专 题 / pickup

新技术开发纪事

从零起步进行开发
目标直接指向世界首创技术!

1999年,时代的发展要求开发环保建筑机械,在这样的环境下,
神钢的混合动力液压挖掘机研发可以说完全是摸着石头过河。
澳门游戏平台注册网站采访了开发成员之一—— 初期就参与开发工作的澳门游戏平台注册网站的小见山昌之先生。

连“混合动力”其单词都是初闻不识一切都是从零开始

  1999年神钢启动研发混合动力系统项目。翌年在全球开始实施减低温室气体活动,也是丰田汽车首次推出混合动力汽车普瑞斯之年。这期间,要求建筑机械和液压挖掘机为保护地球环境做出应有的贡献。

  “由NEDO(日本国立研究机关、新能源和产业技术综合开发机构)公开征集与环保有关的新技术开发,神钢当时制定提出了方案,并接受了委托,研发工作也是从那时开始的”。
从刚开始就参与开发的小见山昌之先生这样说道。在株式会社神户制钢所(神户制钢)一间房间,聚集了从澳门游戏平台注册网站、神户制钢选拔来的成员,正式启动了这个共同研发项目。项目虽然启动了,但研究开发是从零开始。

澳门游戏平台注册网站 小见山昌之先生

  “最初,由于澳门游戏平台注册网站是建机生产厂家,关于混合动力系统使用的发电电动机和蓄电池技术几乎为零。首先澳门游戏平台注册网站购买机器,测定特性,调查已经商品化的混合动力汽车输出带宽是多少,研发工作是从技术调查开始的”。
  与此同时,研发成员亲赴挖掘机作业现场,对挖掘机作业进行录像,分析其负荷。挖掘、起重臂上升、旋转、平衡、行驶??,挖掘机的工作原理涉及多个方面,不同的负荷,燃料消耗量是怎么变化的?对这些技术问题必须进行确认。

  还有一个重点是开发模拟装置,为了在有限时间内更加有效地推进研发项目,先使用计算机进行模拟试验,计算动力性能和燃料消耗量。
  “采用什么工作原理,产生多少消耗,油泵和发动机的负荷会产生怎样的结果,使用了多少燃料。如何构建系统,改变参数(负载和输出等数值)的话,会发生什么变化?在制作实物机之前,这些都可以在计算机上看到”。
  后面还要讲述这些在解析这些技术过程中,神户制钢技术发挥的巨大作用。

如何控制汽车里不存在的负荷变动是最大的课题

  在这个项目开发中,最大的难题仍然是只有挖掘机具有的负荷特性。
  “汽车只有在加速的时候消耗马力,恒定行驶时负荷是稳定的。液压挖掘机的情况正相反,机械动作涉及多方面,而且根据不同作业负荷急速上升下降。如果这样的话,发动机输出功率设定在哪个范围可对应负荷变化,这时是利用辅助控制呢还是开启电池蓄电,时机非常难以把握”。

  混合动力的基本观点是,标准挖掘机的情况下,先设想最大负荷,再设定发动机输出功率。而混合动力挖掘机正相反,先设想平均负荷,对照平均负荷,设定低于标准机的输出功率。负荷超过输出功率时,通过电池和发电电动机进行辅助。相反负荷低于输出功率时,剩余功率转用于电池充电。
  “基本上,发动机功率变化只是在一定范围内。在这个范围之上时,发电电动机进行辅助,如果负荷低于这个范围,发动机转数恒定,对电池进行充电。根据这个观点,发动机运转转数稳定,可以高效连续工作”。 

  将发动机的负荷变化规定在哪个幅度?如何分配效率更好?这个问题困扰了开发成员们。在无数次反复进行模拟试验中,开发日程越来越紧张,这使他们有些焦躁不安。但之后诞生的这个控制逻辑“混合动力液压挖掘机的电力控制装置”,曾荣获日本文部科学大臣发明奖励奖的专利,震惊业界。

  引人注目的技术不仅此一个。开发出将大臂旋转转换为电能来蓄电的“旋转逻辑”结构也是特点之一。
  “旋转减速时产生的制动能源,过去作为单纯的热而损失掉了,这是把制动产生出的热转换成电能,对电池进行充电的结构”。
  的确可以说是只有挖掘机才能发挥特性的划时代的结构吧。

高负荷运转时通过锂离子电池蓄电的电能,发电电动机用作马达,辅助发动机
低负荷运转时发动机动力用于发电电动机发电,发出的电用锂离子电池蓄电(挖掘和行驶用液压驱动)
旋转加速时使用锂离子电池蓄电的电力工作
旋转减速时将旋转减速时产生的制动能转换成电能,用锂离子电池蓄电

Acceleraction 旋转加速利用电池电力旋转。驱动马达
Deceleraction 旋转减速旋转马达输出功率为电力对电池进行充电

  经过研究开发,2006年澳门游戏平台注册网站发布世界首台混合动力挖掘机“SK70H”制作成功。在巴黎INTERMAT展览会上展出了试制机,赢得了高度评价。可是,从实证研究到商品化的壁垒还很高。
  “要实现商品化,首先有布局的制约和组装等问题。与旧机型不同,虽然发动机小型化了,发电电动机和电池等,搭载的零部件和装置当然也要增加,所以设计布局就很麻烦了。进一步来说,还有如何对应作业时震动和冷却的问题”。

  当然,还必须考虑安全问题。
  “因为装载电池,还需要对应高压电。对200伏特以上的高压电要实施彻底的防触电对策,但如何进行验证还是未知领域”。
  进行各种研究探索的结果,2010年8t级混合动力挖掘机“SK80H”开始上市销售。这个机型比旧机型实现了40%节能率。

汇集长期积累的技术,实现“飞跃的混合动力”!

  在“SK80H”上神钢完成了混合动力液压挖掘机的开发,但还面临着下一个使命,就是和现在 “SK200H-10” 机型相关的20t级混合动力机的开发和量产。
  “20t级的液压挖掘机是主力机型,与SK80H相比,仅发动机就需要有2.5倍的输出功率,与其对应的内装机械规格也完全不同。开发8t级时,内装机械全部是购买的,目前市场上对应20t级别现存的机械还没有,因此开发适应建机的机械也必须从零开始”。

  以长期积累的混合动力的技术为基础,从在内部制作机器本体开始,汇集所有技术开发制造了现在的机型“SK200H-10”。这个开发由“先行技术开发组”专门负责,开始推进项目。
  “为最大限度发挥混合动力系统特长,因此买不到的机械通过澳门游戏平台注册网站自己的双手亲自制造。当然,澳门游戏平台注册网站的使命是造出成本和性能最好的产品”。

  建机厂家要在内部制造发电电动机等,根本没有任何技术诀窍。为此,澳门游戏平台注册网站亲自去试作企业参观,从卷线圈方法开始学起,为设计磁场线路,新导入了模拟工具,集中全力连续作战。
  和原来的外部协作关系也在此发挥了作用。
  “这是一个和专业厂家紧密携手合作的共同开发体制。神钢过去就有同各厂家在各自擅长领域发挥各自特长,一起生产制作产品的基础。这样,让世上现存的技术匹配到挖掘机,也是神钢的擅长领域”。

  在行业中首次采用大容量锂离子电池和最大限度发挥其能力的使用方法,与旧机型相比,可以得到5倍输出功率的顶级发电电动机。通过采用最佳化的旋转电动马达实现旋转电动化安全。不仅仅是混合动力,也是汇集长期积累的技术迈向新时代,实现低油耗和高效生产,向“飞跃的混合动力”的不断进化的就是“SK200H-10”。

① 发动机 搭载有效净化焚烧废气PM(黑烟和煤灰)的再处理装置和降低产生氧化氮物、分解和使尿素无害化的SCR系统。用于调节液压挖掘机燃耗及环保性能优越的发动机。
② 旋转电动马达 由于搭载旋转电动马达,旋转功能完全独立于液压系统,旋转制动时动能转换为电能的同时,实现平滑的旋转操作性。
③ 发电电动机 发动机动力用于发电电动机发电,通过锂离子电池蓄电,作为电动马达辅助发动机。
④ 控制盒 控制盒作为混合动力系统指挥中心,接收各种信号,通过对状况的准确判断,对发电机和旋转电动马达进行最佳的驱动控制。
⑤ 大容量锂离子电池 紧凑轻量化,具有持久放电能力,产生的电能通过采用锂离子电池使装置小型化和大容量蓄电使双方得以兼顾。

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    市场事业本部 挖掘机营销本部 营销促进部
    挖掘机市场组 组长

    小见山 昌之先生

    1992年进入企业,负责液压挖掘机电气控制、结构业务后参加项目组。由开发初期负责有关电池开发业务,到参与现行机型SK200H-10的开发。

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