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履带起重机卷扬失速问题及预防性技术措施研究

发表时间：2021/5/10 来源：《建筑科技》2021年2月下作者：隋仕涛孙亮

[导读] 卷扬失速是履带起重机应用中典型的一种功能失效表现，容易发生在手柄操作机构动作启动或停止瞬间，操作者如果经验不足，对失速现象反应慢，往往处置不当，造成严重后果。文章重点就履带起重机卷扬失速问题及预防性技术措施进行研究分析，以供参考。

山东济南市特种设备检验研究院隋仕涛孙亮 250000

摘要：卷扬失速是履带起重机应用中典型的一种功能失效表现，容易发生在手柄操作机构动作启动或停止瞬间，操作者如果经验不足，对失速现象反应慢，往往处置不当，造成严重后果。文章重点就履带起重机卷扬失速问题及预防性技术措施进行研究分析，以供参考。
关键字：履带起重机；卷扬失速；问题；预防性措施
        引言
        随着我国经济的快速发展，科学技术的进步，我国工业自动化控制技术也逐渐成熟。施工机械化程度也随之越来越高，履带式起重机的应用范围也越来越广，同时由于安装工程量越来越大，对大吨位和超大吨位履带式起重机的需求量也在不断增加，对起重作业性能要求也在不断提升。为了提高大吨位和超大吨位履带起重机吊钩起升速度和起吊重量，在施工应用中一般采取以下三种措施，即卷扬起升机构采用多卷扬多吊具或多卷扬单吊具、改变吊钩滑轮组的倍率以及更换吊钩。其中多卷扬单吊具即在1台履带起重机上有多套卷扬系统同步工作提放同一重物，提高了起重机吊载作业效率和起重量，其特点是起重量大、结构紧凑、造价低廉。
        1多卷扬同步控制技术
        多卷扬同步控制驱动方式是履带起重机同步提放的关键技术，为了保证多个卷扬的钢丝绳在吊钩运动过程自动同步，通常采用检测各个卷扬的收放速度的方式来驱动控制同步动作。大吨位和超大吨位履带起重机常用的多卷扬单吊具结构，以4个卷扬为例。因钢丝绳与滑轮间的打滑现象、钢丝绳缠绕层数难以监测，导致卷扬速度和提升重物的钢丝绳端速度不一致，对同步驱动控制精度产生较大误差，容易造成多个卷扬在同等时间内的出绳量或收绳量不相等，这样会导致吊钩滑轮组偏斜。如果偏斜角度过大，长时间工作会损坏滑轮组或磨损钢丝绳。滑轮组偏斜工作致使多个卷扬的负荷不均匀，在满载起吊载荷时，其中一个卷扬会工作在超载状态，有可能导致安全事故的发生。多个卷扬机构通过单吊具共同提升或下放载荷。在作业时由于液压传动的差异和钢丝绳缠绕误差等因素，为了避免上述问题，系统运行时必须保证多卷扬的出绳量或收绳量相等。在正常运转时，必须保证多卷扬的速度一致、运行同步。当系统误差导致吊钩倾斜时，应通过调节单个卷扬的速度，使吊钩再次达到水平状态。通过分析研究履带起重机多卷扬的同步运行和同步控制技术，可以总结出履带起重机多卷扬同步控制技术的关键点如下：一是检测双卷扬出绳量或收绳量；二是调节控制卷扬出绳量或收绳量偏差。
        2履带起重机卷扬失速问题机理分析
        履带起重机卷扬执行机构如图1所示，由液压柱塞马达驱动，通过减速器实现减速增扭，减速器壳体带动卷筒旋转完成机构的运动控制，卷筒带动钢丝绳收放实现吊载起落以及臂架角度控制。液压马达工作时，缸体与柱塞形成了容腔可变的旋转结构组件，缸体正向或反向旋转时，柱塞与缸体之间呈往、复循环式的活塞运动，单个柱塞与缸体内孔配合所形成的容腔，发生周期性变化。当吊载起升或者臂架起臂时，油液进入马达起升腔，受负载大小形成相应的压力，推动柱塞向容腔增大的位置滑动，直至柱塞容腔旋转至下降腔位置时将油液排出。常见的履带起重机用柱塞马达通常有7件或9件柱塞，在其共同作用下，形成了连续的缸体与柱塞的同步旋转，带动马达中央轴旋转，并带动减速器与卷筒的旋转。当吊载下降或者落臂时，减速器反向拖动马达中央轴旋转，柱塞与缸体旋转至下降腔对应的位置，缸体从低压补油腔吸油，并运动至起升腔，将柱塞内油液从起升腔排出。起升腔出口通常设置平衡阀形成抗衡力，防止在吊载下降与落臂过程中发生失速。在中重载卷扬的下落工况下，随着载荷的增大，液压马达逐渐切换为液压泵的工作状态，其下降腔吸油口压力低，起升腔排油口压力高。由以上液压马达工作原理可见，马达旋转运动要形成起升动作的输出转矩或者要形成下降运动控制时的抗衡力，其前提条件是马达柱塞与缸体的容腔内需要充满液压油，容腔内不能出现油液的吸空现象。

图1履带起重机液压驱动卷扬机构简图
        3履带起重机卷扬失速问题的预防性技术措施
        措施一：为防止在发动机怠速时以及初始操作时系统流量过小而发生下滑，电比例正控开式泵最小排量应不设为零排量。通常对于泵排量范围107-210mL/r、马达排量范围80-250mL/r的卷扬系统，泵最小排量初始值宜设置在15-30mL/r范围内，保证马达初始流量快速升至能使其平稳旋转的最小工作流量，既保证微控性又能预防系统失速。
        措施二：对于中小型履带起重机，对卷扬控制换向阀设置分流阀，当卷扬控制换向阀主阀芯未动作前，系统由于泵设置最小排量形成了约20-40L/min稳定恒流量，通过该分流阀回油箱，回油箱前由于在换向阀回油口设置了0.35MPa的回油背压阀，背压回油油液通过卷扬控制换向阀中在起升油口与下降油口设置的带补油功能的二次溢流阀，上行进入马达柱塞腔体，形成换向启动前对管路以及容腔内的持续冲洗。该过程可将泵至马达管路内的空气逐渐排出，并通过马达正常的泄漏，将马达容腔内气体排出，并对马达内部各润滑摩擦副冲洗，形成一定强度的配合间隙油膜，实现良好的润滑。
        措施三：对于中大型履带起重机，因卷扬减速器及马达安装于臂架上，位置比油箱高，且卷扬控制换向阀至卷扬马达管路太长，仅通过换向阀内设置0.35MPa的背压单向阀产生的系统上行自补油效果较差，因此可设置独立的补油回路。通过在中大型履带起重机液压系统中的辅助泵、风扇泵等辅助回路回油处增加0.5MPa压力的背压阀，并设置专门的补油管路直接对马达下降口进行补油，且马达下降口设置的补油止回单向阀开启压力不宜过高；为减轻卷扬下落及臂架变幅落时的失速危害，独立补油回路的补油流量应根据系统能力尽量增大。
        措施四：对于中大型履带起重机，由于卷扬减速器马达安装在臂架上，高于液压油箱，且马达位置会随臂架运动发生变化。马达长时间不旋转时，马达壳体内油液回流至油箱时，空气易进入马达腔体。为防止卷扬马达壳体中油液回流至油箱，马达内轴承、缸体与柱塞、缸体与配油盘、柱塞球铰处等摩擦副间启动前锈蚀、启动时润滑不良，导致损坏失速，在马达泄油口处增加了0.1MPa泄油背压阀，防止壳体内油液回流至油箱，保证高位布置的马达旋转副持久浸润在液压油腔内，同时防止其他原因导致的壳体压力过高，可在泄油回路设置0.8MPa的安全阀对马达轴封以及结构进行保护。
        措施五：对于大型履带起重机，电气化程度较高，普遍应用PLC控制系统，可分别对马达负载腔、下降补油腔增加压力传感器或压力开关，对马达两腔压力进行监测记忆，并根据监测值设计相关控制策略。对下降腔设置了0.3MPa的补油压力下限报警压力开关，在马达起升腔设置了负载压力监控压力传感器，对于大型起重吊装中，重物悬停后进行二次提升或下落前，可根据上次的压力记忆值，控制卷扬制动器开启时序，减少卷扬下滑量，预防失速。
        结束语
        综上所述，通过对卷扬减速机与马达运行的基本原理分析，阐述了卷扬失速发生时，系统出现马达吸空而造成失速的根本机理，提出了应对卷扬失速问题的综合性预防性技术措施，主要包括设定比例泵的最小起始排量、卷扬控制换向阀设计补油背压阀、增加马达下降口的低压独立补油回路、马达泄油回路增加泄油背压、马达起升下降腔增加压力监测控制等，从技术上进一步提升履带起重机操控的安全性。
参考文献：
[1]刘晓峰.覆带起重机起升系统双马达同步控制技术研究[D].吉林大学,2012.
[2]刘向超,孟进军,杨继海,刘丹丹.履带起重机双卷扬同步控制策略探讨[J].工程机械,2020,51(02):14-17+6.