效果

2.1 改善工作环境，达到环保要求

电动机较柴油机相比，无废气排出，设备平稳可靠，噪声幅度的降低，让现场作业人员工作环境显著改善，在挖掘机其他辅助工作系统如照明灯等由动力电源提供电能，降低柴油机使用时间和油耗支出，减少了废气排放，真正意义上达到了环保的要求。

2.2 降低维修和运行成本

电动机、电气元件的故障率低、可靠性强，可有效降低了挖掘机的维修成本;柴油机工作负荷降低，运行台时减少，相关配件问题故障率降低，保养间隔周期延长，从根本上节约了大量材料费、维修保养费，同时也降低了维修人员的劳动强度。 运行台时的减少带来加油次数的减少，节省大量燃油费。

3 结语

挖掘机增加电动机系统后，作业成本大幅降低，作业环境明显改善，经济效益和社会价值有所提高。

参考文献

[1] 刘利，王栋.电动机软启动器实用技术[M].中国电力出版社，2010.

[2] 成大先.机械设计手册[M].化学工业出版社，2016.

[3] 廖常初.PLC编程及应用[M].机械工业出版社，2014.

[4] 李金伴，主编.常用电线电缆选用手册[M].化学工业出版社，2011.