孟兆生,岳彩霞

(1.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.黑龍江工程學(xué)院 教育發(fā)展與改革研究中心，黑龍江 哈爾濱 150050)

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伸縮臂起重機(jī)液壓控制的新趨勢>

孟兆生1,岳彩霞2

(1.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.黑龍江工程學(xué)院 教育發(fā)展與改革研究中心，黑龍江 哈爾濱 150050)

從對現(xiàn)代化大型系列越野輪胎起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能、起重性能和附加的要求出發(fā)，針對小型和大型兩種起重機(jī)進(jìn)行分析，給出主控制和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制的控制方案及發(fā)展趨勢。

伸縮臂起重機(jī)；液壓控制；新趨勢

自行式伸縮臂起重機(jī)一般來說不能被視為典型的建筑機(jī)械，它們一般都不具有或只具有有限制的按交通法規(guī)發(fā)給的公路行駛許可。它們經(jīng)常只被應(yīng)用在裝卸轉(zhuǎn)運(yùn)站。通常，在起重機(jī)領(lǐng)域中，分為野外起重機(jī)和公路起重機(jī)。這種劃分隨著時(shí)間的推移正被逐漸取消。在歐洲沒有公路行駛許可的純建筑工地用起重機(jī)僅在低噸位等級(50 t)應(yīng)用，而且還有下降的趨勢[1]。起重機(jī)經(jīng)營者和出租商間接地支持了這種趨勢。他們試圖用較少品種的起重機(jī)覆蓋所有用戶要求的工作范圍。這些只有使用既可在野外又可在公路應(yīng)用的全路面機(jī)械才能實(shí)現(xiàn)。在停車時(shí)間縮減的同時(shí)，機(jī)器使用率在提高。

高新技術(shù)在另外的兩個(gè)主要市場(歐洲除外)北美和亞洲的發(fā)展也顯示了同樣的趨勢。純公路起重機(jī)被全路面起重機(jī)取代。越來越多地采用全路面起重機(jī)，特別是大噸位等級，在過去的幾年間表明這種發(fā)展趨勢緊跟歐洲的發(fā)展之后。

對于起重機(jī)運(yùn)動(dòng)性能的要求：

1)全路面起重機(jī)允許在公共陸路交通中行駛，可以在短時(shí)間內(nèi)獨(dú)立變更工作地點(diǎn)；大噸位伸縮臂起重機(jī)(500 t)也可以達(dá)到最高60 km/h的時(shí)速，并且不受限制地參與公路交通。

2)特殊底架的設(shè)計(jì)使其在地面上的自由度增大，以便在建筑工地方便地抵達(dá)自己的工作位置[2]。

對于一個(gè)現(xiàn)代化的起重機(jī)，起重營運(yùn)很重要的功能如起升機(jī)構(gòu)、伸縮臂系統(tǒng)和變幅機(jī)構(gòu)具有如下要求：

1)通過輕型結(jié)構(gòu)減少費(fèi)用，并且在保持起升負(fù)載不變的情況下節(jié)省自重(較少的軸數(shù))；

2)最佳的功率利用程度；

3)應(yīng)用高壓部件以縮減工作部件的尺寸(液壓缸，馬達(dá))；

4)應(yīng)用集成單元，如帶有內(nèi)裝負(fù)載轉(zhuǎn)矩極限閥(LMB)、快進(jìn)功能和控制油供給；

5)有擴(kuò)展能力的系統(tǒng)用于附加功能，如輔助起升機(jī)構(gòu)；

6)快進(jìn)控制用于起升機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)。

這些要求與起重機(jī)的噸位等無關(guān)，并且可作為項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)框架應(yīng)用。另一個(gè)在系統(tǒng)和部件選擇時(shí)的一個(gè)重要因素是大起重機(jī)和小起重機(jī)，當(dāng)然分類界限是連續(xù)的。

1　小起重機(jī)

作為小起重機(jī)習(xí)慣上是以在最小伸距時(shí)起升重量為50 t的伸縮臂起重機(jī)。這種起重機(jī)為系列化生產(chǎn)。一個(gè)典型特征是在底架上應(yīng)用了柴油機(jī)，它被應(yīng)用于行走驅(qū)動(dòng)，用于起重機(jī)控制的液壓功率，包括在行走傳動(dòng)功率之內(nèi)，同時(shí)柴油機(jī)的副驅(qū)動(dòng)具有足夠的功率通過一個(gè)分配變速器或者直接驅(qū)動(dòng)液壓能源[3]。

底架和上架之間的液壓鏈接元件旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置使得這些成為可能。即在上架中沒有必要設(shè)置第2臺(tái)柴油機(jī)作為起重機(jī)控制的能源。

底架液壓執(zhí)行元件，如軸彈簧、液壓多軸轉(zhuǎn)向和支撐都由液壓泵直接供油。旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置所需的通道及其規(guī)格大小由系統(tǒng)確定[4]。

目前還需要滿足的附加要求是：1)高功率密度；2)單人運(yùn)作；3)短裝調(diào)時(shí)間；4)隨帶最大的配重；5)在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速降低的情況下液壓功率可用性(如在居住區(qū))。

這些要求可以通過不同的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，下面給出即將使用的控制方案(見圖1)成為趨勢[5]。

圖1　小起重機(jī)的負(fù)載敏感方案

負(fù)載敏感或LUDV(負(fù)載獨(dú)立分配系統(tǒng))控制在過去的幾年中已經(jīng)在起重機(jī)范圍被使用。其優(yōu)點(diǎn)是：

1)具有重復(fù)性的靈敏控制；

2)大靈敏度控制范圍通過遞增式控制曲線；

3)集成式液壓系統(tǒng)(單泵回路系統(tǒng))是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要準(zhǔn)則。

從15～50 t的不同噸位等級的起重機(jī)對換向閥流量和工作壓力有不同的要求。在中壓范圍有多種結(jié)構(gòu)型式可用[6]。高壓區(qū)域由夾層結(jié)構(gòu)覆蓋。兩種高壓結(jié)構(gòu)型式具有在起重機(jī)范圍極具意義的特點(diǎn)：

1)LMB關(guān)閉閥直接安裝在控制塊的夾層元件上。泄露油在內(nèi)部被導(dǎo)向連接于郵箱的無壓力泄油口。

2)控制油供油源集成于入口元件或出口元件之內(nèi)。因此，不再需要一個(gè)獨(dú)立的控制油泵。

3)最大壓力極限由負(fù)載報(bào)警通道上的每個(gè)執(zhí)行元件接口完成。當(dāng)達(dá)到事先調(diào)定的最大壓力值時(shí)，負(fù)載報(bào)警信號限制了液壓泵。其擺角向回?cái)[動(dòng)，并且只輸送能達(dá)到這個(gè)壓力的流量。由此避免了不必要的轉(zhuǎn)換成熱的損失[7]。

在大流量時(shí)，M7控制塊(LUDV，Q=240 L/min)作為3軸多路換向閥被應(yīng)用，它借助于夾層元件可以進(jìn)行擴(kuò)展，由此提供了將控制油供給和LMB關(guān)閉閥集成于控制塊的可能性。

所需的起升機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)的快進(jìn)回路可以通過影響壓力平衡閥或者通過改變控制閥芯的遞增式特性曲線(Qmax快進(jìn)行行程流量)而達(dá)到[8]。

系列A10VO和A1VO的液壓泵是以部分負(fù)載運(yùn)作而敷設(shè)的。各專用壓力平衡閥完成各部分的負(fù)載補(bǔ)償任務(wù)，在要液壓泵提供所需的流量時(shí)，不能通過驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速來提高執(zhí)行元件的速度。LS(負(fù)載敏感)系統(tǒng)和LUDV系統(tǒng)以相同的方式工作。在供油不足時(shí)，例如，柴油機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)，在LS系統(tǒng)中將減小流向最高負(fù)載的執(zhí)行元件的流量。

根據(jù)供油不足的程度，這種流量減少可以直至執(zhí)行元件靜止不動(dòng)。這個(gè)缺點(diǎn)通過LUDV系統(tǒng)可以將其去除，因此，在此系統(tǒng)中所有執(zhí)行元件的流量都按比例被減少。

在諸如居住區(qū)內(nèi)以較低的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速工作時(shí)，供油不足的現(xiàn)象將會(huì)提早出現(xiàn)。雖然如此，司機(jī)仍然可將全部精力都集中在負(fù)載和它的運(yùn)動(dòng)上，因?yàn)閴毫ζ胶忾y會(huì)自動(dòng)向回調(diào)節(jié)而不需要在先導(dǎo)控制杠桿上進(jìn)行修正(比較LS系統(tǒng))。

2　大起重機(jī)

對大起重機(jī)的要求大體上與小起重機(jī)相類似。整個(gè)方案設(shè)計(jì)是以更改過的條件為基礎(chǔ)的。車輛的尺寸和靜力學(xué)主要是由動(dòng)臂的長度及起升高度確定。所要求的回轉(zhuǎn)半徑由多軸轉(zhuǎn)向達(dá)到。較大的吊重要求所有運(yùn)動(dòng)都有一個(gè)最佳的靈敏控制，以避免在回轉(zhuǎn)過程中的擺動(dòng)。

采用1臺(tái)獨(dú)立的柴油機(jī)作為液壓能源A8VO及A10VO的動(dòng)力源是另一個(gè)顯著的區(qū)別。通過將其設(shè)置在上架上，可以將它的重量作為配重使用。主、副輸出都可以為液壓泵的驅(qū)動(dòng)使用。斜盤泵A11VO使100%通軸傳動(dòng)串聯(lián)配置成為問題。因此，在這里不強(qiáng)迫需要一個(gè)泵分流器。短軟管及管道也對整個(gè)系統(tǒng)有好的作用[9]。

底架的液壓功能(支撐、轉(zhuǎn)向、彈簧)都由一個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置供油，并且在駕駛室進(jìn)行操作。

對靈敏控制的高要求通過泵控制能最好地得到滿足。

泵控制是一種與負(fù)載無關(guān)的系統(tǒng)，在此流量取決于：

1)泵的行程排量，這可以利用擺角的液壓調(diào)整而確定；

2)泵的轉(zhuǎn)速。

泵的行程排量相應(yīng)于靈敏控制的范圍。而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速則確定了控制曲線的斜率(見圖2)。在泵和執(zhí)行元件之間接有簡單的控制塊。它們作為開關(guān)閥只給定運(yùn)動(dòng)的方向(6通原理)。這套簡單的系統(tǒng)只以很小的損失工作。損失只是管路損失和閥口損失。而與相比的LS或LUDV系統(tǒng)則有很大的能量轉(zhuǎn)換成熱能的損失，因此，在此系統(tǒng)中各部分的壓力平衡閥必須平衡多個(gè)執(zhí)行元件的不同壓力，以達(dá)到與負(fù)載無關(guān)進(jìn)行工作的目的[10]。

圖2　不同方案的控制狀況

這種在能量技術(shù)上占有優(yōu)勢的系統(tǒng)要求對每個(gè)同時(shí)工作的執(zhí)行元件要配備1臺(tái)獨(dú)立的泵。一個(gè)3泵系統(tǒng)(見圖3)是在這個(gè)范圍中達(dá)到好的起重機(jī)控制的先決條件。同小起重機(jī)一樣，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有自己單獨(dú)的回路操縱。兩臺(tái)泵可供伸縮臂液壓缸、變幅液壓缸、起升機(jī)構(gòu)及輔助起升機(jī)構(gòu)使用。利用通徑16～32的M8控制塊可以實(shí)現(xiàn)下述元件的同時(shí)操作：

1)起升機(jī)構(gòu)(及輔助起升機(jī)構(gòu))和變幅機(jī)構(gòu)；

2)兩個(gè)起升機(jī)構(gòu)；

3)經(jīng)由泵合流的它們的快進(jìn)。

這個(gè)控制塊的液壓控制要求一個(gè)邏輯板，以便識(shí)別被控制的功能。簡化的方式是電液控制閥芯軸。所要求的邏輯聯(lián)結(jié)由電子元件完成，先導(dǎo)控制閥可以同時(shí)作為LMB關(guān)閉閥使用，泄露油在內(nèi)部被引走，控制塊的內(nèi)部通道使合流不需外部管道連接，由此減少了安裝工作。

泵控制應(yīng)用在大于70 t承載力的伸縮臂起重機(jī)范圍[11]。

圖3　泵控制的控制方案

3　回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制是評價(jià)行走起重機(jī)的一個(gè)決定性標(biāo)準(zhǔn)。與其它執(zhí)行元件的負(fù)載無關(guān)性是最基本的要求。因此，首選獨(dú)立的液壓回路。

在大多數(shù)情況下都采用中壓范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)可以應(yīng)用簡單的元件，如齒輪泵。轉(zhuǎn)矩、變速器、變速比和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定所應(yīng)用于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制[12]。

1)節(jié)流控制。這種典型的系統(tǒng)由定量泵、6通工作原理的控制塊和定量馬達(dá)組成，它根據(jù)壓力和流量工作。其靈敏控制范圍取決于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速和負(fù)載壓力(見圖2)。

2)6通LUDV控制。這種系統(tǒng)與節(jié)流控制的區(qū)別是后面作用有負(fù)載壓力的壓力平衡閥。測量阻尼孔相對于執(zhí)行元件和環(huán)形槽阻尼孔的壓差相等。在流向執(zhí)行元件的流量增加的同時(shí)，通過壓力平衡閥的流量則減少。這套系統(tǒng)與負(fù)載無關(guān)，而且其控制范圍可以與泵控制(見圖2)相媲美。遞增式特性曲線更使靈敏控制范圍得到改善[13]。所要求的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的對稱式控制可以用這套系統(tǒng)達(dá)到?？刂频拈_始給出了與負(fù)載和轉(zhuǎn)速的無關(guān)性。與定量泵一起可以將這套系統(tǒng)視為技術(shù)上和貿(mào)易上有意義的方案。

3)泵控制方式同樣也適用于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

4　結(jié)束語

從現(xiàn)代化大型系列越野輪胎起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能、起重性能和附加的要求出發(fā)，針對小型和大型兩種起重機(jī)進(jìn)行分析，給出主控制和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制的控制方案及發(fā)展趨勢。除上述的主要部件外，還有其他比例液壓通風(fēng)機(jī)控制、電纜遙控、集成式放大器、電液柴油機(jī)調(diào)定等新的開發(fā)研究，提高了起重機(jī)的總體效果和操作方便性[14]。

未來起重機(jī)控制的系統(tǒng)選擇必須通過技術(shù)和貿(mào)易方面的全盤分析才能確定，只單獨(dú)注重某單個(gè)部件將導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果。另外，還要將安裝和保養(yǎng)工作考慮在內(nèi)。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

A new trend of hydraulic control on the telescopic boom crane

MENG Zhaosheng1，YUE Caixia2

(1.Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China;2.Education Development and Reform Research Center,Harbin 150050, China)

Combined with moving properties, loading properties and the other requirements of a modern large wheel type off-road crane, this paper proposes two control schemes, including main control and rotation mechanism control, analyzes the cranes in large and small types and presents the developing trend.

telescopic boom crane; hydraulic control; new trend

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.04.011

2016-01-09

孟兆生(1964-)，男，教授，研究方向：機(jī)械工程.

TH137

A

1671-4679(2016)04-0051-05