旋挖钻机液压节能新技术.pdf

RM C M 本 刊 特 稿S p e c i 1 S t。 Ne w E n e r g y - s a v i n gT e c h n o l o g yf o r Hy d r a u l i c S y s t e m o f Ro WDr i l l i n gRi g s 刘建开，龚高柏，张洪祥 北京市三一重机有限公司，北京 1 0 2 2 0 6 0 引言 近 年来 ， 随着 世 界 范 围 内工 业 技术 的发展 ， 能源 短缺 和 环 境 污 染 问题 日趋严 重 。旋 挖钻 机 作 为 长 时 间 工 作 的 大 功 率 工 程 机 械 ， 作 业 工况 复 杂 ，作 业 过 程 中负 荷 变化 频 繁 ， 变 化 范 围 大 ， 油 耗 高 ， 排 放 差 ，其 节 能减 排 技 术 的研 发 应 用刻 不容 缓 。旋 挖 钻 机 的节 能研 究 有助 于 降 低 系 统 的 发 热 ， 简 化 系 统 设 计 ，提 高 系 统 设备 的可 靠性 ，延 长 工作 寿命 ， 氐系统 的装机功率 ，从 而在一定程度上节 约设备的成本。 旋 挖钻 机采 用 全 液 压 传 动 ，液 压 系统 节 能 是旋 挖钻 机 节 能的 重要 突 破 口 。 时 下 热 门 的 混 合 动 力 技 术 、现 代 液压 控 制 技术 、功 率 匹 配 技术 等 为旋 挖 钻 机 节 能提 供 了多种 选择 ，本 文在 最 前 沿技 术 的基 础 上 介绍 旋 挖钻 机 的节 能新 技 术 应 用情 况和 发展 趋 势【 】 J o 1 混合动力技术 目前混合动力技术是工程机械 行业 的一 个 热 门研 究 方 向 ，国 内外 多个 公 司相 继推 出 了混合 动 力 的挖 掘机 ，接 下来 势 必 会相 继 推 出混合 动 力 的旋 挖钻 机 。混 合动 力旋 挖钻 机 使 实现 主 卷扬 下 放 能量 回收 成 为 可 能 ，并 将 其 暂 时贮 存起 来 供旋 挖 钻机 需要 有 大 的提 升力 或者 大 扭 矩 时 使 用 。 由于 混 合 动力 系统 具 有 能 量 转 换和 储 存 的优 势 ， 为 能量 回收和 重 新利 用 提供 了便 利 ， 有着 广 阔 的应 用 前景 ，特 别是 在 能 源 日益 紧 张 的 今 天 ，具 有 重要 的理 论研 究 意 义和 实 际应 用价 值 。早 在数 年 前 ， 美 国 的E a t o n O P a r k e r 两 家公 司都 各 自进 h t t p ／ ／ 、 ww．r o a d m c h i n a ． c o m 行 了 自主 知 识 产权 的液压 混合 动力 系统 的开发 。E ∞公 司推 出 了液压 启 动 辅 助 的并 行 系统 P a r k e r 公 司 推 出 了一 种 新 型 的液 压 混合 动 力 设 计 。据 美国 环境 保 护 署 称 ，并 行 混 合 动 力 系 统 能 提 高 2 0 ％～ 4 0 ％ 的燃 料经 济 性 ， 全 系混 合 动力 系 统模 型 将会 有 更高 的燃 油经 济性I 2 ] 。 1 ． 1 混合动力技术原理 目前 的混合动力技术主要是指 电 动机和 柴油机 的混合动力 ，电动机 可 以通过 电网输 入 电力，也可 以通过 蓄 电池输 入电力 。在 小型机械 E 面采用 大容量蓄 电池 的做 法较 多，在旋挖钻 机上 通过 电网和 蓄 电池相结合 的方式 会取得更好 的效 果。 混 合 动 力旋 挖 钻 机 采 用 柴油 机 和 电动 机作 为双 动 力 装 置 ，通 过准 确 计 算 可 得 到 最 优 的 动 力 匹 配 模 式 ， 提 高 总 体 效 率 ， 降 低 能 量 消 耗 ， 同 时 并 未 牺 牲 性 能 。 1 2 混合动 力技术 分类 混合 动 力根 据 电动 机 和 内燃 机 的 匹配 方式 分 为 串联 式 、并 联 式和 混联 式 三类 。 1 串联 式 混 合 动 力 系 统 。 串联 式混 合 动力 系统 一般 由 内燃 机 直接 带动 发 电机 发 电， 产生 的 电能 通过 控 制 单 元传 到 电池 ，再 由 电池 传 输 给 电机 转 化 为 动 能 ，带 动 泵工 作 ，输 出液 压 油 。 采用 这 种 方 式 ， 蓄 电器相 当于 功 率调 节 稳 定 机 构 ， 保证 钻机 的功 率 匹配合 理 ，从 而达 至 U 节 台 邑 的 目 的圈。 2 并 联 式 混 合 动 力 系 统 。 并 联 式 混合 动 力 系统 有两 套驱 动 系 统 传 统 的 内燃 机 系统 和 电机 驱 动 系统 。两 个 系统 既 可 以 同时协 调 工 作 ， 也 可 以各 自单独 工 作 。 这种 系 统 适 用于 范 围 广 ，节 能效 果 明 显 ， 具 有较 好 的应用 前景 。 3 混联 式 混 合 动 力 系 统 。 混联 式 混合 动 力 系统 的特 点在 于 内 燃 机 系统 和 电机 驱 动 系 统 各 有一 套 机械 变速 机 构 ，两 套 机 构 或通 过 齿 轮 系 或采 用行 星 轮 式 结 构结 合 在 一 起 ，从 而 综 合调 节 内燃 机 与 电动 机 之 间 的 转 速 关 系 。 与 并 联 式 混 合 动 力 系统相 比 ，混 联 式 动力 系统 可 以 更 加 灵 活 地 根 据 工 况 来 调 节 内燃 机 的功 率 输 出和 电机 的运 转 。此 方 式 系统 复杂 ，成 本高 l 4 】 。 1 ． 3 混合动力技术应 用 国 内 已 有 厂 家 研 发 出 混 合 动 力 旋 挖 钻 机 ， 可 以 分别 使 用 柴油 和 电 力 进 行 施 工 。 在 城 市 施 工 时 ， 电 力 接入 方便 ，使 用 电力 由 电动 机 带 动 液 压 泵 工作 ， 为钻 机液 压 系统 提供 压 力 油 ， 可 以有 效地 节省 能 源 ， 降 低 排放 。在 偏 远地 区 ，不 方便 接 入 电力 时 ，钻 机 可 以使 用 柴油 发 动 机 带 动液 压 泵 工作 ，为 整 个 系统 提 供 压 力 油 。 如 图 1 所 示 ， 整 个 系 统 的 核 心 技 术 为 双 动力 的输入 分配 ， 专 门研 发 了双 动力 源 输 入 系统 和 功 率切 换 阀块 ， 功率 切 换 阀块 可 以感 应 动力 源 输入 ，选 择 合 适动 力 源 后 为 系统 提供 压 力 油 ， 维持 系 统 工作 。该 系 统 同 时利 用 了 电动 机 性 能 上 的优 点 良好 的驱 动调 速 性 能 、 能量 转 换 方便 、可 逆和 可控 性 能 ，与 现 代 机 电液 和 控 制 信 息 处 理 技 术 相 结 合 ， 进 一步 实现 了旋 挖 钻 机 的高 效 化 。 通过 不 断研 发 改进 以及 长 期 的 试 验 总 结和 商 业 应 用显 示 ，该 型号 混 合 动 力旋 挖 钻 机表 现 相 当 出色 ， 使 用 电力 工 作 时 ， 整 个 系统 分 配 有 效地 减 少 了污 染 气体 的排 放 ， 并且 有 丰 富 的接 口配 置 ， 为其 升 级 配备 各种 节 能 设备提 供 了条件 。 该 混 合 动 力 旋 挖钻 机仅 仅 是 混 合 动力 旋 挖钻 机 的1 ． 0 版 本 ，后 续 厂 家 会 深入 调 研 市 场 需求 ，不 断地 改 进 整机 的性 能 匹配 ，研 发 更 为 先进 的 节 能技 术 ， 推 出相 关 升 级 版 本 ， 使其 处于 行 业 的领 先地 位 ， 引领 整 个旋挖 钻 机技 术 的发 展 方 向。 目前 混 合 动力 旋 挖 钻 机 发 展 相 对 停 滞 ， 尚 未 引 起 行 业 足 够 的 关 注 ，主 要 是技 术 难 度较 大 ， 系统 匹 配 技 术含 量 高 ，极 少 数企 业 掌 握相 关 技 术 和 经 验 。 同 时 ， 混 合 动 力 成 本 较 高 ， 经 济 效 益 体 现 不 是 很 明 显 ，也 影 响 了该技 术 的发 展 。 根 据 笔 者 的初 步 研 究 ，主 卷 扬 上 提 和 下 放 的作 用 时 间 占用 了整 个 钻 进 周 期 的 5 5 ％ ，其 中提 钻 3 4 ％， 下 钻 2 1 ％ 。 因 此 ， 主 卷 扬 提 升 、 下 放 速 度是 影 响旋 挖钻 机 施 工 效 率 主 要 因素 之 一 。采 用 合适 的主卷 扬下 发控制技术 ，可 以节省下放 能量 ，减 少主卷扬下放 时间，缩短钻进 周期， 有 效地提高成孔 效率 。主卷扬 下放控 制技术 目前主要 有 自由落钩技 术和 下 放合流 技术 两种 。 柴油 机 电动 机 图 1 混 合动 力 旋挖 钻 机 动力 系 统 砖毯 者 S T R I D E R L B 系列沥青搅拌站 L B2 000／ LB30 00／ LB400 0／ SL B5 00 中国湖南长 沙鳋济技术开 发Ⅸ兰一工 业城 邮编 4 1 0 ’ 0 O 电话 0 7 3 1 8 4 0 3 1 1 2 4 传真 0 7 3 1 8 4 0 3 1 3 l 咨询邮箱 s a n y s a n y ． C 0 13 3 c n 普 后服务热线 4 0 0 8 8 7 8 3 1 8 咨询投诉 电话 4 0 0 8 8 79 3 1 8 网址 h t t p ／ ／ WW W． s a n y c o rn．c n ●蔼 竞 矧 营举 勇纡 ● 安装快捷的模块化结构 ； ● 人性化智能控制系统 ； ● 稳定可靠 、轻松维护 ； ● 完 全 的 国际化 配 套设 备 ； ● 排放指标满足欧洲环保要求。 专注客户价值引领绿色科技 2 ． 1 自由落钩技术 自 由落钩 技 术 采 用特 制 的减 速 机 ，在 主 卷扬 下 放 时 ，液 压油 将 减 速机 和 马达 与 滚筒 分开 ，钻 具 在 重 力 的作 用 下 自由 下 放 ，从 而 避 免 了 能 量 浪 费 ， 提 高 了 下 放 速 度 ， 钻 机 配 备 此 技 术 可 提 高 施 工 效 率 1 O ％ 左 右 。 目 前 ， 自由 落 钩 技 术 尚 不 完 美 ，仅 仅 避免 了动 力输 出 的浪费 ， 但 是 钻 具下 降 的势 能并 没 有 回 收利 用 。 因此 ，下 一 步 的发 展 方向将 是 混合 动力 的主 卷扬 下放 再 生技 术 。 2 2主卷扬- V放合流技术 主 卷扬 合流 技 术 是在 主卷 扬 下 放管 路 上 设置 了特 殊 设计 的合流 阀 块 ，利 用 再生 原 理 ，将 两 个 主 泵 的 流 量与 主 卷扬 马达 回油 合 流 。 主 卷 扬 马达 回油 一部 分经 过合 流 阀进 入 主 卷扬 马达 工作 ，另 外 一部 分 回油 箱 。该 技 术 有 效地 增 大 了 主卷 扬 下 放 时 马达 的流 量 ，提 高 了主卷 扬 马 达 转速 ，从 而达 到 以提 高 主卷 扬 下 放 速 度 、提 高 施工 效 率 、 节 约能 量 的 目的 。 此技 术据 试 验 测 得下 放 速 度 提高 3 0 ％，施 工效 率提 升6 ％。 该 技术 与 自由落 钩 技 术相 比 ， 制 造 成 本 低 ，并 且 泥 浆 护 壁 施 工 时 ，主 卷 扬上 提 和 下放 速 度 并 非越 快越 好 ， 与泥 浆 、 真 空、 塌 孔 、超 径 等 有 关 ，而 干 孔和 全护 筒 施工 则 不用 考 虑 对速 度 的 限制 。综 合 考虑 成 孔 效 率和 节 能环 保 等 因素 ，笔 者 大胆 预 测 全护 筒 施 工 技术 将 成 为 未 来旋 挖 钻 机 施工 技 术 发展 的一 个 重 要 方 向。 4 该 技 术 实 现 了柔 性 启 动 和 柔 性停 车 。 3 桅杆， 变幅再生技术4 回转再生技术 在 倒桅 和 降变 幅 的过 程 中 ， 由 于桅 杆 的重力 作 用 ，使 整 个 系统 承 受负 负 载 ，如 果 能够 将 负 载 的一 部 分甚 至 全部 能量利 用 或 吸 收 ，可 以 显著 提 高 系统 能量 的利 用 率 ，从 而 实现桅 杆／ 变幅 再生 。 3 ． 1 桅 杆度 幅再生原理 桅 杆 ／ 变 幅 再 生 技 术 原 理 如 图 2 所 示 立 桅 起 变 幅 时 ， 手柄 左 先 导 阀 打 开 ， 先 导 油 推 动 换 向 阀 右 位 工 作 ，液 压 油从 P口进 入 ， 经 过 单 向 阀进 入 油 缸 大腔 ， 桅 杆 ／ 变 幅 立 起 ； 倒 桅 降 变 幅 时 ， 手 柄 右 先 导 阀打 开 ， 先 导 油 分 为 两 路 ， 一 路 推 动 换 向 阀 到 左 位 工 作 ， 另 一 路将 再 生 阀 阀芯 推 向左 侧 ， 再 生 阀 右位 工 作 ，压 力 油 经A 口进 小 腔 。 同 时 ， 油 缸 大 腔 液 压 油 经 过 再 生 阀 ，一 部 分推 开 单 向 阀进 入油 缸 小 腔 ，一 部 分 经节 流 后 回油 箱 ，减 小 了能量损 失 。 此外 ， 当桅 杆 负载 变 化 大 ， 或 者 受 到 冲 击 时 ， 顺 序 阀 会 瞬 时 打 开 ，推 动 再 生 阀和 方 向阀换 向， 吸 收冲 击 ，使 桅杆 油 缸 或 变 幅油 缸 运 行平 稳 。 3 _2 桅杆 蔓幅再 生技术优点 桅 杆 ／ 变 幅 再 生 技 术 节 能 效 果 显著 ， 能够 减 少 操作 时间 、 降低 噪 音 ，并且 在桅 杆／ 变 幅高 速下 放过 程 中动作 非常平 稳 j 。 1 该 技 术 只 需 较 低 的 压 力 就 能实现 负载 的下 降 。 2 该 技 术 平 稳 运 动 ， 实 现 了最低 限度 的延迟 甚至 无 延迟 。 3 该 技 术 无 需 缓 冲 装 置 就 能 实现平 稳 的运 动 。 2 4匾画霪霆画h t t p ／ ／ ww w．r o a d m- c h i n a ． c o r n 回转 是旋 挖 钻 机 施 工 中作 业 频 率仅 次 于 动力 头 和 主卷 扬 的工 作 装 置 ，对旋 挖 钻 机 的施 工 效 率有 重 要 影 Ⅱ 向。为 了减 少旋 挖 钻 机在 回转 制 动 过 程 中 的 能量 损失 ，实 现 回转 制 动 能 回收再 利 用 ，开 发 了回 转再 生 技 术 。其主 要 原理 为 在 回 转油 路 上 加 装 能量 再 生 装 置 ，该 装 置在 底 盘 回转 制动 时能 够 实现 制 动 能量 的 回 收和 储存 ，在 回 转起 动 时 ，利 用 储 存 的制动 能量 和 回转 马 达 同 时驱 动 钻 机 回 转 ，降低 了钻 机 回 转启 动 的输 出功率 ，提 高 了 回转 响应 速 度 和 施 工效 率问 。 能 量 回 收装 置 由蓄 能器 、单 向 阀等 组 成 ， 可 以无 损耗 地 实 现 回转 马达 的启 动和 制 动 ，缺 点 为 结构 较 为复 杂 ，成本 较 高 。 5 ． 1 动力头 多挡技术 动 力 头 是旋 挖 钻 机 的主 要 工作 装 置 ，承 担 着将 内燃 机 功率 转 化 为 钻 进 成孔 扭 矩 的工 作 ， 直接 影 响成 图2 桅杆， 变幅 再 生技 术原 理 孔 效 率 。针 对 不 同地 层 ，动 力头 设 置 不 同 的 挡 位 ， 从 而 提 高 钻 进 效 率 ，减 小 能量消 耗 。 动 力 头 分 挡 如 图3 所 示 ， 根 据 地 质和 施工 要 求将 动力 头 分 为标 准 模 式 、入 岩 模 式和 甩土模 式 三个 挡 位 。普 通 地 层 采 用标 准 模 式 高效 钻 进 ；遇 到 岩 层 时 ，采 用入 岩模 式 ； 甩 土 模 式 在 动 力 头 钻 斗 卸 土 时 使 用 。 经 过 施 2 12 验 证 ， 入 岩 模 式 提 高入 岩 钻 进 效 率 1 5 ％左 右 ， 可 节 能 1 0 ％～2 0 ％； 高 速 甩土 模 式 将 动 力 头 的甩土 时 间从 占作业 周 期 的6 o ／ 0 降 低 到3 ％左右 ，节 能 效果 显著 。 5 _2 动力头加压快 速上提技术 在 旋 挖 钻 机 钻 进过 程 中 ， 由于 受 到 加 压 油 缸 行 程 的 限 制 ， 一 次 钻 进往 往 需 要2 ～ 3 次加 压 。加 压 过 程 需要 较 低 的速 度 以确 保加 压 效 果 ， 但 是 加压 油 缸 收回 速度 较 慢 ，严 重 影 响 了 施 工 效 率 。 针 对 该 施 工 难 0 a 标准模式 b八岩模式 c 甩土模式 图3 动力 头 不 同挡位 扭 矩转 速 曲线 题 ， 专 门 研 发 了加 压 快 速 上 提 技 术 ， 在 加 压 上 提 时 采 用 大 流 量 供 油 ，提 高油 缸 的上 提 速度 。与 普 通 加 压油 缸 对 比 ，该 技术 可 以将 上 提 速 度 从 1 3 m ．mi n - 提 高 到 3 4 I T l - mi n “ ， 节 省上 提 时 间达6 2 ％。 6 结 语 随着 国 内外 对 能源 与 环 境 的 日 益 重 视 ，人 们 环 保 意 识增 强 ， 对 工 程 机 械 的 节 能 减 排 提 出 了 更 高 要 求 。旋 挖 钻 机 作 为 快 速城 市 化 的 重 要 工具 ，其 节 能 技 术 的发 展 对 国 民 经 济具 有 重要 作 用 。桩 工 机 械 节 能 减 排 高效 化 除 了要 提 高发 动 机和 各 传 动部 件 自身 效 率 外 ，还 要 兼 顾 到 整 机 作 业 性 能 、 可 靠 性 、 使 用 寿 命 ， 以及 各 种作 业 工况 的适 应性 等 多 种 因素 。 目前 采 用 混合 动 力和 复 合传 动是 一 条 可 尝试 的途 径 ，其 他 液压 技 术 和 相 关施 工 技 术 的开发 应 用也 是 一种 选择 。 总 之 ， 研 制环 保节 能 型产 品 ， 不 断地 引进 包括 现 代 液压 技术 在 内 的各 种 高 新 技术 ，降 低 桩工 机 械 的 能耗 ， 提 高 施工 效 率 ， 是今 后 桩 工 机 械 发展 的 必然 趋势 。R 忙 M 参考文献 f 1 ] 徐斌． 工程机械 的节能技 术o 】 ． 工程机械 与维修， 2 0 0 6 2 7 3 1 ． [ 2 1 李伟雄． 混合动力在工程机械中的应用【 J 1 _ 建筑机械化， 2 0 1 0 4 3 5 3 8 【 3 ] 张利平， 张津． 现代工程机械液压技术的 新应用D 】 工程机械， 2 0 0 2 1 7 2 0 ． [ 4 】杨 尔庄 工程机械发展对液压技术的需求 动向【I l 液压 气动与密封， 2 0 0 5 1 2 3 2 7 [ 5 ]张海洋 工程机械液压 系统节能措施及 发 展趋势U ] 公路与汽运，2 0 0 8 4 2 0 2 2 0 6 ． f 6 J尚 涛， 赵 丁选 肖英奎， 等． 液 压挖掘 机 节能 系统 的控制 策略 IJ ] ． 农 业机械 学报 ， 2 0 0 5 ， 3 6 3 1 3 砖曩 落黄 S T R I D 暑 R 1 l P 系列多功能摊铺『胡． SMP 95C／ SMP 9OEC 三一■工股份{ | | 豫公蜀 r r H曩● 晡t ■n C 中国湖 南长沙经济 技术并发 医三一工业城 邮编 4 0 1 0 0 电话 0 7 3 1 8 4 0 3 1 1 2 4 传真 0 7 3 1 8 4 0 3 1 3 6 0 咨询邮箱 s n y s a n y ． O IT I Ic n 售后服 务热线 4 0 0 8 8 78 3 1 8 咨询投诉 电话 4 0 0 88 7 9 8 1 8 网址 h tt p ／ ／ w ww ． 8 a n y ．G o m． c n ● 液 压 功 率智 能分 配技 术 ，大 通 道 、大 螺旋 、大料 斗 、大 厚度 ， 工作 效率 提 高∞ o 抟 ； ● 整机协同控制技术，精确控制运行动作，确保高平整度 ● 采用分仓导流技术， o 度高温可连续 小时施工； ●可变料槽 、大节距、大直径叶片及低速分料技术，实现平滑供料 ，防离析； ●全电脑控制系统 ，运行速度提高口 万倍，具有故障智能诊断及记录功能； ● ∞ ． m 3 超大料斗，单独开合 ，应对多变作业环境； ● 噪声源、腔复合降噪技术，噪音不超过8 3 分贝。 专注客户价值引领绿色科技