引言

節能減排已經成為當今世界工業生產生活中的共識，我國的能源利用現狀不容樂觀，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，基本沒有采用節能系統或裝置，其能源利用率不足30%。對比國外的技術現狀，歐盟、特別是德國在通用起重機上都有節能系統，其能耗不到我國同類產品的 50%；日本在起重機能量回收、控制和管理技術方面處于****，如住友重機、三菱重工、安川電氣等公司均各自開發了節能系統；住友輪胎式集裝箱起重機的節能效率可達到 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能系統的研究以企業為主，在技術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，使用的通用產品壽命低，能量控制和管理系統技術相對落后，沒有取得突破。本文總結時下國內起重機節能的幾項技術，并作出展望。

一、燃油驅動改電力驅動節能技術

交通部水運科學研究院開發的電纜卷筒式供電技術是在RTG（輪胎式集裝箱門式起重機）上安裝纏繞有纜線的圓盤，當圓盤旋轉與起重機行走保持一致時，就能實現實時供電，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 在集裝箱堆場作業時沿著接入市電的滑觸線移動；兩者區別在于切換堆場時低空滑觸線方案需要切換柴油發電機組與市電，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、發動機技改方案

發動機技改技術[2]包括有發動機降速、變速及采用雙發動機節能等，其中，降速發動機方案成功運用于采用美國電氣標準（60Hz）驅動器的電控系統；變速發動機方案即在控制系統中添加反饋控制環節，實現發動機的無極調速，此方案在香港的部分集裝箱碼頭使用，省油 30%左右；雙發電機系統方案，如用在西門子電控系統中，為了節能省油，配置兩臺發動機，對應一臺柴油機，當功率充足時，其中一臺發動機工作，當不足時，另一臺發動機啟動。從碼頭實際的油耗數據可知，一般發動機方案與雙發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%，說明雙發動機方案效益優良。

此外，通用公司開發的 Fuel Efficient RTG 電控調速系統通過改變柴油發電機的轉速實現節能的目的，該技術主要體現在變速發動機、變流器和逆變器的技改，保持傳統 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

混合動力技術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化成另一個動力源，再次反饋于系統。諸如龍門吊在集裝箱下放時，無反饋到電網及逆變的裝置，導致直流母排上的電能轉化為熱能流失了，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。

由于國內超級電容的生產質量不高，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，飛輪能量再生系統可用于龍門吊變頻驅動器直流木排上，起存儲和釋放能量的作用，飛輪發動機組可為發動機組節省燃油約 15%~20%。

四、變頻控制技術

起重機起升機構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，變頻技術的引入讓兩者能夠根據實際需要得到合理的功率輸出，從而實現節能[4]。起重機采用變頻調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，采用變頻調速后在這種功率因素較高的情況下，節能達到 60%。采用變頻調速技術的輪胎式集裝箱門式起重機中，大車機構采用開環 V/F 控制，起升與小車機構采用 PG 閉環矢量控制，前者由抓機手根據大車偏斜，相應調節電機轉速，補償偏斜；后者可以實現全變頻范圍內的全轉矩控制，能夠避免遛鉤，提高安全性。此外，采用恒功率調速的起升機構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量就下降了，節能目的就達到了[6]。

五、起重機輕量化技術

起重機輕量化技術[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計與制作技術來實現節能的目的。

起重機金屬結構約占整機自重的 40%~70%，重型起重機可達 90%以上，所以，若起重機金屬結構能使用諸如合金、高強度結構鋼等重量輕、強度大的材料，則能從源頭中達到節省能源的目的；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，傳統鋼制滑輪噪聲大、壽命短，鋼制柱銷聯軸器重量大、制造成本高，用尼龍滑輪和尼龍柱銷聯軸器可以減輕以上情況帶來的能源消耗。

隨著科學技術的飛速發展使現代設計理論應用于起重機結構設計成為可能，比如 CAE 分析技術可對起重機進行優化設計，常用的大型 CAE 軟件主要有Ansys，abaqus，Adams，利用軟件相對應的優化模塊對設計模型進行優化，結構的優化設計有拓撲優化、形狀優化、尺寸優化[8]。在 CAE中對起重機的主體結構尺寸進行參數化建模，從而可實現優化設計，是目前應用較廣泛的優化方法，該方法可大大避免因設計者設計的設計經驗不足造成對原材料的浪費，從而得到設計較合理的產品。基于起重機的可靠性及抗疲勞設計理論，提高起重機的優化結構使用壽命和可靠性。*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，達到縮短設計周期、降低生產成本和提高生產效率的目的。

六、其他節能技術

文獻[9]提出在岸橋上安裝 TSC 動態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、提高了供配電系統的利用率，降低了供配電損耗，獲得節能效益。

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，繼節能又環保。

此外還有諸如采用天然氣或者生物柴油作為燃料的方式。現有柴油或者汽油不僅燃燒不充分，而且燃燒產物污染環境，而天然氣作為世界公認的安全又環保的燃料，在有些國家已經廣泛運用于汽車，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、起重機節能所體現的社會效益及科學意義

2013 年**季度，我國起重機等機械設備進出口貿易額同比下降 10.55%，其中進口下降 39.4%，出口僅增長1.63%，實屬雙降下滑。這一形勢讓起重設備行業的確輕松不起來，可以看出在起重機械大型化、自動化和多功能復雜化的發展趨勢，起重機械節能技術能使起重機具備更強的競爭力，同時將促使國內起重機行業競爭更加激烈，無論是在設計、制造還是控制環節方面，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品的技術水平，體現在制造產業鏈背后的是巨大的社會效益和科技效益。

八、總結

當今起重機械的發展趨勢是系統控制的智能化及能源利用的高效化。目前國內關于起重機節能技術的研究多集中于輪胎式集裝箱門式起重機，如油改電、發動機技改技術、混合動力技術等。近年來國家在節能技術的研究開發、示范和推廣方面給予了大力支持與鼓勵，按照國務院的相關規定，對高能耗設備的改造和技能技術的**進步進行嚴格的審查和嚴厲的監督。起重機節能技術的開發不應局限于設計與制造技術的研究，還應該在控制系統的基礎下，發揮**，運用現代設計技術，建立健全機械系統節能體系。