轮式起重机起升卷扬闭式液压系统控制研究

第４６卷第１６期

ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ

机床与液压

Ｖｏｌ􀆰４６Ｎｏ􀆰１６

Ａｕｇ􀆰２０１８

ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－３８８１􀆰２０１８􀆰１６􀆰０１８

轮式起重机起升卷扬闭式液压系统控制研究

管小兴ꎬ高宏伟ꎬ白林迎ꎬ谢贺超

(郑州新大方重工科技有限公司ꎬ河南郑州４５００６４)

摘要:论述轮式起重机起升卷扬开式液压系统控制要点和闭式液压系统常规控制原理ꎬ提出一种新型控制技术用于控制轮式起重机起升卷扬闭式液压系统ꎮ原理为在起升卷扬闭式液压系统中设置一平衡阀ꎬ利用平衡阀特性来解决起升卷扬闭式液压系统启停溜钩、冲击震动等难题ꎻ利用平衡阀负载安全特性避免液压系统驱动管路一旦爆裂或发动机一旦出现飞车故障负载失速坠落现象发生ꎻ通过平衡阀先导内外联控ꎬ解决平衡阀在闭式液压系统中发热问题ꎮ实践证明ꎬ所设计的ＱＬＹ系列轮式起重机起升卷扬闭式液压系统控制技术性能稳定可靠ꎮ

关键词:轮式起重机ꎻ起升卷扬ꎻ开式液压系统ꎻ闭式液压系统ꎻ新型控制技术ꎻ平衡阀中图分类号:ＨＴ１３７　　文献标志码:Ｂ　　文章编号:１００１－３８８１(２０１８)１６－０６５－４

ＷｈｅｅｌｅｄＣｒａｎｅＨｏｉｓｔｉｎｇｗｉｎｃｈＣｌｏｓｅｄＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｙｓｔｅｍＣｏｎｔｒｏｌＲｅｓｅａｒｃｈ

(ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＮｅｗＤａｆａｎｇＨｅａｖｙＩｎｄｕｓｔｒｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＺｈｅｎｇｚｈｏｕＨｅｎａｎ４５００６４ꎬＣｈｉｎａ)

ＧＵＡＮＸｉａｏｘｉｎｇꎬＧＡＯＨｏｎｇｗｅｉꎬＢＡＩＬｉｎｙｉｎｇꎬＸＩＥＨｅｃｈａｏ

ｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄꎬａｎｄａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｗｈｅｅｌｃｒａｎｅｈｏｉｓｔｉｎｇｗｉｎｄｉｎｇｃｌｏｓｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍ.Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｗａｓｔｈａｔａｂａｌａｎｃｅｖａｌｖｅｗａｓｓｅｔｉｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｔｏｓｏｌｖｅｓｔａｒｔ￣ｓｔｏｐｓｎｅａｋｐｒｏｂｌｅｍｓｓｕｃｈａｓｓｐｒｅａｄｉｎｇꎬｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｂａｌａｎｃｉｎｇｖａｌｖｅｆｅｖｅｒｉｎｔｈｅｃｌｏｓｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｗａｓｓｏｌｖｅｄ.ＵｓｅｐｒｏｖｅｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄＱＬＹｓｅｒｉｅｓｗｈｅｅｌｃｒａｎｅｈｏｉｓｔｉｎｇｗｉｎｃｈｃｌｏｓｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｓｔａｂｌｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｉｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ.Ｂａｌａｎｃｅｖａｌｖｅ

ｈｏｏｋꎬｉｍｐａｃｔｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｅｔｃꎬｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｂａｌａｎｃｉｎｇｖａｌｖｅｆｅａｔｕｒｅｓ.Ｔｈｅｂａｌａｎｃｉｎｇｖａｌｖｅｌｏａｄｓａｆｅｔｙｆｅａｔｕｒｅｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏａｖｏｉｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｄｒｉｖｉｎｇｌｉｎｅｓｉｎｃａｓｅｏｆｂｕｒｓｔｏｒｅｎｇｉｎｅｆａｉｌｕｒｅｉｎｔｈｅｅｖｅｎｔｏｆｓｔａｌｌｌｏａｄｆａｌｌ.Ｂｙｂａｌａｎｃｉｎｇｖａｌｖｅｐｉｌｏｔｉｎｓｉｄｅａｎｄｏｕｔｓｉｄｅ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｐｏｉｎｔｓｏｆｗｈｅｅｌｃｒａｎｅｈｏｉｓｔｉｎｇｗｉｎｄｉｎｇｏｐｅｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍａｎｄｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｌｏｓｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓ￣

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＷｈｅｅｌｃｒａｎｅꎻＨｏｉｓｔｉｎｇｗｉｎｃｈꎻＯｐｅｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍꎻＣｌｏｓｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍꎻＡｄｖａｎｃｅｄｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓꎻ

　　轮式起重机在我国经济建设中发挥着重要作用ꎮ随着科学技术高速发展ꎬ对轮式起重机操作性能要求越来越高ꎬ轮式起重机的起升系统(起升卷扬)是起重机中最关键机构之一ꎬ其性能好坏直接影响整机的优劣ꎮ目前国内轮式起重机起升卷扬多采用开式液压系统ꎬ在国外大吨位轮式起重机已经实现了全闭式液压系统驱动ꎬ尤其是起升卷扬的驱动也采用闭式液压系统ꎬ使吊装性能及安全可靠性明显提高ꎬ如ＬＩＥＢＨＥＲＲＬＧ１７５０汽车起重机、ＬＲ１７５０履带起重机和ＬＨＭ２５０港口起重机等起升卷扬均采用闭式液压系统驱动ꎮ随着国外大吨位轮式起重机的引进ꎬ使用证明起升卷扬采用闭式液压系统能较好地解决国内传统的开式液压系统常见突出问题ꎬ如液压冲击、抖动、溜钩、吸空失速坠落及系统发热等ꎮ闭式液压系统具有开式液压系统不可替代的优点ꎮ

１　起升卷扬开式液压系统控制技术要点

轮式起重机起升卷扬开式液压系统控制是国内普遍使用的控制技术ꎮ为了保证卷扬具有良好性能ꎬ需要在控制上满足以下要求:

(１)起升卷扬在负载作用下平稳下降的关键控

制阀组为平衡阀ꎬ平衡阀开启先导控制压力需大于卷扬制动器开启压力ꎬ先导控制压力通过选用先导比和压力设定及计算所定ꎻ在起升卷扬启动时ꎬ先延时或内控压力开启卷扬制动器ꎬ然后由先导控制压力再开启平衡阀ꎻ

(２)起升卷扬马达及平衡阀的泄漏量尽可能少ꎻ

在起升卷扬二次起升时ꎬ当制动器开启ꎬ平衡阀仍处于关闭状态ꎬ由于马达及平衡阀泄漏量少ꎬ使平衡阀保持负载静止ꎬ随着系统压力升高ꎬ平衡阀随之开启ꎬ使负载在平衡阀作用下平稳下降ꎮ

收稿日期:２０１７－０３－１９

作者简介:管小兴(１９６２—)ꎬ男ꎬ高级工程师ꎬ主要从事液压系统设计及应用ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｇｘｉａｏｘｉｎｇ１１＠１２６􀆰ｃｏｍꎮ

􀅰６６􀅰

２　起升卷扬闭式液压系统常规控制及现状

机床与液压第４６卷

之后再次起升的信号时ꎬ控制系统通过压力传感器３检测系统压力并进行运算ꎬ计算出此时所产生的起升力矩ꎬ快要达到足够克服负载力矩时ꎬ控制器根据负载大小ꎬ控制阀组７进行延时控制使制动器５开启ꎬ制动器５开启为动态控制ꎻ若控制制动器５开启的阀组７延迟时间太短ꎬ此时系统压力小于记忆压力ꎬ载荷就可能产生向下位移(简称二次溜钩)ꎬ同时制动器５开启时使卷扬产生冲击ꎻ若控制制动器５开启的阀组７延迟时间太长ꎬ此时系统压力就可能过高ꎬ载随着液压微电控制技术发展ꎬ目前国内大吨位轮式起重机起升卷扬也开始采用闭式液压系统驱动及控制技术ꎮ起升卷扬闭式液压系统主要由闭式变量泵输出液压油驱动马达ꎬ从而实现卷扬的转动ꎬ省去了开式液压系统中换向阀及安全过载阀、平衡阀等各类阀组的控制环节ꎻ起升卷扬闭式液压系统通过比例电磁铁调节变量泵斜盘的角度来改变泵的流量及压力油的方向ꎬ从而改变马达的转速和旋转方向ꎻ系统无节流损失ꎬ发热低、节能效果好ꎬ系统简洁ꎬ响应快ꎬ效率高ꎬ显著提高了起升卷扬微动性、可控性及传动平稳性ꎮ起升卷扬闭式液压系统低压侧压力为系统补油压力ꎬ补油充足ꎬ避免了开式液压系统起升卷扬在负载作用下ꎬ一旦出现溜钩时马达一侧供油不足导致负压吸空ꎬ造成马达损坏失速坠落事故发生ꎮ起升卷扬闭式液压系统故障率低ꎬ安全系数高ꎮ

起升卷扬闭式液压系统常规控制原理如图１所示ꎮ

图１　起升卷扬闭式液压系统常规控制原理图

发动机驱动闭式变量泵１和补油泵８ꎬ闭式变量泵１驱动起升卷扬马达４ꎬ马达４带动减速器、辊筒旋转ꎻ补油泵８为闭式液压系统低压侧补油ꎬ闭式液压系统通过微电控制闭式变量泵１和马达４的排量及方向ꎬ实现卷扬无级调速和起吊重物升降功能ꎬ根据起升载荷通过改变闭式变量泵１和马达４的排量实现重载低速和轻载高速的功能ꎬ使发动机功率输出匹配在最佳区域内ꎻ轮式起重机起吊重物的过程中ꎬ控制器需要记录马达４进、出油口的压力传感器３压力值ꎬ用于负载的二次起升ꎮ当控制器收到在空中停留

荷可能产生向上位移ꎬ同时制动器５开启时同样使卷扬产生冲击ꎬ这就是起升卷扬进行二次起升ꎬ即起升－停止－起升工作原理ꎮ当控制器收到在空中停留之后下降的信号时ꎬ闭式变量泵１反向加压至上次停止由负载产生高压值时打开制动器５ꎬ原理同上ꎬ然后通过控制器切换闭式变量泵１输油方向ꎬ使负载下降ꎬ在下降过程中起升卷扬同样会出现冲击及二次溜钩现象ꎬ即起升－停止－下降工作原理ꎮ

造成二次溜钩原因分析ꎮ当轮式起重机的起升卷扬提升重载需要进行微动时ꎬ常需要进行二次起升ꎮ以起升－停止－起升过程工况来分析ꎮ当起升卷扬停止时ꎬ卷扬马达４一侧由于负载作用产生高压ꎬ其高压随着系统泄漏压力随之下降ꎬ需要二次起升ꎬ系统加压并使起升卷扬制动器５开启ꎬ如系统工作压力产生的起升力矩不足以克服负载力矩ꎬ此时马达４在负载力矩的作用下将会产生反转ꎬ使得负载下移ꎬ即起升卷扬在二次起升时出现二次溜钩原因ꎮ

目前起升卷扬闭式液压系统常用的二次起升防溜钩控制方法主要有压力记忆控制和采用控制器延时打开制动器控制ꎮ由于起吊载荷的差异ꎬ制动器延时开启控制需要采集吊重等参数模糊控制ꎬ否则在负载二次起升时会出现载荷下移或上移并伴有制动器开启时冲击ꎮ因此如何记忆正确的压力值、确定合理的制动器开启时间ꎬ有效地实现卷扬启停平稳无冲击ꎬ二次

起升时防止溜钩就成为起升卷扬闭式液压系统控制技术的关键ꎮ当今随着轮式起重机闭式液压系统驱动的起升卷扬使用范围的扩大及其控制技术的不断提高和完善ꎬ国内少数技术力量雄厚的企业也逐步掌握其核心技术ꎮ

３　起升卷扬闭式液压系统新型控制技术研究

通过以上分析目前国内关于起升卷扬常用的开式液压系统控制技术要点和闭式系统控制原理ꎬ总结各自所具有的特性ＱＬＹꎬ结合用于吊装风力发电机组专用吊装风叶系列轮式起重机、机箱等工况时要求具有微动微调功能ꎬ起重机关键机构起升卷扬在ꎬ同

第１６期管小兴等:轮式起重机起升卷扬闭式液压系统控制研究

􀅰　６７　􀅰　

时要确保重载二次起升时不能出现二次溜钩现象ꎬ保证具有高可靠安全性特点ꎬ针对风电安装特殊工况ꎬ设计了一种用于ＱＬＹ系列轮式起重机起升卷扬闭式液压系统控制技术方案ꎮ

启动不溜钩ꎮ

３􀆰１　起升卷扬闭式液压系统新型控制技术说明

起升卷扬闭式液压系统新型控制原理如图２所

示:ＱＬＹ系列轮式起重机起升卷扬闭式液压系统的闭式变量泵１出油口与马达４进油口相连ꎬ马达４出油口处安装平衡阀３后与闭式变量泵１进油口相连ꎬ组成一个闭式液压回路ꎬ闭式变量泵１为双向变量泵ꎻ马达４出油口上平衡阀３先导控制口通过阻尼节流阀７与马达４进油口连接ꎬ在阻尼节流阀７与平衡阀３先导控制口之间连接独立外控油源ꎬ外控油源通过控制阀组９和单向阀８达到内、外并联联合控制目

的ꎻ当卷扬处于重载进行二次起升时(指起升－停止－下降工况)ꎬ闭式变量泵１输出油源驱动马达４ꎬ首先是卷扬制动器５通过控制阀组９延时开启ꎬ当闭式变量泵１输出的驱动油源压力不足时ꎬ也不会使马３达４在负载力矩的作用下产生反转情况ꎬ由于平衡阀

没有达到平衡阀的设置及先导控制压力设定３先导控制压力时ꎬ当系统驱动压力较低ꎬ平衡阀３仍处于关闭状态ꎻ在负载作用下ꎬ马达这端油口与平衡阀３之间形成高压区ꎬ支撑起升卷扬在重载工况下仍处于静止状态ꎻ当驱动油源压力继续升高ꎬ其压力达到平衡阀３先导控制开启压力ꎬ平衡阀３开启ꎬ使起升卷扬开始二次起升并执行下降工况ꎬ达到起升卷扬启动平稳、无冲击、不溜钩效果ꎻ随之独立外控油源通过３控制阀组９使一电磁阀得电ꎬ外控油源作用于平衡阀度恒定先导控制ꎬ驱动油源通过平衡阀ꎻ一旦外控油源介入３ꎬ畅通保证了平衡阀ꎮ当起升卷扬重３开载停止时ꎬ首先使控制平衡阀３独立外控油源关闭ꎬ平衡阀３控制随之变为内控ꎻ当系统压力逐步降低平衡阀３随之关闭ꎬ制动器５延时关闭ꎬ由平衡阀３实现动负载减速控制特性使起升卷扬平稳停止ꎮ当卷扬处于重载进行二次起升时(指起升－停止－起升工况)ꎬ闭式变量泵１输出油源驱动马达４ꎬ首先是卷１扬制动器５通过控制阀组９延时开启ꎬ当闭式变量泵克服负载力矩输出的驱动油源压力低时所产生的起升力矩不足以ꎬ系统设置有平衡阀３ꎬ此时马达４在负载力矩的作用下不会产生反转ꎻ当闭式变量泵１输出的驱动油源压力继续升高所产生起升力矩克服负载力矩时ꎬ通过平衡阀内的单向阀驱动马达４使起升卷扬完成二次起升ꎬ由平衡阀负载保持特性使卷扬３􀆰２　外控油源压力参数图２　起升卷扬闭式液压系统新型控制原理图

平衡阀先导开启压力计算ｐ外计算设定

ꎮ采用ＳＵＮ标准型平

衡阀ꎬ型号:ＣＢ∗Ｇ￣ＬＪＮꎮ根据ＳＵＮ资料计算先导开启压力:

ｐ＝

ｐＳ－ｌＲ＋１

(１)

式中:ｐ为先导开启压力ꎻ

ｌ为负载等效压力ꎻｐＲ为先导压力比ꎻ

Ｓ为阀设定值ꎬ根据设计规范平衡阀设定压力

Ｓ为起升额定压力的１３０％ꎮ

闭式液压系统内由补油泵为系统低压侧补油ꎬ补充系统泄漏ꎬ保持系统低压侧压力恒定ꎬ其压力为补油压力ꎬ当卷扬二次起升需要下降时ꎬ卷扬启动由卷扬马达上的平衡阀来控制ꎬ此时平衡阀侧为系统低压侧ꎬ系统低压侧压力为平衡阀背压ｐ一旦平衡阀出口有背压ꎬ则将原有的设定值改

Ｄꎮ变ꎬ设定值将增加到:

Ｓ有背压的平衡阀先导开启压力为１＝Ｓ＋(１＋ｐＲ)×ｐＤｐ＝

ｐ×:

(２)Ｓ＋(１＋ｐＲ＋Ｒ)１

ｐＤ－ｌ

(３)

重载工况ꎮ负载等效压力为ｌ重载下降时ꎬ先导开启压力:

ꎬ当起升额定重

􀅰６８􀅰

ｐ重＝

Ｓ＋(１＋ｐＲ)×ｐＤ－ｌ重

ｐＲ＋１

机床与液压第４６卷

先导开启压力:

Ｓ＋(１＋ｐＲ)×ｐＤ－ｌ轻

ｐ轻＝

ｐＲ＋１

根据以上计算:ｐ轻>ｐ重外控油源压力:ｐ外≥ｐ轻

轻载工况ꎮ负载等效压力为ｌ轻ꎬ当轻载下降时ꎬ

(５)

(４)

停止平稳无冲击良好性能ꎻ利用平衡阀负载安全特性避免液压系统驱动管路一旦爆裂或发动机一旦出现飞车故障负载失速坠落发生ꎻ通过外控油源加入平衡阀先导控制解决平衡阀在闭式液压系统中发热的难题ꎮ

以上分析了目前起升卷扬开式液压系统和闭式液压系统的控制技术及特点ꎬ设计出一套全新起升卷扬闭式液压系统控制技术用于要求极其严格的风电吊装ＱＬＹ系列轮式起重机上ꎬ其优异的使用性能得到用以上计算ꎬ在外控油源压力作用下保证了起升卷扬马达上的平衡阀完全开启ꎬ使起升卷扬闭式液压系统驱动油源通过平衡阀畅通无节流ꎬ平衡阀在系统中不产生热量ꎬ解决平衡阀在闭式液压系统中发热的难题３􀆰３　ꎮ

如图安全可靠性分析

２所示:在闭式液压系统中马达４一端设置

平衡阀３ꎬ当起升卷扬重载下降过程中如闭式驱动管路发生意外破裂ꎬ马达４上转速传感器６检测并反馈到微电控制器ꎮ控制上设置有最高转速ꎬ马达４一旦达到设置转速ꎬ转速传感器６反馈到控制器ꎬ使控制阀组９动作ꎬ切断外控平衡阀３先导油源ꎬ使平衡阀３关闭ꎬ负载保持ꎬ随即制动器５关闭ꎬ闭式变量泵１输出停止ꎮ由平衡阀３负载安全特性解决了起升卷扬闭式系统常规控制技术中不易解决的安全隐患ꎮ

起升卷扬闭式液压系统在负载下降时ꎬ负载拖着１马达处于马达工况４旋转ꎬ使马达ꎬ使发动机成为吸收负功率装置４处于泵的工况ꎬ而闭式变量泵旦发动机本身吸收负功率能力不能平衡载荷时ꎬꎮ使发一动机转速加快ꎬ转速传感器实时检测发动机转速ꎬ当转速达到发动机设置最高转速ꎬ立即反馈到微电控制器ꎬ使控制阀组９动作ꎬ切断外控平衡阀３先导油源ꎬ使平衡阀３变为内控随之关闭ꎬ由平衡阀３承受原发动机承受的功率ꎬ起到保护发动机和负载保持作用ꎬ随即制动器５关闭ꎬ避免了发动机可能飞车失速故障发生ꎮ

起升卷扬闭式液压系统新型控制技术除了具有目前国内外起重机起升卷扬闭式液压系统所具有的性能外ꎬ还多二道安全保护功能ꎬ使起升卷扬性能更安全ꎮ

４　结束语

在起升卷扬闭式液压系统控制中设置一平衡阀ꎬ利用平衡阀负载保持和负载控制特性解决闭式液压驱动起升卷扬控制难题ꎬ确保起升卷扬启动时不溜钩、

户的一致认可ꎮ

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(责任编辑:张艳君)