鲍永龙 丁佳泉
中国能源建设集团湖南火电建设有限公司 湖南 长沙 410000
摘要：当前，大型履带起重机在提升起重性能时普遍采用超起作业工况，即利用履带起重机超起桅杆，通过拉板挂载超起平衡重以增加平衡载荷提升起重性能，同时通过超起变幅机构改变超起平衡重距回转中心的相对位置平衡起重力矩。作业过程中，如果超起变幅机构功能失效，轻者会造成超起变幅液压缸损坏，重者则可能导致起重机在作业时倾覆。本文针对超起变幅液压缸缸筒爆裂问题展开分析，基于本质安全理念研究提高超起变幅机构可靠性的措施。
关键词：履带起重机;液压缸;改进措施;
引言
液压系统具有诸多优点：体积小、重量轻、易于集成；刚度大、比功率大、适合低速重载驱动；精度高、响应快、调速范围宽，速度控制方式多样，易于实现自动控制；自润滑、自冷却和长寿命；过载保护，易于实现安全保护。但也有难以克服的一些缺点：如抗工作液污染能力差、泄漏、制造要求高、成本高等等。
1超起变幅液压缸爆裂原因调查分析
液压缸上装有分别限制两腔压力的双向平衡阀，安全溢流压力均为35MPa。系统换向阀前设置有主安全溢流阀，设定压力为26MPa。液压泵采用带压力切断功能的恒压变量泵，系统最大供油压力为28MPa。为防止两个液压缸发生单侧偏载，分别将液压缸无杆腔与有杆腔连通，此外，为防止连接管路发生爆管，在两个液压缸油口连接处均设置了管路防爆阀。根据控制原理，若系统主安全溢流阀失效（超过26MPa）、恒压变量泵压力切断失效（超过28MPa），假设以上系统与泵的两级安全保护均失效，超起变幅液压缸自身也仍有双向平衡阀的安全保护（压力35MPa），可见超起变幅液压缸的系统控制原理是基本完善的。超起变幅液压缸缸体材质45钢，液压缸腔体最大极限压力35MPa，根据《机械设计手册》中缸筒壁厚计算公式]，对极限压力下的液压缸壁厚进行核算。计算结果可见，正常静载荷工况下，缸筒材料许用压力计算选用3倍安全系数，按照中等壁厚公式计算缸筒壁厚最小值为22mm，核算结果表明正常工况下，当前设计使用24.5mm壁厚，不存在缸筒爆裂风险。但是，操作过程中可能存在不规范操作进而引起交变载荷，为此，按照缸筒材料许用压力采用5倍安全系数进行计算。计算结果表明，若因不规范操作而引起剧烈的交变载荷时，假设主溢流阀失效（超过26MPa）、泵压力切断阀失效（超过28MPa），且两级保护同时失效，液压缸有杆腔在平衡阀上的安全溢流阀（压力35MPa）保护时，45钢材质的液压缸壁厚25.5mm，偏小。对液压缸材质进行过程检验文件追溯并对爆裂液压缸筒取样检验，其室温下纵向拉伸屈服强度为366～368MPa，抗拉强度为659～670MPa，断后伸长率为22.0%～23.0%，缸筒材质力学性能符合45钢热轧无缝钢管标准要求的性能。对该液压缸缸筒切割样料进行化学元素成分分析。
2基于本质安全的改进措施
2.1主起升机构系统组成与工作原理
主起升机构由4台电机组成，每台电机由一台升降发动机、一台泵、两台分别由泵控制的可变发动机和两台导致重量增加的平行可变发动机组成。单个起重机械的液压泵和可变电机都是双向的，通过前后运动，允许进行起吊和起吊反应。两个可变电动机通过回路连接到可变泵，以便通过泵的供电实现电动机同步。泵连接到发动机末端，形成闭环。由于零部件短缺和管线中油的运动导致油温升高而造成的压降和流量损失，应通过补充系统加以补充和冷却。
2.2改进管路连接快插结构，提升连接可靠性
常用快插有钢珠定位快插与螺纹连接快插两种，钢珠定位快插因钢珠结合面凹槽长期使用后容易发生连接过程中脱落现象，螺纹连接快插因为现场装配环境不清洁，往往拧紧不到位，操作者误以为连接到位，但快插内单向阀未完全顶开造成憋压。针对两种常见快插存在的问题，对快插接头进行改进，采用带定位别针的快插接头，防止连接不到位以及使用中脱落，通过操作中别针的安装既可确认快插拧紧到位，又可确保连接后不再脱落。
2.3异常情况下平衡阀的作用
当液压缸上设置了刚性连接的平衡阀时，平衡阀和液压缸之间的连接是可靠的。当液压缸不带杆进入油中时，平衡阀在单向阀中处于活动状态，当液压缸与控制器之间的液压软管破裂时，手柄返回零点位置时，活塞切线的正常延伸不受影响，阀门关闭，载荷保持不变；如果液压软管在液压缸的型腔和控制器之间断开，平衡阀会快速从导向状态切换到最终状态，在这种情况下，截止阀会关闭，切断没有杆的路径，负载保持静止，并起到安全作用。当液压缸带杆保持架运转时，平衡阀处于平衡速度运行模式，当液压缸在腔与控制器之间的液压软管上有裂纹时，液压缸的内压不再存在，平衡阀快速切换到单侧阀运行，在这种情况下，阀门关闭，杆闭合，载荷保持静态，有利于安全；如果液压软管在液压缸的型腔和控制器之间断开，当操作手柄恢复为零、液压缸内部压力消失、阀门关闭且载荷保持不变时，不会影响活塞切线的正常收缩。上述安全方面在平衡阀和执行器的固定连接下实施。如果平衡阀和执行器之间没有刚性连接(例如b .在液压软管连接中，连接可靠性较低，风险较大。平衡阀与驱动之间的连接距离也应最小化，以提高连接可靠性，使平衡阀通常直接固定在液压缸或液压马达上，而不与控制器的其他部件集成。通常，平衡阀处于单边阀操作或平衡速度操作中。单边阀中的导通；回流；在平衡速度运行模式下，向前运动，向后计划。在特殊情况下，尤其是液压软管意外断开时，由于平衡阀和驱动装置刚性连接，平衡阀保持运行状态，并保持电流分量的压力，以保持负载不变，防止因跌落或超频而承受负载。
2.4提升液压缸缸筒材质性能
不改变液压缸外形结构前提下，液压缸缸筒材料改用力学性能更高的27SiMn合金钢，其抗拉强度高达980MPa，并进行调质热处理增加材料韧性，提升材料的综合抗冲击能力。计算在35MPa极限腔压下的安全系数，壁厚安全系数高达4.87，已接近交变载荷安全系数5，较原45钢热轧材料有明显提高。
2.5增加独立的安全溢流回油油路保护液压缸有杆腔
为解决液压缸有杆腔回油快插接头人为操作时未连接而导致的液压缸憋压问题，在液压缸有杆腔回路上增加安全溢流阀，为油壶设置通气孔.
结束语
本文就大型履带起重机超起变幅液压缸的缸筒爆裂问题，分别从从液压控制原理、缸筒壁厚校核、液压缸材质及安装操作流程等方面分析查找了液压缸爆裂的原因，并基于本质安全的理念，提出了改进措施。通过实施基于本质安全思想的改进措施，基本消除了因人为误操作或者设备管理不良引起的快插脱落而导致超起变幅液压缸爆缸的风险，提高了大型履带起重机的作业可靠性。
参考文献
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