引言
節(jié)能減排已經(jīng)成為當(dāng)今世界工業(yè)生產(chǎn)生活中的共識(shí)，我國(guó)的能源利用現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，單位 GDP 的能耗是美國(guó)的 6倍，是日本的 7 倍，甚至是印度的 2.8 倍；環(huán)境保護(hù)和二氧化碳排放面臨巨大的壓力；我國(guó)在用的起重機(jī)械有四百多萬(wàn)臺(tái)套，基本沒(méi)有采用節(jié)能系統(tǒng)或裝置，其能源利用率不足30%。對(duì)比國(guó)外的技術(shù)現(xiàn)狀，歐盟、特別是德國(guó)在通用起重機(jī)上都有節(jié)能系統(tǒng)，其能耗不到我國(guó)同類產(chǎn)品的 50%；日本在起重機(jī)能量回收、控制和管理技術(shù)方面處于****，如住友重機(jī)、三菱重工、安川電氣等公司均各自開(kāi)發(fā)了節(jié)能系統(tǒng)；住友輪胎式集裝箱起重機(jī)的節(jié)能效率可達(dá)到 65%，專用燃料電池的壽命可達(dá) 6 年以上。
我國(guó)針對(duì)起重機(jī)械節(jié)能系統(tǒng)的研究以企業(yè)為主，在技術(shù)上沒(méi)有取得根本的突破，沒(méi)有針對(duì)起重機(jī)工作要求的能量?jī)?chǔ)能裝置，使用的通用產(chǎn)品壽命低，能量控制和管理系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)落后，沒(méi)有取得突破。本文總結(jié)時(shí)下國(guó)內(nèi)起重機(jī)節(jié)能的幾項(xiàng)技術(shù)，并作出展望。
一、燃油驅(qū)動(dòng)改電力驅(qū)動(dòng)節(jié)能技術(shù)
交通部水運(yùn)科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的電纜卷筒式供電技術(shù)是在RTG（輪胎式集裝箱門(mén)式起重機(jī)）上安裝纏繞有纜線的圓盤(pán)，當(dāng)圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)與起重機(jī)行走保持一致時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)供電，此方案因?yàn)?RTG 改造方便，應(yīng)用良好。低空或者高空滑觸線輸電[1]即 RTG 在集裝箱堆場(chǎng)作業(yè)時(shí)沿著接入市電的滑觸線移動(dòng)；兩者區(qū)別在于切換堆場(chǎng)時(shí)低空滑觸線方案需要切換柴油發(fā)電機(jī)組與市電，而高空滑觸線方案不需要。三種油改電方案的均運(yùn)用在輪胎式集裝箱起重機(jī)中，但適用港口比較廣泛，小型堆場(chǎng)宜采用電纜卷筒供電方案；而堆場(chǎng)比較大的港口宜采用低空或高架滑觸線供電方案。
二、發(fā)動(dòng)機(jī)技改方案
發(fā)動(dòng)機(jī)技改技術(shù)[2]包括有發(fā)動(dòng)機(jī)降速、變速及采用雙發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能等，其中，降速發(fā)動(dòng)機(jī)方案成功運(yùn)用于采用美國(guó)電氣標(biāo)準(zhǔn)（60Hz）驅(qū)動(dòng)器的電控系統(tǒng)；變速發(fā)動(dòng)機(jī)方案即在控制系統(tǒng)中添加反饋控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速，此方案在香港的部分集裝箱碼頭使用，省油 30%左右；雙發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方案，如用在西門(mén)子電控系統(tǒng)中，為了節(jié)能省油，配置兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)應(yīng)一臺(tái)柴油機(jī)，當(dāng)功率充足時(shí)，其中一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作，當(dāng)不足時(shí)，另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。從碼頭實(shí)際的油耗數(shù)據(jù)可知，一般發(fā)動(dòng)機(jī)方案與雙發(fā)動(dòng)機(jī)技改方案同樣吊取一個(gè)集裝箱，前者耗油2L，后者僅耗油1.1 L，省油達(dá)到46%，說(shuō)明雙發(fā)動(dòng)機(jī)方案效益優(yōu)良。
此外，通用公司開(kāi)發(fā)的 Fuel Efficient RTG 電控調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)改變柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，該技術(shù)主要體現(xiàn)在變速發(fā)動(dòng)機(jī)、變流器和逆變器的技改，保持傳統(tǒng) RTG的控制模式的情況下，僅對(duì)直流母線進(jìn)行處理[3]。
三、混合動(dòng)力技術(shù)
混合動(dòng)力技術(shù)即其起重機(jī)運(yùn)作時(shí)采用多個(gè)動(dòng)力源，將起重機(jī)工作時(shí)無(wú)意中消耗的熱能、勢(shì)能、動(dòng)能等能量通過(guò)科學(xué)的途徑轉(zhuǎn)化成另一個(gè)動(dòng)力源，再次反饋于系統(tǒng)。諸如龍門(mén)吊在集裝箱下放時(shí)，無(wú)反饋到電網(wǎng)及逆變的裝置，導(dǎo)致直流母排上的電能轉(zhuǎn)化為熱能流失了，此時(shí)，在直流母排電路中加裝超級(jí)電容，因?yàn)槌?jí)電容快充快放、容量大的優(yōu)點(diǎn)，在下放集裝箱時(shí)，將損失的熱能收集，起吊集裝箱時(shí)再次釋放，大大提高了能源利用率。
由于國(guó)內(nèi)超級(jí)電容的生產(chǎn)質(zhì)量不高，同樣可以采用鋰電池組替代超級(jí)電容，鋰電池?fù)碛蟹烹婋妷悍€(wěn)定、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、自放電率低等有點(diǎn)，但價(jià)格昂貴。此外，飛輪能量再生系統(tǒng)可用于龍門(mén)吊變頻驅(qū)動(dòng)器直流木排上，起存儲(chǔ)和釋放能量的作用，飛輪發(fā)動(dòng)機(jī)組可為發(fā)動(dòng)機(jī)組節(jié)省燃油約 15%~20%。
四、變頻控制技術(shù)
起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)起吊和下放過(guò)程需要的能耗是不一樣的，起吊時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出功率較大，下放時(shí)輸出功率較小，變頻技術(shù)的引入讓兩者能夠根據(jù)實(shí)際需要得到合理的功率輸出，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能[4]。起重機(jī)采用變頻調(diào)速下的鼠籠式電機(jī)后，對(duì)電源變壓器的容量配置要求不高，比原先采用繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)時(shí)的耗電降
低了至少 1/5，啟動(dòng)電流也相應(yīng)降低了近 2 倍。起重機(jī)起升速度越快，負(fù)載越大，則耗能越高，采用變頻調(diào)速后在這種功率因素較高的情況下，節(jié)能達(dá)到 60%。采用變頻調(diào)速技術(shù)的輪胎式集裝箱門(mén)式起重機(jī)中，大車(chē)機(jī)構(gòu)采用開(kāi)環(huán) V/F 控制，起升與小車(chē)機(jī)構(gòu)采用 PG 閉環(huán)矢量控制，前者由抓機(jī)手根據(jù)大車(chē)偏斜，相應(yīng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，補(bǔ)償偏斜；后者可以實(shí)現(xiàn)全變頻范圍內(nèi)的全轉(zhuǎn)矩控制，能夠避免遛鉤，提高安全性。此外，采用恒功率調(diào)速的起升機(jī)構(gòu)滿足重載低速和空載高速的要求[5]；配有能耗制動(dòng)組件的變頻器能夠消耗位置勢(shì)能和制動(dòng)勢(shì)能。在同等工作效率下，采用變頻器使得空鉤作業(yè)提速 200%Ve，這使得額定速度和所需電機(jī)功率降低至少 1/3，進(jìn)而原先高要求的減速器功率配置就隨著電機(jī)功率的降低而降低了，同時(shí)整機(jī)的體積和質(zhì)量就下降了，節(jié)能目的就達(dá)到了[6]。
五、起重機(jī)輕量化技術(shù)
起重機(jī)輕量化技術(shù)[7]是在考慮起重機(jī)個(gè)部件重量、控制和承載性能、制造和運(yùn)行成本等因素下，運(yùn)用輕量化材料并采用輕量化設(shè)計(jì)與制作技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。
起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)約占整機(jī)自重的 40%~70%，重型起重機(jī)可達(dá) 90%以上，所以，若起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)能使用諸如合金、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼等重量輕、強(qiáng)度大的材料，則能從源頭中達(dá)到節(jié)省能源的目的；在不考慮造價(jià)成本的情況下，使用高陶瓷滾動(dòng)軸承替代傳統(tǒng)軸承，既保證強(qiáng)度又能減少摩擦，從而減少熱能的損耗；此外，傳統(tǒng)鋼制滑輪噪聲大、壽命短，鋼制柱銷(xiāo)聯(lián)軸器重量大、制造成本高，用尼龍滑輪和尼龍柱銷(xiāo)聯(lián)軸器可以減輕以上情況帶來(lái)的能源消耗。
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論應(yīng)用于起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為可能，比如 CAE 分析技術(shù)可對(duì)起重機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，常用的大型 CAE 軟件主要有Ansys，abaqus，Adams，利用軟件相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化模塊對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化[8]。在 CAE中對(duì)起重機(jī)的主體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行參數(shù)化建模，從而可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，是目前應(yīng)用較廣泛的優(yōu)化方法，該方法可大大避免因設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足造成對(duì)原材料的浪費(fèi)，從而得到設(shè)計(jì)較合理的產(chǎn)品。基于起重機(jī)的可靠性及抗疲勞設(shè)計(jì)理論，提高起重機(jī)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用壽命和可靠性。*后將起重機(jī)上功能基本相同的部分模塊化，使得零件部件具有完全的互換性，達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率的目的。
六、其他節(jié)能技術(shù)
文獻(xiàn)[9]提出在岸橋上安裝 TSC 動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償和諧波治理裝置可以為負(fù)載提供無(wú)功電源，補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功電流，使電網(wǎng)中少量或者不傳輸無(wú)功電流而降低供電視在電流，如此提高了功率因素、提高了供配電系統(tǒng)的利用率，降低了供配電損耗，獲得節(jié)能效益。
文獻(xiàn)[10]介紹了在燃油中加入添加劑的方法，可以提高燃燒效率，繼節(jié)能又環(huán)保。
此外還有諸如采用天然氣或者生物柴油作為燃料的方式。現(xiàn)有柴油或者汽油不僅燃燒不充分，而且燃燒產(chǎn)物污染環(huán)境，而天然氣作為世界公認(rèn)的安全又環(huán)保的燃料，在有些國(guó)家已經(jīng)廣泛運(yùn)用于汽車(chē)，在“油改氣”思想的指導(dǎo)下，天然氣必將應(yīng)用到港口起重機(jī)械等大型工程機(jī)械中[11]。
七、起重機(jī)節(jié)能所體現(xiàn)的社會(huì)效益及科學(xué)意義
2013 年**季度，我國(guó)起重機(jī)等機(jī)械設(shè)備進(jìn)出口貿(mào)易額同比下降 10.55%，其中進(jìn)口下降 39.4%，出口僅增長(zhǎng)1.63%，實(shí)屬雙降下滑。這一形勢(shì)讓起重設(shè)備行業(yè)的確輕松不起來(lái)，可以看出在起重機(jī)械大型化、自動(dòng)化和多功能復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì)，起重機(jī)械節(jié)能技術(shù)能使起重機(jī)具備更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)將促使國(guó)內(nèi)起重機(jī)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，無(wú)論是在設(shè)計(jì)、制造還是控制環(huán)節(jié)方面，帶來(lái)的是起重機(jī)械科技含量的提升，這勢(shì)必影響同類機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)水平，體現(xiàn)在制造產(chǎn)業(yè)鏈背后的是巨大的社會(huì)效益和科技效益。
八、總結(jié)
當(dāng)今起重機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)是系統(tǒng)控制的智能化及能源利用的高效化。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于起重機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究多集中于輪胎式集裝箱門(mén)式起重機(jī)，如油改電、發(fā)動(dòng)機(jī)技改技術(shù)、混合動(dòng)力技術(shù)等。近年來(lái)國(guó)家在節(jié)能技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)、示范和推廣方面給予了大力支持與鼓勵(lì)，按照國(guó)務(wù)院的相關(guān)規(guī)定，對(duì)高能耗設(shè)備的改造和技能技術(shù)的**進(jìn)步進(jìn)行嚴(yán)格的審查和嚴(yán)厲的監(jiān)督。起重機(jī)節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)不應(yīng)局限于設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研究，還應(yīng)該在控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)下，發(fā)揮**，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，建立健全機(jī)械系統(tǒng)節(jié)能體系。
