液力換擋變速器在塔機上的應用

李明強1，仉健康1，王進峰1，孟慶琳2，史海紅2

（1.山東電力建設第一工程公司，山東 濟南 2 5 0 1 0 0；2.山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 2 5 0 2 0 0）

在超高層建筑及大型火電塔式爐鋼結構施工過程中，為加快工程進度，施工企業對施工塔機的速度性能要求越來越高。塔機起升速度的快慢直接影響著整個工程的進度，如何提高起升速度成了各起重機制造商互相討論的話題，也成為塔機行業在其性能方面相互競爭的條件之一。

針對上述問題，常規的提速方式大致有：加大電機功率、采用變頻調速的加寬恒功率段超頻控制、變換滑輪組倍率、差動行星減速器配雙電機等。本文則提出了一種采用液力換擋變速器的形式，在電動機與減速機之間加裝液力換擋變速器，通過控制換擋器的液壓電磁閥與負載相互配合，在工作過程中實現輕載/空鉤高速、重載低速，可有效提高起重機的速度，提高工作效率。

1 液力換擋變速器

1.1 結構及工作原理

液力換擋變速器一般是由一個液力變矩器和一個整體箱體式多擋動力換擋變速箱組成，能實現前、后驅動。根據內部結構形式不同，有前四倒三、前三倒三、只有前進擋等不同速度擋位的變速器可供選配。由于在變速箱中有若干個液壓控制的多片濕式離合器，能在帶負荷的狀態下接合和脫開，從而實現動力換擋。其特點是各傳動軸呈平行布置，變速器中的齒輪均為常嚙合傳動，相對于行星齒輪變速器，具有齒輪模數大，單齒面承受載荷大的特點。

圖1為變速器各擋位相應離合器接合傳動原理路線圖。

圖1 變速器各擋位相應離合器接合傳動原理路線圖

從圖1可以看出，一般液力換擋變速器有幾個或多個多片濕式摩擦離合器。換擋時，相應擋位的離合器摩擦片被受軸向作用的油壓所推動的活塞壓緊。離合器摩擦片的松開是靠復位彈簧的作用力將活塞返回，通過上述過程的循環往復運動，從而實現增擋及減擋的換擋過程。

1.2 控制方式

采用電液一體化控制，動力換擋時，通過手動操作擋位選擇器，控制與選擇器相連的各個電磁閥，操縱變速箱上的控制閥，油液經油路內的吸油濾清器（粗濾）和旋轉濾清器（精濾）后，經控制壓力閥（主調壓閥）限制其工作壓力，再通過壓力控制閥進入操縱閥。經操縱閥的壓力油直接進入離合器，推動相應活塞動作，完成動力換擋。

2 塔機起升機構配置及控制方案

為滿足超高層建筑及大型火電塔式爐鋼結構施工需要，筆者公司研制了FHTT420～FHTT3200型系列平臂塔式起重機，額定起重量從12～160t，吊臂長度分為60m、70m、80m，起升速度為0～60m/m in。

下面就以筆者公司研制的FHTT2800型平臂塔式起重機起升機構為例，詳細闡述液力換擋變速器的實際應用。此FHTT2800型平臂塔式起重機最大起重量為125t，起升速度為0～60m/m in，吊臂長度為60m、70m、80m可互換，最高附著高度為200m，內爬工況時高度可達650m。

2.1 起升機構各部分介紹

塔機起升機構各部件布置圖如圖2所示。常規的塔式起重機起升機構采用的是“電機-聯軸器-制動器-減速器-卷筒-行程限位器”的配置方案。圖2中的塔機起升機構采用平行軸線布置方式，配置方案中引進了液力換擋變速器，將其安裝在電動機與減速機之間進行換擋。在液力換擋變速器附近安裝有變速器的液壓泵站、控制電磁閥及冷卻系統。采用國內某齒輪箱廠家生產的只有4個前進擋的液力換擋變速器，四擋速比分別為5.18/2.63/1.21/0.66。

電動機選用6極110k W，額定轉速995r/m in的起重專用交流變頻電動機。

減速器選用的是雙輸入軸的減速器形式，減速器輸入軸的一端連接液力換擋變速器，另一端連接安全制動器，制動器采用的是液壓盤式雙制動。

在卷筒尾端安裝有安全保護裝置（DXZ型行程限位器），此限位器有雙向的減速及停止功能，可以提供四路開關量信號輸出，根據需要也可以增加模擬量傳感器。

2.2 電液控制系統設計

液力換擋變速器在油泵控制站上布置有4個電磁閥，通過布置在操作臺上的擋位選擇器連接并控制4個電磁閥的組合，在實現各個擋位功能時，4個電磁閥通過組合控制相應的離合器工作，從而實現不同的擋位，電磁閥具體組合見表1。

表1 換擋電磁閥M 1～M 4組合表

2.2.1 操作臺面板布置圖

將擋位選擇器（換擋開關）采用內嵌安裝方式布置在操作臺面板上，面板上還包括起升機構控制手柄、各種按鈕指示燈等元器件，具體面板布置見圖3。

圖3 起升機構操作臺面板布置示意圖

2.2.2 PLC控制系統設計

因液力換擋變速器只允許在機構停止工作的時候才可以換擋，并且必須保證起升機構為輕載或空載的情況下方可選擇高速擋。因此在PLC程序設計時，將擋位選擇器的擋位信號、主令開關的擋位信號以及重量傳感器采集的重量信號全部經過編制的PLC程序進行運算處理，輸出控制小型中間繼電器和換擋閥M 1～M 4，從而實現重量和擋位的協調配合。塔式起重機安裝有力矩限制器（以下簡稱力限器），力限器采集到的重量信號包括（Q代表起重量)：空鉤信號、0＜Q≤10t輕載信號、10t＜Q≤25t輕載信號、25t＜Q≤60t重載信號、60t＜Q≤125t重載信號和超力矩信號，在司機室內裝有重量顯示裝置。圖4為起升機構PLC控制系統接線圖。

具體的控制程序設計原則如下。

1）空鉤/輕載高速 當起升機構空鉤或輕載（即0＜Q≤10t）時，在機構停止運行狀態下先將擋位選擇器選擇至1～4擋的任意擋位；選擇擋位選擇器后，啟動機構動作，操作起升主令手柄可打至1～4擋，進行相應操作，實現空鉤/輕載高速運行。

圖4 起升機構PLC控制系統接線圖

2）重載低速 當起升機構重載或滿載（即60t＜Q≤125t）時，在機構停止運行狀態下先將擋位選擇器選擇至低速擋（1～2擋）；選擇擋位選擇器后，啟動機構動作，操作起升主令手柄可打至1～2擋，進行相應操作，實現重載低速運行。

3 液力換擋變速器使用注意事項

液力換擋變速器在實際使用過程中必須注意以下幾點。

1）基于安全考慮，在起升機構吊載或運行過程中，嚴禁撥動液力變速器的換擋開關進行換擋操作。

2）必須嚴格遵循PLC預設的程序以及各擋位對應的最大起重量來操作換擋開關進行換擋，不能隨意更換某擋位，否則起升機構不能工作。

3）應配油壓表，換擋前（尤其是整機剛開機時），必須觀察液力換擋器的操縱油壓，必須達到換擋器的工作油壓方可換擋，否則換擋器不能正常工作。

4）使用過程中必須實時對變速器進行冷卻，確保換擋器油的溫度不宜過高。

4 結 論

在塔機起升機構中引進液力換擋變速器可有效的提升塔機的速度，相比于常規的提速方式具有配置經濟、操作簡單等優點。應用液力換擋變速器技術的FHTT2800型平臂塔式起重機已成功用于河南某火電公司施工項目，經過實際應用，提速效果及控制性能良好。

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