大型履带式起重机卷扬液压系统的动态特性分析

大型履带式起重机卷扬液压系统的动态特性分析

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浙江省特种设备科学研究院 浙江杭州 310020

摘要：卷扬系统是履带式起重机的重要系统，当前普遍采用全液压驱动形式的大型履带式起重机，其系统工作性能的优劣直接影响系统整机的可靠性与安全性，因此，需要改善起重机卷扬系统的工作性能。卷扬系统在重物下放的过程中，由于负载拖动马达转动，所以经常出现失速的问题，需要实现重物的平稳、高效、精确的下放控制时卷扬液压系统的关键。

关键词：大型履带式起重机；卷扬液压系统；动态特性

液压系统工作液体循环方式有所不同，可将其分为开式与闭式两种系统，两种系统在重物下放的工况中存在压力冲击、系统动态性能在不同工况下存在差异，无论采用哪种系统，要实现卷扬系统工作稳定、响应快、微动性好的设计目标，需要对液压系统的动态特性进行深入研究，才能全面了解多种工况下系统动态响应特性，对系统的各种参数进行合理的匹配，并优化系统的动态相应。当前我国对起重机液压系统的参数匹配以及元件选型工作通常采用经验公式及类比的方法，并对液压系统的设计计算多以静态计算为主，对系统动态特性的研究工作正处于起步阶段。

1. 履带式起重机概述

履带式起重机是一种依靠履带装置行走的移动式起重机械，当前被广泛应用在港口、水电、石油化工等行业。履带起重机主要由行走机构、动臂、回转机构、底盘与配重等部分组成。履带式起重机具有起重能力大、接地比压小、转弯半径小、可带载行走以及桁架组合高度可自由切换等优势，因此，被各种起重作业所应用。

按照液压系统的不同，履带式起重机可分为：全开式液压系统起重机、全闭式液压系统起重机以及开闭式混合液压起重机三类。中小吨位起重机中开式系统安全性好、可拓展节能性好、而且成本低；闭式液压系统不仅电气控制性能好、结构简单、而且易于布置，但其安全性能容易受电控系统可靠性的限制，再加上成本较高，致使该类系统在国外大型企业中大吨位产品应用较为广泛^[1]。在国内外大型履带式起重机生产商中，大吨位起重机普遍采用开闭式混合的液压系统，即回转等子系统采用闭式，而较为关键的起升系统大多采用开式液压系统。

2. 卷扬液压系统的分类及存在的问题

起重机卷扬系统是依靠液压马达机械传动机构来传递扭矩，例如，减速机、钢丝绳等，以此实现重物的上升与下降的控制。履带式起重机卷扬机构的种类有许多，按照液压系统中工作液体循环方式的不同，将卷扬液压系统分为两类，即开式与闭式，当前在履带式起重机中都有着广泛的应用。

1. 开式卷扬液压系统

此种类型的液压系统是目前在国内起重机产品中应用最为广泛的一种，开式系统主要是指液压泵从油箱吸油，液压油经过各种控制阀后，驱动液压马达，再经过换向阀流回油箱，系统主要由液压泵、安全阀、换向阀、平衡阀、马达、制动器、先导控制阀等组成。在开式卷扬回路中，泵的吸油口与马达的回油口均与液压油箱相连，操作人员可通过换向阀来控制马达的旋转方向；若液压泵为变量泵，可通过控制变量泵斜盘摆角的变化来实现系统的无极变速；在重物下放的过程中，通过平衡阀来控制卷扬系统的多项性能参数，实现系统的微动操作。开式卷扬系统能够利用一个液压泵来实现对多个执行元件的供油，在起重机液压子系统较多时，采用开式回路可减少多需要泵的数量，进而降低成本。利用液压先导控制实现二次起升与重物下放的控制，控制十分简单、可靠。系统的安全性主要由液压系统所保证，对电气控制系统的设计要求较低，安全性良好。

2. 闭式卷扬液压系统

闭式卷扬液压回路主要由液压变压泵、高压溢流阀、补油单向阀、补油泵、马达等组成。在该回路中，变量泵的斜盘摆角一般由操作者通过控制手柄控制，泵的输出量在控制作用下产生连续的变化，实现卷扬回路的无极变速，液压马达旋转方向的改变可通过控制变量泵的斜盘摆过零点来实现；补油泵可对马达、泵容积损失等所造成的系统流量泄漏进行补偿，补油方向由补油单向阀依据系统两侧压力的高低来进行选择，高压溢流阀可为系统提供高压溢流保护，限制系统压力冲击的峰值。闭式卷扬系统液压泵等元件主要采用继承结构，减少了连接管路，便于系统的结构布置，利用电控系统来实现二次起升与重物下放的而控制，具有较好的控制性能，对电气控制系统的要求也十分严格^[2]。另外，闭式泵控系统依靠发动机吸收重物下降的势能，其具有发热量小、传动效率高等特点。液压系统与控制系统直接决定系统的安全性，对控制系统的可靠性要求较高，进而增加了技术的难度。

3. 卷扬液压系统试验研究

1. 设计

为了验证卷扬液压系统平衡阀及变量马达动态特性模型、系统稳定性影响稳定性的分析结果，以及提出优化方案正确性进行了试验，首先准备试验所需要的仪器与相关性能的参数，以此设计了方案：为了分析卷扬系统工作中变量缸与先导控制活塞的动态响应特性，在马达变量缸大端以及平衡阀先导控制活塞大端安装了位移传感器，用来测量相关的位移信号。

2. 平衡阀性能试验

在平衡阀控制端口处阻尼ZD的直径为变量，以研究在平衡阀控制端采用不同阻尼孔直径时的系统瞬态响应特性。控制电流的输出用阶跃信号来取代原来的斜坡信号，并关闭马达变量，载重60t,在此工况下，研究卷扬下落工况下的系统压力的瞬态响应特性，通过测试发现，马达负载口的压力由0上升至18MPa，所需要的时间小于0.3s,压力变化斜率大，可将该压力信号等效为阶跃输入信号，随后系统个测点压力值的动态变化过程可看作是在该阶段跃信号输入下的瞬态响应，根据结果得出：在关闭马达变量后，在平衡阀控制匹配不同阻尼的工况下，卷扬系统的稳定性随着阻尼孔直径的减小而有着明显增强。

3. 恒压变量马达试验

首先固定平衡阀控制口阻尼、马达最小排量值与负载，调整变量马达压力切断设定值进行试验，将马大压力切断的设定值为13MPa,系统压力在1-5秒内的变量过程中逐渐衰减振荡，5s后系统压力达到切断值并很快趋于稳定。当工作压力达到切断值后，压力波动没有消减，反而会加剧^[3]。进而得出：随着压力切断设定值的增加，系统稳定性较差。
结束语：

通过对大型履带式起重机卷扬液压系统进行了动态性能试验，并经过相关测试，从而提升卷扬系统的稳定性，同时使系统的工作效率也得到较好地保证。
参考文献：
[1]侯文礼, 孙丽, 孟进军. 伸缩臂履带式起重机回转机构动态特性分析[J]. 工程机械, 2020, (05):8+30-34.

2. 尹启成, 牛进涛, 万巧云. 一种履带吊起重机液压系统中液压泵散热装置:, CN209621574U[P]. 2019.

3. 刘成强, 刘银水, 邓亦攀. 一种适用于履带起重机的卷扬液压系统:, CN106185662A[P]. 2016.