引言

節(jié)能減排已經(jīng)成為當今世界工業(yè)生產(chǎn)生活中的共識，我國的能源利用現(xiàn)狀不容樂觀，單位 GDP 的能耗是美國的 6倍，是日本的 7 倍，甚至是印度的 2.8 倍；環(huán)境保護和二氧化碳排放面臨巨大的壓力；我國在用的起重機械有四百多萬臺套，基本沒有采用節(jié)能系統(tǒng)或裝置，其能源利用率不足30%。對比國外的技術(shù)現(xiàn)狀，歐盟、特別是德國在通用起重機上都有節(jié)能系統(tǒng)，其能耗不到我國同類產(chǎn)品的 50%；日本在起重機能量回收、控制和管理技術(shù)方面處于****，如住友重機、三菱重工、安川電氣等公司均各自開發(fā)了節(jié)能系統(tǒng)；住友輪胎式集裝箱起重機的節(jié)能效率可達到 65%，專用燃料電池的壽命可達 6 年以上。

我國針對起重機械節(jié)能系統(tǒng)的研究以企業(yè)為主，在技術(shù)上沒有取得根本的突破，沒有針對起重機工作要求的能量儲能裝置，使用的通用產(chǎn)品壽命低，能量控制和管理系統(tǒng)技術(shù)相對落后，沒有取得突破。本文總結(jié)時下國內(nèi)起重機節(jié)能的幾項技術(shù)，并作出展望。

一、燃油驅(qū)動改電力驅(qū)動節(jié)能技術(shù)

交通部水運科學研究院開發(fā)的電纜卷筒式供電技術(shù)是在RTG（輪胎式集裝箱門式起重機）上安裝纏繞有纜線的圓盤，當圓盤旋轉(zhuǎn)與起重機行走保持一致時，就能實現(xiàn)實時供電，此方案因為 RTG 改造方便，應用良好。低空或者高空滑觸線輸電[1]即 RTG 在集裝箱堆場作業(yè)時沿著接入市電的滑觸線移動；兩者區(qū)別在于切換堆場時低空滑觸線方案需要切換柴油發(fā)電機組與市電，而高空滑觸線方案不需要。三種油改電方案的均運用在輪胎式集裝箱起重機中，但適用港口比較廣泛，小型堆場宜采用電纜卷筒供電方案；而堆場比較大的港口宜采用低空或高架滑觸線供電方案。

二、發(fā)動機技改方案

發(fā)動機技改技術(shù)[2]包括有發(fā)動機降速、變速及采用雙發(fā)動機節(jié)能等，其中，降速發(fā)動機方案成功運用于采用美國電氣標準（60Hz）驅(qū)動器的電控系統(tǒng)；變速發(fā)動機方案即在控制系統(tǒng)中添加反饋控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)發(fā)動機的無極調(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)電機系統(tǒng)方案，如用在西門子電控系統(tǒng)中，為了節(jié)能省油，配置兩臺發(fā)動機，對應一臺柴油機，當功率充足時，其中一臺發(fā)動機工作，當不足時，另一臺發(fā)動機啟動。從碼頭實際的油耗數(shù)據(jù)可知，一般發(fā)動機方案與雙發(fā)動機技改方案同樣吊取一個集裝箱，前者耗油2L，后者僅耗油1.1 L，省油達到46%，說明雙發(fā)動機方案效益優(yōu)良。

此外，通用公司開發(fā)的 Fuel Efficient RTG 電控調(diào)速系統(tǒng)通過改變柴油發(fā)電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)節(jié)能的目的，該技術(shù)主要體現(xiàn)在變速發(fā)動機、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，僅對直流母線進行處理[3]。

三、混合動力技術(shù)

混合動力技術(shù)即其起重機運作時采用多個動力源，將起重機工作時無意中消耗的熱能、勢能、動能等能量通過科學的途徑轉(zhuǎn)化成另一個動力源，再次反饋于系統(tǒng)。諸如龍門吊在集裝箱下放時，無反饋到電網(wǎng)及逆變的裝置，導致直流母排上的電能轉(zhuǎn)化為熱能流失了，此時，在直流母排電路中加裝超級電容，因為超級電容快充快放、容量大的優(yōu)點，在下放集裝箱時，將損失的熱能收集，起吊集裝箱時再次釋放，大大提高了能源利用率。

由于國內(nèi)超級電容的生產(chǎn)質(zhì)量不高，同樣可以采用鋰電池組替代超級電容，鋰電池擁有放電電壓穩(wěn)定、儲存壽命長、自放電率低等有點，但價格昂貴。此外，飛輪能量再生系統(tǒng)可用于龍門吊變頻驅(qū)動器直流木排上，起存儲和釋放能量的作用，飛輪發(fā)動機組可為發(fā)動機組節(jié)省燃油約 15%~20%。

四、變頻控制技術(shù)

起重機起升機構(gòu)起吊和下放過程需要的能耗是不一樣的，起吊時電動機輸出功率較大，下放時輸出功率較小，變頻技術(shù)的引入讓兩者能夠根據(jù)實際需要得到合理的功率輸出，從而實現(xiàn)節(jié)能[4]。起重機采用變頻調(diào)速下的鼠籠式電機后，對電源變壓器的容量配置要求不高，比原先采用繞線轉(zhuǎn)子電機時的耗電降

低了至少 1/5，啟動電流也相應降低了近 2 倍。起重機起升速度越快，負載越大，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)能達到 60%。采用變頻調(diào)速技術(shù)的輪胎式集裝箱門式起重機中，大車機構(gòu)采用開環(huán) V/F 控制，起升與小車機構(gòu)采用 PG 閉環(huán)矢量控制，前者由抓機手根據(jù)大車偏斜，相應調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，補償偏斜；后者可以實現(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)速的起升機構(gòu)滿足重載低速和空載高速的要求[5]；配有能耗制動組件的變頻器能夠消耗位置勢能和制動勢能。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功率降低至少 1/3，進而原先高要求的減速器功率配置就隨著電機功率的降低而降低了，同時整機的體積和質(zhì)量就下降了，節(jié)能目的就達到了[6]。

五、起重機輕量化技術(shù)

起重機輕量化技術(shù)[7]是在考慮起重機個部件重量、控制和承載性能、制造和運行成本等因素下，運用輕量化材料并采用輕量化設(shè)計與制作技術(shù)來實現(xiàn)節(jié)能的目的。

起重機金屬結(jié)構(gòu)約占整機自重的 40%~70%，重型起重機可達 90%以上，所以，若起重機金屬結(jié)構(gòu)能使用諸如合金、高強度結(jié)構(gòu)鋼等重量輕、強度大的材料，則能從源頭中達到節(jié)省能源的目的；在不考慮造價成本的情況下，使用高陶瓷滾動軸承替代傳統(tǒng)軸承，既保證強度又能減少摩擦，從而減少熱能的損耗；此外，傳統(tǒng)鋼制滑輪噪聲大、壽命短，鋼制柱銷聯(lián)軸器重量大、制造成本高，用尼龍滑輪和尼龍柱銷聯(lián)軸器可以減輕以上情況帶來的能源消耗。

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展使現(xiàn)代設(shè)計理論應用于起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計成為可能，比如 CAE 分析技術(shù)可對起重機進行優(yōu)化設(shè)計，常用的大型 CAE 軟件主要有Ansys，abaqus，Adams，利用軟件相對應的優(yōu)化模塊對設(shè)計模型進行優(yōu)化，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計有拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化[8]。在 CAE中對起重機的主體結(jié)構(gòu)尺寸進行參數(shù)化建模，從而可實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，是目前應用較廣泛的優(yōu)化方法，該方法可大大避免因設(shè)計者設(shè)計的設(shè)計經(jīng)驗不足造成對原材料的浪費，從而得到設(shè)計較合理的產(chǎn)品。基于起重機的可靠性及抗疲勞設(shè)計理論，提高起重機的優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用壽命和可靠性。*后將起重機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，達到縮短設(shè)計周期、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[9]提出在岸橋上安裝 TSC 動態(tài)無功功率補償和諧波治理裝置可以為負載提供無功電源，補償負載的無功電流，使電網(wǎng)中少量或者不傳輸無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[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?，F(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的安全又環(huán)保的燃料，在有些國家已經(jīng)廣泛運用于汽車，在“油改氣”思想的指導下，天然氣必將應用到港口起重機械等大型工程機械中[11]。

七、起重機節(jié)能所體現(xiàn)的社會效益及科學意義

2013 年**季度，我國起重機等機械設(shè)備進出口貿(mào)易額同比下降 10.55%，其中進口下降 39.4%，出口僅增長1.63%，實屬雙降下滑。這一形勢讓起重設(shè)備行業(yè)的確輕松不起來，可以看出在起重機械大型化、自動化和多功能復雜化的發(fā)展趨勢，起重機械節(jié)能技術(shù)能使起重機具備更強的競爭力，同時將促使國內(nèi)起重機行業(yè)競爭更加激烈，無論是在設(shè)計、制造還是控制環(huán)節(jié)方面，帶來的是起重機械科技含量的提升，這勢必影響同類機械產(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效益和科技效益。

八、總結(jié)

當今起重機械的發(fā)展趨勢是系統(tǒng)控制的智能化及能源利用的高效化。目前國內(nèi)關(guān)于起重機節(jié)能技術(shù)的研究多集中于輪胎式集裝箱門式起重機，如油改電、發(fā)動機技改技術(shù)、混合動力技術(shù)等。近年來國家在節(jié)能技術(shù)的研究開發(fā)、示范和推廣方面給予了大力支持與鼓勵，按照國務(wù)院的相關(guān)規(guī)定，對高能耗設(shè)備的改造和技能技術(shù)的**進步進行嚴格的審查和嚴厲的監(jiān)督。起重機節(jié)能技術(shù)的開發(fā)不應局限于設(shè)計與制造技術(shù)的研究，還應該在控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)下，發(fā)揮**，運用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，建立健全機械系統(tǒng)節(jié)能體系。