大型臂式斗轮堆取料机液压系统节能研究.pdf

大型臂式斗轮堆取料机液压系统节能研究 徐万鑫 长春发 电设备有限责任公司 长春1 3 0 0 3 3 摘要随着人们节能环保意识的不断提高 ，能耗作为主要指标在大型臂式斗轮堆取料机产品的竞标中所 占份额逐年增大。本文在充分分析液压系统能耗影响因素的前提下，从降低系统功耗和提高系统效率两方面人 手。融入节能设计理念，对效率较低的各主要机构液压系统进行分析研究 ，从而实现了大型斗轮堆取料机液压 系统的节能降耗。 关键 词 斗轮堆取料机 ；液压系统 ；节能 中图分类号U 6 5 3 ． 9 2 8 ． 5 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 3 0 1 0 1 0 1 0 4 Ab s t r a c t W i t h c o n t i n u o u s i n c r e a s i n g o f p e o p l e’ S e n e r g y s a v i n g a n d e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n a w a r e n e s s ，e n e r g y c o n s u mp t i o n t a k e s u p mo r e a n d mo r e s h a r e i n t h d c o mp e t i t i v e b i d d i n g f o r l a r g e s c a l e b o o m- t y p e b u c k e t w h e e l s t a c k e r ／ r e c l a i - me t ． T h e p a p e r a n a l y z e s t h e f a c t o r s a f f e c t i n g t h e e n e r gy c o n s u mp t i o n o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m ， wi t h r e s e a r c h o n ma i n l o w e f - fi e i e n t h y d r a u l i c s y s t e ms f r o m r e d u c t i o n o f s y s t e m p o w e r c o n s u mp t i o n a n d i mp r o v e me n t o f s y s t e m e ffic i e n c y t o i n c o r p o r a t i o n o f t h e e n e r g y s a v i n g d e s i g n c o n c e p t ，i n o r d e r t o r e ali z e t h e e n e r gy s a v i n g a n d c o n s u mp t i o n r e d u c t i o n f o r l arg e s c a l e b u c k e t wh e e l s t a c ke r ／r e c l a i me r ． Ke y wo r d s b u c k e t - wh e e l s t a c k e r ／ r e c l a i me r ；h y d r a u l i c s y s t e me n e r gy s a v i n g 近年来 ，随着 国家对基础建设 投入 的逐年增 大 ，促使各港 口、电厂 、钢铁 等工矿企业 对散状 物料的输 送需 求也迅速增加 ，巨大 的散料输送量 也为大型散料输送设备 ，特别是臂式斗轮堆 取料 机 以下简称斗轮机 的开发和研制 提供 了发展 空间和机 遇，如此 巨大的经济效益和市场需求 也 加剧 了各 斗轮机生产厂家 间的产 品竞争。设 备的 大型化必 然带来能耗指标 的提 高 ，在 当前 国家对 节能减排政 策执行力度加大 ，节能环保 E t 益被人 们所重视 的大环境下 ，能耗 作为斗轮机 的性 能指 标在斗轮机市场竞争 中逐渐担当起 了重要的角色 ， 并且所 占份额及影 响逐 年增大。因此 ，各斗 轮机 生产厂家 均加大 了对大型斗轮机性 能提升 、能耗 降低的技术革新和投入 ，液压驱动方式在 斗轮机 各主要 机构广 泛应用 ，而 其工 作效 率一 贯较低 ， 可提升空间巨大。所 以对 大型斗轮机液压 系统进 行能耗分析并开展提高系统工作效率 的节能研究 ， 对于大型斗轮机 的提能降耗 以及提 升生产厂家的 市场竞争力均有很重要 的现实意义 。 1 大型斗轮机液压系统能耗影响因素分析 大型臂式斗 轮机各 机构 中经 常采用液压驱 动 起重运输机械 2 0 1 3 1 的机构包括 主机俯 仰机构 、斗轮机构低速大扭矩 液压马达驱动系统、带式输送 机张紧装置 、尾 车 变幅装置以及导料槽 起升或料斗翻板装置 等。就 上述各机构而言 ，主机 的运动特性参 数决定配套 液压系统的参数配置 ，并直接影 响液 压系统的电 机功耗 ，因此对机构特征参数 的优化设计 可以有 效降低液压系统功耗。而液压 系统 自身的各组成 部分若配置不当也会使系统工作效率严重下降， 所以要对 斗轮机配套液压系统进行节 能研究 ，应 在不影响主机性能及成本 的前提下 ，从 降低功耗 和提高效率两方面人手 。 1 机构应优化设计 以降低液压系统功耗。在 斗轮机 总体设 计方 案制定初 期 ，就从 全局考 虑， 对液压系统驱动的各 相关机构 特征 参数 结构形 式及安装 位置、运动特性等 进行推敲 ，在不影 响主机性能及成本 的前提下 ，融入 液压系统节能 理念 ，在参数选取上应 能尽 量减小 其配套液压系 统的功耗。 2 液压系统应合理配置以提高系统效率。在 配套液压系统设计 时，应对其进行 能耗分析 ，找 出能量损失途径和原 因，针对不 同起 因采用相应 的节能设计和措施 。 一 1 01 只有同时兼顾 以上两方面 ，才 能使 斗轮机液 压系统能耗指标达到理想 的控制水平 ，进而实现 液压系统的节能设计 。 2 通过 机构特 征参数 优化设 计 以降低 液 压 系统功耗 液压系统要满足主机特征参数 ，其工作过程 实际是能量的转化过程 ，而能量转 化必须通过液 压执行元 件做功来完成 ，鉴于斗轮机液压系统 的 执行元件 多为液压缸 ，在不考虑泄漏和摩擦损失 时，液压系统有效功耗可 以表示为 P F 。 p a ‘ 暑 P q 1 式中尸为液压执行元件有效功率，P为液压 执行元件工作压力 ，q为液压执行元件的流量。 通过式 1 可以看出，液压系统 的有效功耗 南液压执行元件工作压 力及 流量共 同决 定，由帕 斯 定 律可知 ，液压 系统 的压 力 由外 负载决 定 ， 流量与执行元件的速度 成正 比，要 降低液压系统 功耗 ，在机构设计 时，应该在不影 响服务主机性 能的前提下 ，尽量减小液压执行元件负载及速度 ， 从而达到液压系统的节能 目的。但液压执行元件 运行速度 由机 构 自身 的运行工况 使用要求 决定 ， 选取过高和过低 的速度对设备均不适 宜 ，过高 的 速度会增加设备起停和运行 中的冲击 ，使设备产 生过大的振动 ；而过低 的速度会影响设备 自身 的 工作效率。因此只能在满足其使用要求的前提下 ， 合理选取。所 以降低液压 系统 的功耗 只能从减小 液压系统的外负载的角度去研究。 2 ． 1 优化 合理的机构 形式 以减小 液压 系统 的外 负载 斗轮机 中液 压驱 动 的相 关机 构 的结 构 形 式 包括几何尺寸 、空间布置等对液压系统的负载 影响很大，进而直接影响液压系统 的功耗 。例如 在整体俯仰方 式 的大型斗轮 机主机俯 仰机构 中， 控制上部结构俯仰的液压 缸所受负载力如图 1所 示 ，其中 E为整个上部俯仰结构的重心 ，即重力 G 作用线对变幅铰点的水平偏心距 ， 为液压缸负载 力 F对变幅铰点的力臂 ，则液压缸负载力为 F 2 由式 2 可知在整机质量 、出力 、变幅角度 一 1 02 一 等条件一定 的情况下 ，液压缸负载力直接受其 负 载力对变 幅铰点 的力臂 的长短影响，而力臂 的长 短又是 由安装液压缸 的上部结构和转盘的铰点及 变幅铰点位置决定 的，优 化合 理的铰点位置就可 以有效地减 小液压 缸 的负载力 。由此 可 以看 出， 机构的结构形 式对液 压系统 的负载力 影响很 大 ， 进而直接影 响液压 系统 的功耗 ，因此优化合理 的 机构形式对降低液压系统功耗是十分必要的。 2 ． 2选择合理的机构安装位置以减小液压系统 的 外负载 斗轮机中液压驱动 的相关机 构在设 备 中的安 装位置影响液压系统的负载力及液压 系统 的功耗。 大型斗轮机悬臂带式输送机的张紧方式多数为液 压张紧。就张紧滚 筒的安装位置而言 ，可 以布置 在带式输送机 的头部 、尾部或 中部。但 由带式输 送机的逐点张力计算法可知 ，当驱动位置 固定后 ， 机上各点 的张力大小均不 同，所 以张紧装 置安装 在不同位置所需要 的张 紧力也不尽相 同，导致用 于张紧液压 系统 的执行元件 的负载力 也不同 ，特 别是大型斗轮机带式 输送机 出力大 ，胶 带宽 ，各 点胶带张力变化大 ，对张紧液压 系统的负载力影 响更加明显。因此 ，在不影 响相关 机构布置 的前 提下，应尽量选 取胶带张紧力较 小的位置布置液 压系统。由此可见 ，机构 的安装位 置对液压系统 的负载力及功耗也是有影响 的，因此 ，合理 的设 备安装位置对降低液压系统功耗也十分关键。 1 ．上部结构2 ． 上部重 心3 ．变 幅铰点4 ．支承铰座 5 ．转盘6 ．液压 缸 图 l 主机俯仰机构液压缸受力示意 图 3 合理配置以提高液压系统的工作效率 液压系统 的工作过程是传动装 置将原动机 的 输出能量转换 为液压能 ，并通过执行机构做功 的 起重运输机械 2 0 1 3 1 过程 ，这一过程 中存 在着多次 的能量转换 ，在能 量转换过程 中，任一环 节都存在能量 的损失 。系 统 能量 损 失 主要包 括 以下几 个方 面 1 液压动力元件 液压泵 类型及控制方式 选取不当产生不必要的能量转换损失 ； 2 液压控制元件及 回路选取不 当，执行元件 与动力源压力 、流量不匹配造成的能量损失 ； 3 辅助元件及工作介质选取不 当造成的能量 损失 。 应采取行之有效 的措施减 小上述液 压系统能 量损失 ，进 而提高系统效率 ，达到液 压系统节能 的目的和要求。 3 ． 1 合理选择动力元件类型及控制方式以提高液 压 系统 效 率 液压泵作为液压 系统 的动力元件 ，在能量转 换过程中不可避免地存在能量损失，其对液压系 统 的总效率影响很大 ，因此 ，液压泵 的选择非常 重要 。泵的类 型及控制方式对 液压泵 自身效率影 响很大 ，若从工作效率 角度考虑 ，柱塞泵优于 叶 片泵和齿轮泵 ，变量泵 优于定量泵 ， 自适应变量 泵优 于手动变量泵 。所 以大型斗轮机主机俯仰及 斗轮驱动的液压 系统均采用压力一流量 自适应变 量柱塞泵 ，以提高液 压系统 的工作效率 。液压泵 由于 自身带有一套伺服 系统 ，可 以使压力 、流量 按 图 2所示特性 曲线变化 ，其特点是 在系统压力 达到泵 的设定压力前保证泵 的输 出压力始终 比外 负载压力高 1 ． 5 MP a左右 。而输 出流量也 同外负 载的需求流量相 匹配 ，保证 整个 液压系统 的功率 与执行元件所需 能量 的最优配 比。达到设定压力 时 ，泵 的流量 自动 降为 0 ，但其输 出压力 维持恒 定 ，没有多余 的流量损 耗 。避 免采用定量泵溢流 阀系统 出现的闪流能量损失 ，进而有效提高 了液 设 定压 力 压 力／ MP a 图 2 自适应 变量泵原理 图及性能 曲线 起重运输机械 2 0 1 3 1 压系统的效率 。 3 ． 2 合理 选择控 制元件 及 回路 以提 高液压 系统 效 率 液压控制元件虽 不是能量转 换元件 ，但 实现 同一功能的 阀件正常工作 时压 降是不 同的 ，并且 保证其正常工作 的液压 回路也不尽相 同，所 以根 据系统 实际功 能要求 合理选择 控制元 件及 回路 ， 也可以减少 系统 的压力损 失 ，提高 回路 效率。如 在斗轮机主机俯仰机构液压 系统 中，调速功能采 用节流 阀和 比例调速 阀均可实现 ，但 从能量损失 角度来看两者组成 的液压 系统却是 大相 径庭。首 先 比例调速 阀的流 阻明显小 于节 流阀，另外采用 比例阀的回路的效率也要高于采用节流阀的回路。 图 3所示 的系统 中采用节 流阀调速 回路 ，为克服 负载 ，保证液压 缸的速度 、刚性和平稳 性 ，采用 回油节流调速 回路 ，但 此 回路会 造成很大 的压力 损失，并提高了系统的设定压力，使工作压力与 设定压力差增 大 ，产生压力过剩 ，加剧 了能量 的 损失 。图4所示系统采用 比例 阀调节 速度 ，用 比 例放 大器 的输入 电流大小控制 阀口开度来调节流 量 ，产生不同的速度。比例阀带有位 移反馈 ，有 斜坡时间带减缓液压冲击，既可保证液压缸伸 出、 缩回速度 基本 相 同 ，又可 提 高液 压 系统 的工作 效率 T P 1 ．溢流阀2 ．平衡阀3 ．节流阀4 ．电磁换向阀 图 3 采用节流 阀调速 的液压原理 图 3 ． 3合理利用液压附件以提高液压系统效率 蓄能器是液压 系统重要 的辅助元件 ，合理利 用也可 以实现 良好的节 能效果。在斗轮机带式输 一 1 0 3 P 1 ．溢流阀2 ． 平衡 阀3 ． 压力补偿器 4 ．比例换 向调速 阀 图 4 采用比例阀调速的液压原理图 T 送机 张紧装置 的液压 系统 中 见 图 5 ，由于采 用蓄能器作为辅助 动力 源 ，减少 了系统 的能量损 失。蓄能器在系统 中具有缓 冲吸振和辅助动力源 的双重作用 ，在液 压缸伸 出即胶带 张紧过程 中 ， 液压泵给液 压缸供 油 的同时给蓄能 器充油储 能 ， 当达到 S P 1压力继电器设定 压力 时停 止充 油 ，完 成蓄能器储能过程 ，此时液压泵停止工作 ，蓄能 器释放 能量 ，将 液压 能转 换成 压力 释 放 ，起 到 保 压及辅助动力源作 用 ，同时还 可 以缓 冲吸振 ， 当 系统 压 力低 于 S P 2压 力 继 电器 设 定 压力 时 ， 系统液压 泵 重新 开启 给 蓄能 器充 油 。由此可 见 由于采用 蓄 能器 作 为辅 助动 力源 ，极 大 限度 地 减少液压 泵 开启 的时 间 ，同时 可 以降低 泵 的功 率 ，提高系统效率 ，降低温升 ，从而 实现 了系统 的节能 。 3 ． 4 合理选择工作介质以提高液压 系统效率 液压系统 的工作介 质就是指液压油 ，它是 液 压系统能量传输 的媒介 ，所 以其特性参数 的合 理 选取对液压 系统 的工作效率也有很大 的影 响。众 所周知 ，液压系统动力、控制元件 的工作 效率及 流阻均与液压油粘度有关 ，并且液压 系统液体传 输过程中的沿程压力损失与液压油的粘度成正 比， 特别是斗轮机 构低速 大扭矩液 压马达 驱动 系统， 液压油的粘度对 马达 的效率影 响更大。因此合理 一 1 0 4 一 图 5 带式输送机张紧装置液压原理图 选取液压 油 的牌 号对 提高 液压 系 统 的效率 也很 关键 。 4 结束语 综上可知 ，对斗轮机 液压系统 的提能 降耗 是 大势所趋 ，是市场竞争 的必然要求 ，并且 能量损 失贯串液压系统每个组成部 分和工作环节 ，因此 ， 只有合理选用元件 、回路及 工作介质 ，合 理布置 结构 ，积极进行技术革新 ，才能保证实 现斗轮机 液压系统节能研究的 目标 和效果。 参考文献 [ 1 ]范存德 ．液压技术手册 [ M] ． 沈阳辽宁科学技术出 版社 ，2 0 0 4 ． [ 2 ]陈启松 ． 液压传动与控制手册 [ M] ． 上海上海科学 技术出版公司 ，2 0 0 6 ． [ 3 ]邵明亮，于国飞，耿华，等 ．斗轮机 [ M] ． 北京化学 工业出版社 ，2 0 0 7 ． [ 4 ]王海兰，高明波 ．基于节能的液压系统设计 [ J ] ． 液压 与气动，2 0 0 5 ， 8 2 1 ，2 2 ． 作者地址 长 春市 经济技术 开发 区世 纪大街 3 3 8 8号长 春发 电设备有限责任公司散料技术部 邮 编 1 3 0 0 3 3 收稿 日期 2 0 1 2 0 31 2 起重运输机械 2 0 1 3 1 ◇