淺談履帶起重機(jī)電動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用

王成勤

摘要：在“碳達(dá)峰、碳中和”的大背景下，履帶起重機(jī)廠家順應(yīng)趨勢(shì)，加速新能源動(dòng)力技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。著重分析3種電動(dòng)化技術(shù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，探討對(duì)履帶起重機(jī)的適用性，提出新能源履帶起重機(jī)的推廣建議。

關(guān)鍵詞：履帶起重機(jī)；電動(dòng)化；新能源

基金項(xiàng)目：徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2021年度校級(jí)科研項(xiàng)目（XGY2021A014）

0? ?引言

履帶起重機(jī)是指具有履帶行走裝置的全回轉(zhuǎn)臂架式起重機(jī)，它具有起重性能好、起升高度與幅度大、動(dòng)作平穩(wěn)、接地比壓小、可帶載行走、安裝拆卸方便、工況組合多等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力、核能、石油化工、橋梁、市政、發(fā)電等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建筑領(lǐng)域[1]。

目前履帶起重機(jī)基本采用內(nèi)燃機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)，即通過(guò)液壓傳動(dòng)裝置將內(nèi)燃機(jī)發(fā)出的功力傳遞到各工作機(jī)構(gòu)上去。柴油機(jī)燃燒效率一般為35%～40%，尾氣排放比較嚴(yán)重[2]，使用柴油機(jī)作為動(dòng)力既耗費(fèi)能源又污染環(huán)境。履帶起重機(jī)起重量大，需配裝大功率柴油機(jī)功率，造成的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染較一般工程機(jī)械更嚴(yán)重。

在節(jié)能減排的大背景下，以氫燃料電池、LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)化等為代表工程機(jī)械不斷涌現(xiàn)。本文從電動(dòng)化履帶起重機(jī)技術(shù)方式進(jìn)行比較，分析幾種技術(shù)方式對(duì)履帶起重機(jī)產(chǎn)品的適用性，并提出新能源履帶起重機(jī)推廣建議。

1? ?履帶起重機(jī)電動(dòng)化技術(shù)方式

電動(dòng)化主要是用電機(jī)代替柴油機(jī)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)力來(lái)源和傳動(dòng)方式主要有電驅(qū)液傳動(dòng)、電驅(qū)電傳動(dòng)、混合動(dòng)力等3種。

1.1? ?電驅(qū)液傳動(dòng)技術(shù)

電驅(qū)液傳動(dòng)技術(shù)是將發(fā)動(dòng)機(jī)換成電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。2020年利勃海爾推出的LR1250.1、LR1200.1型履帶起重機(jī)，即采用此方案。此方式有利于提高能源利用率，降低噪聲，同時(shí)能提高控制精度。但履帶起重機(jī)不能上公路行駛，受供電及電池的影響，采用此種方式使用場(chǎng)景、工作時(shí)間受限比較大。

1.2? ?電驅(qū)電傳動(dòng)技術(shù)

電驅(qū)電傳動(dòng)技術(shù)是電機(jī)替換原有的內(nèi)燃機(jī)和液壓系統(tǒng)，用電池給電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)動(dòng)作，屬于純電動(dòng)工程機(jī)械，傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

純電動(dòng)工程機(jī)械幾乎為零排放，是新能源產(chǎn)業(yè)的理想選擇，也是新能源發(fā)展的主要方向。如中聯(lián)重科全球首款分布式電驅(qū)履帶起重機(jī)ZCC850V-1EV，采用了7組電機(jī)直驅(qū)機(jī)構(gòu)。但履帶起重機(jī)整車系統(tǒng)復(fù)雜，每一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都需電機(jī)驅(qū)動(dòng)，綜合成本高。電動(dòng)工程機(jī)械目前尚處于起步階段，針對(duì)履帶起重機(jī)的電機(jī)等產(chǎn)業(yè)鏈配套也不完善，使用場(chǎng)景同樣受限電源限制。

1.3? ?混合動(dòng)力技術(shù)

混合動(dòng)力技術(shù)是指配置兩個(gè)或更多動(dòng)力系統(tǒng)，運(yùn)行中至少有一種能量存儲(chǔ)器或轉(zhuǎn)化器直接驅(qū)動(dòng)車輛。目前工程機(jī)械主要是采用柴油機(jī)和電機(jī)混合。油電混合盡管不能實(shí)現(xiàn)零排放，由于有電機(jī)助力，可以選用較小排量的柴油機(jī)，且柴油機(jī)可以更長(zhǎng)時(shí)間工作在低油耗和低排放區(qū)域，使用場(chǎng)景同原來(lái)一樣不受限。

混合動(dòng)力技術(shù)兼顧傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)優(yōu)良的動(dòng)力性和純電動(dòng)車輛的低排放特性，能在一定程度上緩解燃油車發(fā)展與環(huán)境污染、能源危機(jī)的矛盾，是內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)向純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)展的過(guò)渡階段，尤其對(duì)于長(zhǎng)距離移動(dòng)速度較快的道路機(jī)械，油電混優(yōu)勢(shì)明顯。一般混合動(dòng)力工程機(jī)械比同功率的內(nèi)燃機(jī)工程機(jī)械燃油消耗降低30%～50%[2]，履帶起重機(jī)由于不能在公路上行駛，采用混合動(dòng)力技術(shù)方式節(jié)能效率較低。

2? ?應(yīng)用比較

從用戶角度來(lái)講，履帶起重機(jī)作為生產(chǎn)工具，除了要求其安全、實(shí)用、可靠外[3]， 還要求其購(gòu)置成本、使用成本低。要贏得市場(chǎng)的青睞，生產(chǎn)廠家需要從節(jié)能環(huán)保、實(shí)施難度、發(fā)展趨勢(shì)等方面綜合考慮。

2.1? ?生產(chǎn)成本

以200t履帶起重機(jī)產(chǎn)品為例，若采用電驅(qū)液傳動(dòng)方式，需要配備360kW永磁同步電機(jī)、300kW·h的電池組、制冷功率7kW電池冷卻系統(tǒng)、80kW的交流充電機(jī)，成本相比于內(nèi)燃機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)方式，增加約40萬(wàn)元，約占整車成本11%。

若采用電驅(qū)電傳動(dòng)方式，需配置3臺(tái)150kW/360N·m的專用卷?yè)P(yáng)電機(jī)、2臺(tái)174kW/723N·m的行走電機(jī)、5臺(tái)定制減速機(jī)、1個(gè)30kW的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)電機(jī)總成，外加動(dòng)力電池及充電單元，整車成本約增加18%。若采用混動(dòng)方式則整車成本增加10%左右。

2.2? ?使用成本

使用成本主要是能量消耗成本和車輛維護(hù)保養(yǎng)成本。仍以200t履帶起重機(jī)產(chǎn)品為例，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，柴油消耗約為12L/h，當(dāng)前柴油價(jià)格按7.5元/L計(jì)算。電驅(qū)動(dòng)車輛每小時(shí)耗電約35kW，平均電價(jià)按1.5元/kW·h計(jì)算。每年按2000h運(yùn)行計(jì)算，柴油車單車年均費(fèi)用約18萬(wàn)元，電驅(qū)動(dòng)車輛單車年均費(fèi)用10.5萬(wàn)元，相比之下電驅(qū)動(dòng)車輛每年能量消耗成本能節(jié)約42%。油電混合方式每年節(jié)約成本約10%。

維護(hù)保養(yǎng)方面，柴油車需要定期更換機(jī)油、機(jī)油濾芯、空氣濾芯、柴油濾芯。柴油車和電驅(qū)車都需要冷卻液，更換周期類似，柴油車因工作溫度范圍比較大，冷卻液消耗會(huì)多一些。液壓系統(tǒng)需要定期更換液壓油、液壓件并定期清洗油箱、管路等。電機(jī)和電控本身幾乎都是免維護(hù)的。

內(nèi)燃機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)一年的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用在2萬(wàn)元左右，電驅(qū)液傳動(dòng)相比內(nèi)燃機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)車每年可節(jié)約費(fèi)用20%左右。電驅(qū)電傳動(dòng)相比電驅(qū)液傳動(dòng)減少了液壓系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)，每年可節(jié)約費(fèi)用40%左右。混和動(dòng)力系統(tǒng)復(fù)雜，保養(yǎng)項(xiàng)目增多，維護(hù)保養(yǎng)成本略有增加。整體來(lái)看，電驅(qū)動(dòng)保養(yǎng)項(xiàng)目少，且保養(yǎng)周期更長(zhǎng)。

2.3? ?實(shí)施難度

電驅(qū)液傳動(dòng)方式可以繼續(xù)沿用之前的液壓傳動(dòng)裝置，整體結(jié)構(gòu)改動(dòng)小，易于實(shí)現(xiàn)?；旌蟿?dòng)力方式既要安裝發(fā)動(dòng)機(jī)又要安裝電機(jī)，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置困難，對(duì)控制單元要求較高，實(shí)現(xiàn)相對(duì)較難。電驅(qū)電傳動(dòng)方式相較于內(nèi)燃機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)平臺(tái)和控制都是全新的，開(kāi)發(fā)難度較大。

2.4? ?節(jié)能環(huán)保

電驅(qū)液傳動(dòng)和電驅(qū)電傳動(dòng)無(wú)需發(fā)動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)零排放。采用混合動(dòng)力技術(shù)方案節(jié)能效率較低。3種技術(shù)方案對(duì)比如表1所示?；旌蟿?dòng)力技術(shù)方案混合使用場(chǎng)合不受限制，但是節(jié)能效率低，實(shí)施難度也較大。電驅(qū)液傳動(dòng)和電驅(qū)電傳動(dòng)工作時(shí)間受限，制造成本高，但是使用成本低，同時(shí)電驅(qū)液傳動(dòng)較電驅(qū)電傳動(dòng)技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)、成本增加相對(duì)較少。綜合來(lái)看，電驅(qū)液傳動(dòng)是目前比較適合生產(chǎn)廠家的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)難度小，成本增加少。

3? ?結(jié)束語(yǔ)

在節(jié)能減排的大背景下，以氫燃料電池、LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)化等為代表環(huán)保產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。履帶起重機(jī)作為高消耗、高污染的大型工程機(jī)械產(chǎn)品，采用電驅(qū)動(dòng)技術(shù)是大勢(shì)所趨。本文著重分析3種電動(dòng)化技術(shù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，探討對(duì)履帶起重機(jī)的適用性，提出新能源履帶起重機(jī)的推廣建議。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃麗麗，張景芬.履帶起重機(jī)電液傳動(dòng)與控制技術(shù)探究[J].工程機(jī)械與維修，2016（9）：46-48.

[2] 郭銳，韓彪，張淼.淺析工程機(jī)械新能源應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].工程機(jī)械與維修，2019（4）：41-43

[3] 沈杜烽，陳以林，杜海明，等.碳達(dá)峰、碳中和”背景下工程機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)比較研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2021，50（6）：77-79+93.