起重機液壓變幅機構(gòu)抖動現(xiàn)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）

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起重機液壓變幅機構(gòu)抖動現(xiàn)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(gòu)工作時抖動故障，依據(jù)其液壓變幅機構(gòu)調(diào)速原理，從控制系統(tǒng)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(wěn)定性的影響；通過修改液壓系統(tǒng)的相關(guān)控制參數(shù)，仿真得到了吊臂變幅抖動波形對比結(jié)果，并解決了其抖動問題。

關(guān)鍵詞：工程機械；汽車起重機；液壓變幅；抖動；仿真分析

1　系統(tǒng)概述

相比卷筒鋼絲繩變幅機構(gòu)，液壓變幅機構(gòu)因為省去減速箱卷筒機構(gòu)，其空間緊湊，重量功率比小，調(diào)速簡單、可靠，在各類變幅機構(gòu)中應(yīng)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(jié)構(gòu)形式。由液壓油缸作為變幅吊臂的支撐構(gòu)件，可更好地防止沖擊和過載，自適應(yīng)正向和負(fù)向負(fù)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(jù)具體結(jié)構(gòu)和工況的不同要求，各種起重機的液壓變幅機構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)復(fù)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(xù)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(yīng)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(gòu)，液壓系統(tǒng)設(shè)計更簡單，更容易完成一些速度變化的控制，動態(tài)性能更優(yōu)異。

某公司研發(fā)的汽車起重機，使用單根液壓油缸支撐臂架結(jié)構(gòu)，額定載荷為63 t，在臂架變幅的過程中，變幅機構(gòu)可實現(xiàn)不同的速度動作，速度在最高和最低之間無極調(diào)速。液壓系統(tǒng)采用負(fù)載敏感泵提供油源，比例閥閥控油缸采用開式系統(tǒng)設(shè)計，液壓原理如圖1所示。

變幅系統(tǒng)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(yīng)的專用控制器控制。該控制器有8個通道，可同時驅(qū)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(huán)回路，進行各機構(gòu)復(fù)合動作的控制。控制器通過USB數(shù)據(jù)線與調(diào)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(yīng)參數(shù)，以改變比例閥的相關(guān)性能。通過在線監(jiān)測比例閥的實際輸出及機構(gòu)偏差等指標(biāo)，控制界面如圖2所示。

圖1　某汽車起重機變幅機構(gòu)的液壓原理示意圖

2　問題描述

在該機型的調(diào)試和使用過程中，發(fā)現(xiàn)吊臂在做變幅動作時整機存在較大的抖動現(xiàn)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(xù)振蕩，無法穩(wěn)定下來。

吊臂俯仰的抖動影響了整機的穩(wěn)定性，使其不能進行精準(zhǔn)的吊裝作業(yè)，特別是在負(fù)重作業(yè)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(chǎn)進程已進入后期階段，主機結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)都已完成，解決辦法需遵循以下原則：不對液壓系統(tǒng)硬件或整機機構(gòu)進行大的改動，只能進行硬件的微調(diào)或控制軟件的優(yōu)化。

從上述三因素可能的原因入手逐一分析，并采取相應(yīng)解決措施。

圖2　某汽車起重機變幅系統(tǒng)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(tǒng)的流量供給無法滿足變幅油缸高速狀態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(dǎo)口的導(dǎo)壓比為1∶3，雖然已在液控口設(shè)置了阻尼，但仍然讓平衡閥開啟和閉合的速度太快，導(dǎo)致初始沖擊。更換導(dǎo)壓比為1∶5的平衡閥和平衡閥液控口處的阻尼，從原來設(shè)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(guān)閉的時間，讓油缸啟動和停止的動作趨于柔和。更換新的導(dǎo)壓比平衡閥和小的阻尼后，恢復(fù)液壓系統(tǒng)，繼續(xù)測試，發(fā)現(xiàn)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(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生較大的油液沖擊，導(dǎo)致吊臂機構(gòu)產(chǎn)生抖動。因為變幅機構(gòu)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(xù)性抖動。這種因為速度變化帶來的液壓沖擊與比例閥動態(tài)特性有較大的相關(guān)性，而與比例閥動態(tài)特性相關(guān)的參數(shù)是控制器輸出信號的斜坡、加速度等。較大的加速度設(shè)定，可提高系統(tǒng)的響應(yīng)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(diào)試PC對比例閥專用控制器的參數(shù)進行修改，減小比例閥開啟和停止時的加、減速度。在原始設(shè)計中，加、減速度都設(shè)定為30 mm/s2，通過反復(fù)修改和測試，最終設(shè)置為12 mm/s2（如圖4、圖5所示）。

較小的加減速改善了抖動現(xiàn)象，卻帶來另一個問題，因為除了降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度外，還會拉長吊臂變幅全程的時間，相當(dāng)于降低了設(shè)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(shè)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(shè)計要求，保證了吊裝效率。

圖4　加、減速原始設(shè)定值

圖5　加、減速更新修改值

圖6　速度原始設(shè)定值

這些專用控制器的比例閥輸出參數(shù)設(shè)置，可平衡整機響應(yīng)時間和沖擊，滿足設(shè)計速度要求，平抑波動，達(dá)到工況使用要求。改進后吊臂變幅抖動波形如圖8所示。

圖7　速度更新修改值

圖8　改進后吊臂變幅抖動波形

4　結(jié)語

該汽車起重機液壓變幅機構(gòu)工作時的抖動主要是由速度變化引起的液壓沖擊造成的，通過修改控制器中的加、減速度等參數(shù)該故障得以解決。這也證明一個好的液壓系統(tǒng)、電液控制相結(jié)合的重要性，液壓件不變，通過合理的電控參數(shù)修改，可起到事倍功半的效果。該方法具有一定的通用性，可為不同型號起重機變幅機構(gòu)設(shè)計提供參考。

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中圖分類號：U415.5

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0140-03

收稿日期：2016-01-20