伸縮臂履帶起重機(jī)操控性提升研究

彭繼文，權(quán)哲奎，葉俊峰，董照祥，魏玉蘭

（1.浙江三一裝備有限公司，浙江 湖州 313000；2.湖州師范學(xué)院工學(xué)院，浙江 湖州 313000）

1 引言

履帶起重機(jī)是一種由底座、轉(zhuǎn)臺(tái)、臂架、履帶以及發(fā)動(dòng)機(jī)等組成的起重機(jī)械。履帶起重機(jī)可以用于多種場(chǎng)合，例如物料的起吊，裝卸和安裝等作業(yè)。我國(guó)的機(jī)械行業(yè)自新中國(guó)成立以來(lái)高速發(fā)展了幾十年，如今已步入了發(fā)展平穩(wěn)期。以履帶起重機(jī)為例，國(guó)內(nèi)外誕生了許多知名品牌，如國(guó)內(nèi)的三一、徐工和中聯(lián)，國(guó)外的利勃海爾、格魯夫等。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)很激烈，行業(yè)需求和市場(chǎng)空間有限，企業(yè)提高市場(chǎng)份額，提高競(jìng)爭(zhēng)力的唯一方法就是提高產(chǎn)品的質(zhì)量，全面提升產(chǎn)品性能[1]。

伴隨著工程應(yīng)用的普及和使用經(jīng)驗(yàn)的積累，消費(fèi)者在購(gòu)買(mǎi)起重機(jī)時(shí)不僅僅關(guān)注“拆、裝、運(yùn)、吊”等關(guān)鍵指標(biāo)，還會(huì)關(guān)注如快速響應(yīng)、平穩(wěn)啟停、毫米級(jí)微動(dòng)、動(dòng)力流暢等滿(mǎn)足特定工況的操作需求。與國(guó)際知名品牌的起重機(jī)相比，我國(guó)的起重機(jī)在關(guān)鍵指標(biāo)上的差距日益縮小，但對(duì)于“快、暢、穩(wěn)、準(zhǔn)”等細(xì)節(jié)指標(biāo)仍處于認(rèn)知階段，需要長(zhǎng)期的積累和改善。

本文基于三一206A 型伸縮臂履帶起重機(jī)，著眼于操控方面的細(xì)節(jié)指標(biāo)，采用精益的電液匹配方法，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)良匹配，全面提升履帶起重機(jī)的操控性能，實(shí)現(xiàn)了履帶起重機(jī)在“快、準(zhǔn)、穩(wěn)、暢”4 個(gè)指標(biāo)上的操作需求。

2 操控性提升

根據(jù)主機(jī)特點(diǎn)與操作要求，確認(rèn)操作性模型，進(jìn)行整機(jī)硬件測(cè)試。

2.1 整機(jī)硬件測(cè)試，建立關(guān)聯(lián)影響

本文對(duì)元件特性進(jìn)行測(cè)試的方法是：結(jié)合整機(jī)的主要元件、發(fā)動(dòng)機(jī)、主泵、主閥、制動(dòng)器控制閥組、馬達(dá)等元件特性測(cè)試得出的結(jié)果，制定控制方案，保證操控性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)整機(jī)的主泵變量上、下階躍響應(yīng)，主閥啟動(dòng)電流、流量關(guān)系，制動(dòng)器開(kāi)啟、關(guān)閉響應(yīng)，壓力管路長(zhǎng)短響應(yīng)等多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了測(cè)試，由于篇幅有限，本文僅對(duì)幾個(gè)重要項(xiàng)目的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，其他項(xiàng)目不做贅述。

2.1.1 主泵變量上、下階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)及分析

首先將主泵全開(kāi)，馬達(dá)開(kāi)到最大排量，卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行空載，然后在提升過(guò)程中拔、插主泵變量電控插頭。測(cè)得主泵從小排量階躍到大排量階躍用時(shí)388ms，從大排量階躍到小排量階躍用時(shí)233ms。理論加速響應(yīng)時(shí)間大于388ms，減速響應(yīng)時(shí)間大于233ms。主泵小排量至大排量階躍壓力曲線(xiàn)如圖1 所示。主泵大排量至小排量階躍壓力曲線(xiàn)如圖2 所示。

圖1 主泵小排量至大排量階躍壓力曲線(xiàn)

圖2 主泵大排量至小排量階躍壓力曲線(xiàn)

2.1.2 馬達(dá)變量上、下階躍響應(yīng)

首先使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入怠速狀態(tài)，主提升卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)入空載提升狀態(tài)。測(cè)得馬達(dá)的排量從小到大的變量時(shí)間為6.1s，再進(jìn)行馬達(dá)排量從大到小的計(jì)時(shí)，測(cè)得變量時(shí)間為2.5s。在卷?yè)P(yáng)機(jī)空載提升過(guò)程中，還可以對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行分析。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。（曲線(xiàn)Ⅰ為提升口壓力，曲線(xiàn)Ⅱ?yàn)橹苿?dòng)口壓力，曲線(xiàn)Ⅲ降口壓力）。

圖3 馬達(dá)變量階躍壓力曲線(xiàn)

2.1.3 壓力數(shù)據(jù)傳遞、控制響應(yīng)時(shí)間分析

主提升馬達(dá)下降口傳感器壓力達(dá)到80bar（曲線(xiàn)Ⅰ），制動(dòng)器開(kāi)啟（曲線(xiàn)Ⅱ），測(cè)得控制響應(yīng)時(shí)間為88ms（包含制動(dòng)器開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間）。圖4 為程序控制響應(yīng)時(shí)間的波形圖。

圖4 控制響應(yīng)壓力曲線(xiàn)

2.2 回轉(zhuǎn)加速?zèng)_擊控制

起重機(jī)在回轉(zhuǎn)過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)二次加速、推背感、頓挫感、停止沖擊、發(fā)動(dòng)機(jī)轟鳴、速度不受控制等問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響吊裝精度[2]。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提供了一種優(yōu)化回轉(zhuǎn)閥芯與修改回轉(zhuǎn)控制策略，該策略對(duì)回轉(zhuǎn)閥芯節(jié)流槽通流面積進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)三維閥桿重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)該方法減緩了回轉(zhuǎn)的啟停沖擊，提高了回轉(zhuǎn)微動(dòng)性和回轉(zhuǎn)精度。

2.3 坡道啟停防溜控制

履帶起重機(jī)一般都是野外作業(yè)，作業(yè)環(huán)境惡劣，其中坡道的啟停很重要。當(dāng)起重機(jī)處于坡道上且重載長(zhǎng)臂架工況時(shí)，打開(kāi)制動(dòng)器的瞬間，上車(chē)被坡道阻力拉住向下運(yùn)動(dòng)，有翻車(chē)風(fēng)險(xiǎn)[3]。當(dāng)小開(kāi)度上坡回轉(zhuǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)壓力不足以克服坡道阻力，機(jī)器會(huì)向反方向運(yùn)動(dòng)。通過(guò)在回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中增加回轉(zhuǎn)角度檢測(cè)裝置和更改自由滑輪開(kāi)啟的判定條件可以實(shí)現(xiàn)坡道啟停的防溜控制。具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。自由滑輪開(kāi)啟的判定條件如下。

圖5 控制方案改進(jìn)對(duì)比圖

1）β=β+x，x>m°，且Pa>ybar 時(shí)，控制閥得電。

2）β=β-x，x>m°，且Pa>ybar 時(shí)，控制閥得電。

3）Pa

其中β為回轉(zhuǎn)角度；x為坡道角度；Pa為A口的壓強(qiáng)；Pb為B 口的壓強(qiáng)。

2.4 輕重載防抖控制

機(jī)器作業(yè)時(shí)，使用副鉤小開(kāi)度單倍率提升重載，逐漸加大主鉤手柄壓力，主副鉤均會(huì)發(fā)生抖動(dòng)。通過(guò)引入輕重載防抖控制可以有效地降低抖動(dòng)。輕重載防抖控制思路可以分為兩步：①增加電比例減壓閥、串接入手柄伺服壓力管路；②計(jì)算復(fù)合動(dòng)作流量需求，限制比例閥電流。通過(guò)以上兩步可以實(shí)現(xiàn)對(duì)較大壓力手柄限制的目的。

3 運(yùn)用技術(shù)分析

本文在對(duì)履帶起重機(jī)的操控性提升過(guò)程中運(yùn)用了許多技術(shù)，其中包括了精益電液匹配技術(shù)、卷?yè)P(yáng)運(yùn)載參數(shù)異常識(shí)別技術(shù)。通過(guò)以上技術(shù)雖然不能提升起重機(jī)的工作性能，但是可以對(duì)起重機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。進(jìn)而提升起重機(jī)的操控性能。

3.1 精益電液匹配方法

起重機(jī)的電液系統(tǒng)的快速響應(yīng)需要快速越過(guò)元器件的工作死區(qū)，同時(shí)精確微動(dòng)有需要運(yùn)用好元器件的工作起點(diǎn)。以上兩部分可以看作是相互制約的。因此，要實(shí)現(xiàn)精益的電液匹配，首先需要保證元器件特性的重復(fù)性，其次要進(jìn)行的是元器件的初始工作點(diǎn)識(shí)別，并設(shè)置控制參數(shù)微調(diào)界面。實(shí)際操作步驟如下：先找到泵、閥控制基準(zhǔn)，然后將操作指令快速傳達(dá)給電液系統(tǒng)最后實(shí)現(xiàn)泵、閥、制動(dòng)器的銜接。

3.2 卷?yè)P(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)異常識(shí)別技術(shù)

履帶起重機(jī)在起吊過(guò)程中，保證卷?yè)P(yáng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)正常是安全作業(yè)的前提。卷?yè)P(yáng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常可以通過(guò)卷?yè)P(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)體現(xiàn)出來(lái)。卷?yè)P(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)異常會(huì)導(dǎo)致起吊不平穩(wěn)，物料可能會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致翻車(chē)事故。為了避免事故發(fā)生，引進(jìn)了一種卷?yè)P(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)異常識(shí)別技術(shù)來(lái)對(duì)卷?yè)P(yáng)機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)控。該技術(shù)通過(guò)比較伺服壓力降低，補(bǔ)油壓力降低，馬達(dá)轉(zhuǎn)速與供給流量的匹配關(guān)系來(lái)評(píng)判卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)是否處于正常狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)整機(jī)進(jìn)行了硬件測(cè)試，其次針對(duì)回轉(zhuǎn)啟停沖擊、坡道啟停溜車(chē)和復(fù)合動(dòng)作輕重載抖動(dòng)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了回轉(zhuǎn)啟停沖擊控制、坡道啟停防溜控制和輕重載防抖控制方法，最后提出了精益電液匹配方法和卷?yè)P(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)異常識(shí)別技術(shù)，全面提升了履帶起重機(jī)的操控性能，改善了履帶起重機(jī)“快、準(zhǔn)、穩(wěn)、暢”4 個(gè)維度的操作需求。