起重機液壓變幅機構抖動現象分析及改進措施

2016-06-08 03:29:19劉冬一丁小峰

公路與汽運 2016年3期

關鍵詞：工程機械

劉冬一，丁小峰

（上海振華重工集團股份有限公司，上海 200125）

起重機液壓變幅機構抖動現象分析及改進措施

劉冬一，丁小峰

（上海振華重工集團股份有限公司，上海 200125）

摘要：針對某汽車起重機液壓變幅機構工作時抖動故障，依據其液壓變幅機構調速原理，從控制系統入手，分析了流量匹配、平衡閥開啟和比例閥沖擊對吊臂工作穩定性的影響；通過修改液壓系統的相關控制參數，仿真得到了吊臂變幅抖動波形對比結果，并解決了其抖動問題。

關鍵詞：工程機械；汽車起重機；液壓變幅；抖動；仿真分析

1　系統概述

相比卷筒鋼絲繩變幅機構，液壓變幅機構因為省去減速箱卷筒機構，其空間緊湊，重量功率比小，調速簡單、可靠，在各類變幅機構中應用廣泛，特別在對重量和速度要求較高的工程機械中其是極為常用的一種典型結構形式。由液壓油缸作為變幅吊臂的支撐構件，可更好地防止沖擊和過載，自適應正向和負向負載。通過液壓油缸的伸出或縮回帶動吊臂的上仰或下降，完成整機吊臂變幅角度的變化。

根據具體結構和工況的不同要求，各種起重機的液壓變幅機構的系統設計會有所差異，可由單根油缸支撐，也可采用雙根油缸支撐。雙根油缸需考慮油缸之間的同步性問題，系統復雜，但受力均衡，可有效減小油缸的尺寸，降低成本，一般對于載荷較大、速度較慢的機型，如海工浮式起重機、堆場用堆取料機、大型岸邊連續卸船機等，適合使用雙根油缸支撐；而對于載荷較小、速度響應較快的小型甲板克令吊、汽車起重機，適合使用單根油缸支撐。單根油缸支撐的變幅機構，液壓系統設計更簡單，更容易完成一些速度變化的控制，動態性能更優異。

某公司研發的汽車起重機，使用單根液壓油缸支撐臂架結構，額定載荷為63 t，在臂架變幅的過程中，變幅機構可實現不同的速度動作，速度在最高和最低之間無極調速。液壓系統采用負載敏感泵提供油源，比例閥閥控油缸采用開式系統設計，液壓原理如圖1所示。

變幅系統所用比例閥通徑為DN10，J型中位機能，比例閥的閥芯開口量由相應的專用控制器控制。該控制器有8個通道，可同時驅動4組比例閥，并且接收位移或角度傳感器的反饋，形成閉環回路，進行各機構復合動作的控制。控制器通過USB數據線與調試PC連接，有可視的編寫界面，可便捷地修改比例閥的速度、加減速和斜坡等相應參數，以改變比例閥的相關性能。通過在線監測比例閥的實際輸出及機構偏差等指標，控制界面如圖2所示。

圖1　某汽車起重機變幅機構的液壓原理示意圖

2　問題描述

在該機型的調試和使用過程中，發現吊臂在做變幅動作時整機存在較大的抖動現象，特別是在吊臂速度切換時，吊臂的抖動加劇。變幅過程中，俯仰角度的波形如圖3所示，角度編碼器的反饋持續振蕩，無法穩定下來。

吊臂俯仰的抖動影響了整機的穩定性，使其不能進行精準的吊裝作業，特別是在負重作業時會帶來更大的安全隱患。

3　故障原因分析及解決措施

造成吊臂抖動的因素為流量匹配、平衡閥開啟和比例閥沖擊。因為整個項目的生產進程已進入后期階段，主機結構和液壓系統都已完成，解決辦法需遵循以下原則：不對液壓系統硬件或整機機構進行大的改動，只能進行硬件的微調或控制軟件的優化。

從上述三因素可能的原因入手逐一分析，并采取相應解決措施。

圖2　某汽車起重機變幅系統的控制界面

圖3　吊臂變幅抖動波形

（1）流量不匹配，即泵閥系統的流量供給無法滿足變幅油缸高速狀態下的流量需求，造成速度增加時油缸失壓。首先重新校驗系統流量和油缸速度的匹配，按照計算，在吊臂變幅的最高速度時系統至少可提供20%的冗余流量，泵源供油能力充足，完全可滿足油缸的最高速度需求。

（2）平衡閥開啟太快，造成啟動和停止沖擊太大，引起吊臂動作瞬間的初始抖動太大。該平衡閥液控先導口的導壓比為1∶3，雖然已在液控口設置了阻尼，但仍然讓平衡閥開啟和閉合的速度太快，導致初始沖擊。更換導壓比為1∶5的平衡閥和平衡閥液控口處的阻尼，從原來設計的?1.0 mm更換為更小的?0.6 mm。平衡閥的液控口上更小的阻尼將增大液控油路的阻力，可有效延緩平衡閥開啟和關閉的時間，讓油缸啟動和停止的動作趨于柔和。更換新的導壓比平衡閥和小的阻尼后，恢復液壓系統，繼續測試，發現該措施有一定的效果，可減小吊臂變幅動作啟動時的抖動，吊臂啟動和停止時初始抖動的幅度明顯減小。但仍然不能從根本上消除抖動，特別是在變幅動作進行、切換變幅速度時，吊臂仍會有較為劇烈的抖動，且速度變化越頻繁，抖動越大。

（3）比例閥閥芯切換沖擊太大，即吊臂變幅速度變化時（包括啟動和停止）系統內產生較大的油液沖擊，導致吊臂機構產生抖動。因為變幅機構是無極變速，油缸的速度始終在變化和波動著，且隨著臂架速度的變化，抖動不會消除，而是進一步加劇，最終造成臂架的持續性抖動。這種因為速度變化帶來的液壓沖擊與比例閥動態特性有較大的相關性，而與比例閥動態特性相關的參數是控制器輸出信號的斜坡、加速度等。較大的加速度設定，可提高系統的響應速度，駕駛操作人員推動手柄后機器可立即做出動作，提升操作人員的體驗度，但加速度太大，會帶來較大的沖擊，造成抖動。為了減小速度變化時的液壓沖擊，使用調試PC對比例閥專用控制器的參數進行修改，減小比例閥開啟和停止時的加、減速度。在原始設計中，加、減速度都設定為30 mm/s2，通過反復修改和測試，最終設置為12 mm/s2（如圖4、圖5所示）。

較小的加減速改善了抖動現象，卻帶來另一個問題，因為除了降低系統的響應速度外，還會拉長吊臂變幅全程的時間，相當于降低了設計速度，影響了吊裝效率。為解決這個新問題，通過控制器修改液壓油缸的最高速度設置，從35 mm/s更改為45 mm/s（如圖6、圖7所示）。最高速度的提高，讓變幅全程的時間滿足設計要求，保證了吊裝效率。