起重机行走系统节能经济效益研究

王 威

（江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院赣州检测分院， 江西 赣州 341000）

0 引言

起重机是我国应用最广泛的工程机械，其具有大功率、高耗能特点。随着我国绿色化理念的推行，高效、节能也成为各行业发展的主流方向[1]。在此种环境下，起重机的节能化设计改造也成为每一个工程机械制造企业所需要思考的问题。履带式起重机作为我国最常见的一种工程起重机械具有大功率和高耗能特点，其在行走过程中因系统功率匹配不当会造成巨额能量流失，因此如何有效实现起重机功率匹配对节能发展有着极其重要的意义。

1 节能控制策略

1.1 分工况功率设定节能控制策略

起重机在作业过程中行走系统所受到的地面负载是可变化的，此种情况下便需要根据工况的不同对发动机进行调整，实现行走系统功率与负载的匹配，进而降低能源消耗[2]。本次节能控制策略基于电子信息技术以及自适应模糊PID 控制算法所实现，通过传感器检测起重机的信号，起重机行走系统会根据反馈的信号对发动机油门开度进行控制。根据某企业起重机实际运行情况来看，可以将其分为空载大功率工况、带载中功率工况以及空载小功率工况，不同工况下的功率消耗也包含有附属装置的消耗，因此所设定的工况功率值需要大于系统实际所产生的功率。

1.1.1 空载大功率工况下的节能控制方式

空载大功率工况主要有转弯工况和爬坡工况两种，经实践研究发现，空载转弯工况下所需要的功率相比较爬坡（坡度≤3°）工况功率大。在这两种工况下，为了能够确保发动机输出的功率得到最大化利用，需要将最大功率点设置为发动机功率匹配工况点，同时利用自适应模糊PID 控制的方式对发动机的转速进行调整，保持发动机在符合功率需求下依旧能够处于最佳经济转速值（1 900 r/min），此时发动机功率与变量泵的吸收功率基本一致，从理论角度分析发动机的功率输出不存在剩余功率。

1.1.2 带载中功率工况下的节能控制方式

带载中功率工况包含有低速直行工况和低速大半径转弯工况。在此种工况下，发动机想要匹配最佳功率，需要保证在该工况下发动机的转速波动不大。为此，需要将发动机带载低速工况下的目标转速设置为1 800 r/min，而在低速直行工况下发动机转速则设定为1 600 r/min。

1.1.3 空载小功率工况下的节能控制方式

空载小功率工况包含有起重机怠速作业或场地转换作业工况，其对发动机的输出功率要求较小，因此此种工况下的功率设定可以将空载直行小功率为主，发动机目标转速设置为1 400 r/min，进而降低发动机能耗。此时电控系统也会将液压系统的数据传递给行走系统中，进而对变量泵的排量进行调整，并对变量泵的出口压力和标定压力进行比对，以此为基础对发动机油门开口度进行调整，实现燃油喷吐量的调控，从而达到节能控制的目的。

1.2 行驶阶段的节能控制方式

某起重机行走系统是由L8VO 双泵系统所驱动的，起重机的位移运动均是在此系统的操控下所完成。为了降低起重机行走时的能源消耗，可根据上文将发动机的运行情况分为三个工况，不同工况下发动机设置的目标转速有一定的差异。在功率模式设定完成后，功率变动主要由变量泵功率进行调控，基于模糊PID 控制模式结合电子控制单元对发动机进行合理化调控，确保发动机在各种工况下均能处于稳定状态，行走系统中的发动机、泵的负载功率能够实现相互匹配。

1.3 起重机功率匹配自适应模糊PID 节能控制

本次所建立的起重机行走功率匹配系统是基于自适应模糊PID 控制算法所实现的，该算法用于协调发动机、负载、液压泵三者之间的匹配关系。在行走节能系统运行过程中，压力传感器将检测到的信号值传递给电子控制单元，之后电子控制单元根据信号值判定起重机的实际运行工况，将发动机转速与目标转速进行对比，将对比值输入到模糊控制器中进行计算，然后得出油门开口最佳经济点，并发出电信号由执行元件进行控制。

2 起重机行走系统节能措施的仿真模拟

为了验证起重机行走系统节能措施的可行性，本次采用AMESim 以及MATLAB/Simulink 软件对系统进行仿真模拟，根据上述节能策略所建立的节能系统模型如图1 所示。

图1 节能系统模型

本次仿真模拟是在起重机空载小功率工况下进行的，选定目标转速设置为1 400 r/min，将油门开度设置为60%，起重机行走速度设置为0.15 m/s。在仿真模拟过程中，在第10 s 和20 s 时分别加载和减载6 MPa 的载荷，仿真时间为30 s，查看发动机转速仿真模拟输出情况，结果如图2 所示。

图2 发动机转速仿真模拟输出情况

在传统控制模式下，在加入载荷后起重机发动机转速最低降至1 289 r/min，经过约7 s 时间恢复到1 400 r/min，在减去载荷后，发动机的转速最高升至1 441 r/min，经过约6 s 时间恢复到最初状态；在节能控制模式下，仿真模拟系统在加入载荷后发动机转速最小降至1 322 r/min，在5 s 后恢复到1 400 r/min，在减去载荷后发动机转速最高升至1 425 r/min，在5 s后降至稳定状态。由此可见，相比较传统控制方式而言，节能控制策略下起重机发动机转速在载荷变化下波动幅度更小，回归平稳状态所需要的时间更短，对改善调控系统动态性能具有更好的效果。

为了验证行走系统功率匹配情况是否良好，在仿真模拟过程中将电流初始值设置为320 mA，发动机输入转矩设置为653.2 N·m，转速设置为1 400 r/min。对发动机的输出功率变化情况和变量泵吸收功率的变化情况进行仿真，具体结果如图3、图4 所示。

图3 起重机发动机输出功率变化

图4 起重机变量泵吸收功率变化

由图3、图4 可知，起重机发动机输出功率稳定状态下为84.15 kW，变量泵吸收功率为75.95 kW；在10 s 加载载荷时发动机输出功率变化为69.68 kW，变量泵吸收功率变化为64.39 kW；在20 s 减去载荷时发动机输出功率上升至113.48 kW，变量泵吸收功率变化至98.21 kW，功率变化与上述发动机转速变化规律一致，匹配功率为75.95÷84.15×100%=90.26%，可见匹配效果良好。

3 起重机行走系统节能措施的实际应用效果

该行走系统节能措施主要应用于某企业履带式起重机上。该企业301 号履带式起重机为80 t 载重量，该起重机主要用于工程材料的装卸和转移。在2022 年7 月8 日—7 月15 日为某地连续阴雨，室外工程作业需要停止，该企业在此段时间将301 号起重机行走系统进行节能改造，改造完成后继续进行工程作业。改造前后301 号履带式起重机作业工况与作业时间一致，因此前后能耗有对比性。经过统计计算，改造前每小时油耗约为33 L 左右，改造完成后每小时油耗为24 L，降低幅度为27.27%，该工程所在地0 号柴油价格为8.56 元/L，每小时能够节约燃油成本77.04元。该起重机每日工作时间约8 h，该项工程工期至2025 年完工，根据工程建设需求该型号起重机在2022 年7 月15 日后预计作业时间为300 d 左右，本次经济性计算以工作300 d 为例，改造后每台该型号起重机在整个工程当中能够降低成本为300 d×8 h/d×77.04 元/h=184 896 元，由此可见，行走系统节能改造能够有效降低企业的成本投入。

4 结论

1）从空载大功率工况、带载中功率工况、空载小功率工况方面入手，建立节能控制策略。

2）利用AMESim 和MATLAB/Simulink 软件对行走系统节能措施进行仿真模拟，结果显示节能控制策略下发动机动态调控性能更佳，发动机输出功率和变量泵吸收功率匹配率达到90.26，具有良好的匹配效果。

3）将节能控制策略应用于某企业起重机中，经过统计计算可知每小时能够节约燃油成本77.04 元，从整个工程角度分析每台起重机能够降低成本184 896元，具有良好的节能经济效应。