1、轮式起重机伸缩臂液压 和电气控制系统设计 邹 勇 摘 要 起重臂是轮式起重机主要 的 受力构件 ,一般 设计 制作为 箱形结构 ,起重臂内装有伸缩缸或伸缩系统和伸缩用滑块 而具有伸缩功能 ， 它的设计 是否合理 直接影响着起重机的 整机自重 、 承载能力、整机稳定性 ,同时 决定 着 起重机的发展。起重 臂 伸缩控制技术取决于伸缩机构的结构形式 ,起重机的 单缸插销式伸缩机构采用单个油缸来推动各节臂的伸缩 ， 采用机电液相结合的综合控制 技术来实现单个伸缩油缸自动进行起重臂伸缩目标的控制。本 设计 主要研究内容如下： (1)通过 对 多种伸缩臂控制机理的优缺点 的 比较 ,选出一种代表先进研究
2、方向的伸缩臂控制机理 ,并对其进行详细分析研究与设计计算。 (2) 设计 伸缩臂动作的液压控制回路 ,并 对主要元件的主要参数进行设计计算 ,对系统一些主要静态指标进行计算。 (3)设计出 伸缩臂 电气控制系统的控制流程图 ,并用西门子编程软件编制出伸缩臂动作的自动和手动控制程序 ,并进行仿真验证 。 关键词：伸缩臂；单缸插销； 轮式 起重机；液压； 电气控制系统 2 轮式起重机是工程机械产品中重要组成部分，由于它的机动性好而被广泛应用于矿山、建筑、港口、油田等领域。轮式 起重机主要有 3 种基本类型 :汽车起重机、轮胎起重机、全路面起重机。 随着世界经济和吊装技术的发展，轮式起重机 在 国际
3、国内市场销量都在不断提高，可以说市场巨大。 第 1 章 多种伸缩臂控制机理 起重机伸缩控制技术取决于伸缩机构的结构形式，而伸缩机构的技术直接影响起重臂的自重、整机的性能，也是制约起重臂乃至起重机发展的关键技术。因而国外知名企业对伸缩机构的研究都很重视，都研制出了自己的专利技术。在轮式起重机各个部件中，吊臂是其中一个主要部件，其最大伸缩长度决定着起重机的最大工作幅度及最大起升高度。一般轮式起重机吊臂的伸 缩节数为 2 3 节，每节臂长度一般为 3m左右，这样其工作幅度大约在 12m 以下，但有时用户需要在更大的工作幅度或高度作业，为满足这种需求，吊臂必须采用多节伸缩。下面介绍几种典型的伸缩臂结构
4、和动作顺序，并对他们之间的优缺点进行比较，并选择其中的一种进行具体分析设计。 1.1 多 节 伸缩臂结构和控制原理 1.1.1 伸缩臂的总体结构 图 1.1 伸缩臂结构示意图 1.固定臂 2.一节伸缩臂 3.二节伸缩臂 4. 三节伸缩臂 5.四 节伸缩臂 6.顶节臂 7.伸缩油缸 五节伸缩 臂的结构如图 1.1 所示，伸缩油缸的组装示意图如图 1.2 所示。伸缩油缸放置在吊臂的内部，这使得吊臂外形简单，结构紧凑。一级缸的缸筒与二级缸的活塞杆铰接，二级缸的缸筒与三级缸的活塞杆铰接。伸缩缸上的 A, B, C, D 分别与固定臂、一节伸缩臂、二节伸缩臂、三节伸缩臂铰接，当一、二、三级伸缩缸按顺序伸
5、出时，带动一、二、三节伸缩臂按顺序依次伸出。四节伸缩臂及顶节臂是靠钢丝绳带动与三节伸缩臂同步伸缩的。油缸缩回时顺序则相反，三节伸缩臂在油缸的带动下首先回缩，四节伸缩臂及顶节臂在钢丝 绳的带动下同步缩回。然后，二节伸缩臂 、一节伸缩臂在油缸带动下依次 缩回。可见吊臂的伸缩基本上为顺序伸缩，即伸出时截面大的臂先伸，回缩时截面小的臂先回，这样有利于使伸出后吊机的起升载荷与起重特性相适应。 3 图 1.2 油缸组装示意图 1.一级伸缩缸 2.二级伸缩缸 3.三级伸缩缸 1.1.2 油缸顺序伸缩的原理 图 1.3 油缸顺序伸缩液压原理图 1.手动换向阀 2.平衡阀 3.固定套 4.中心套 5， 7， 9
6、， 10 单向阀 6.固定套 8.撞块 如图 1.3 所示，手动换向阀手把向前推 ，一级伸缩缸 Al 口进油，经过中心管、单向阀 5进入一级伸缩缸的活塞腔，由于一级伸缩缸的活塞杆与固定臂相连是固定的，在压力油的作用下一级伸缩缸的缸筒外伸，活塞杆腔回油经过 B1 口回到多路换向阀，此时中心管跟随缸筒一起外伸，外伸到一定长度后，当中心管左端的固定套与活塞碰上时，中心管被迫停止，如缸筒继续伸，则中心管右端的固定套将单向阀 7 打开，并使缸筒也停止运动。此时高压油通过单向阀 7、油管到达二级伸缩缸的 A2 口，并通过中心管进入到二级伸缩缸的缸底。这时一4 级缸已停止运动，由于二级伸缩缸的活塞杆与一级伸
7、缩缸的缸筒相连接， 因此二级伸缩缸的活塞杆是不动的。这样在压力油的作用下二级伸缩缸的缸筒外伸，回油经 B2, Bl 回到换向阀。与一级伸缩缸同样的原理，二级伸缩缸伸到一定程度，打开单向阀 4，并停止运动。高压油继而进入三级伸缩缸的 A3 口到达缸底，三级伸缩缸外伸。这样一、二、三级伸缩缸依次外伸，就完成了顺序伸出。 手动换向阀手把向后拉，一级伸缩缸的 B1 口即活塞杆腔进油，由于 B2, B3 在结构上与BI 是相通的，因此二级缸和三级缸的活塞杆腔也同时有高压油。由于单向阀 5,9 是关闭的，一、二级缸的回油路不通。而单向阀 10, 7 是打开的，三级缸 活塞腔的油路可经过 A3、单向阀 10
8、 , A2 口、单向阀 7, A1 口回到换向阀。因此三级缸首先回缩。当三级缸缩到规定的长度，缸筒上的撞块撞击二级缸上的撞块及推杆将单向阀 9 打开，二级缸活塞腔的回油路接通，二级缸开始回缩。同样当二级缸缩到规定的长度将单向阀 S 打开，一级缸回油接通，开始回缩。这样三、二、一级缸依次缩回，完成了顺序回缩。 1.1.3 钢丝绳带动同步伸缩的原理 图 1.4 第四节和顶节伸缩臂外伸示意图 四节伸缩臂及顶节臂是靠钢丝绳带动伸缩的。如图 2.4 所示， 1 和为钢丝绳端部，固定在第二节伸 缩臂上， 2 和 2为导绳轮固定于第三节伸缩臂前端，导绳轮 3 固定于第四节伸缩臂上。当第三节伸缩臂在油缸带动下
9、外伸时，第二节伸缩臂是固定不动的 (即 1 和 1不动 )，这样固定在三节伸缩臂上的 2 , 2外伸，就带动 3 伸出，即第四节伸缩臂伸出。由图 2.4 还可计算出，如果 2, 2，伸出 L，则 3 伸出 2L，即 2 相对于 1 伸 L, 3 相对于 2 伸 L。这样第三节伸缩臂外伸时，第四节伸缩臂即以同样的速度伸出。同样的道理， 4 和 4固定在第三节伸缩臂上， 5 和 5为导绳轮固定于第四节伸缩臂上， 6 固定于顶节臂上。当第四节伸缩臂外伸时，第三节伸缩 臂相对是固定不动的，这样固定在四节伸缩臂上的 4、 4 外伸，带动 6 伸出，即顶节臂伸出。同样顶节臂与四节伸缩臂速度也是相同的。这样
10、，三、四节伸缩臂及顶节臂达到同步伸出。 5 图 1.5 伸缩臂缩回示意图 如图 1.5 所示 :a, a为钢丝绳端部，固定在第三节伸缩臂上 ;b ,b为导绳轮，固定在三级伸缩缸上 ;a、 c为导绳轮，固定在二级伸缩缸上 ;d 为导绳轮，固定在顶节臂上。三级伸缩臂在油缸带动下回缩时，由于 C . C与二级伸缩臂相连，此时固定不动，三级伸缩缸与三级伸缩臂相连即 a, a、 b, b一起回收，这样就带动 d 即顶节臂回收。由图 2.5 可计算出三节伸缩臂回缩 L，顶节臂回缩 3L。又由图 1.4 可知， 6 固定于顶节臂， 4 及 4固定于三节伸缩臂。当 4 及 4随三级伸缩臂缩 L, 6 缩 3L
11、 时，就可带动 5 及 5缩 2L.5 和 5固定于四节伸缩臂上，即第四节伸缩臂缩 2L。这样顶节臂回缩的同时就带动了四节伸缩臂同时回缩。上述过程是同时发生的，并且三节伸缩臂、四节伸缩臂及顶节臂是以相同的速度同时缩回。 1.1.4 总结评价 此种伸缩臂采用 5 节伸缩，伸缩臂节数多，工作幅度大。而且油缸采用内置，结构紧凑，且吊臂按 顺序伸缩。这种结构在设计工作幅度大的起重机吊臂时可以参考，并且其原理亦可以用于其它类似的伸缩机构。 1.2 单缸插销式伸缩臂的插、拔销轴机构布置 1.2.1 臂销的位置检测 图1.6缸销、臂销结构图 在6 每节起重臂尾端的上方有一个能够把臂与臂锁定在一起并可以上下方
12、向运动的销轴 (由于安装在起重臂上称为臂销 )，臂销的作用是实现臂与臂之间的锁定和解锁，臂销在弹簧力的作用下可以向上运动到另一节臂的臂孔中，这样臂与臂之间不能相互运动以达到刚性锁定的目地。当臂销受伸缩油缸上的臂销缸控制下的拔销机构作用时，臂销从 另一节臂的臂孔中缩回，并向下移动，臂与臂之间处于解锁状态就可以相互运动，达到解锁的目的，臂销的上端有受力后锁定结构，防止臂与臂脱落。臂销上下运动到终点位置后的位置检测由图 1.6 所示的接近开关完成，当臂销上移到终点位置后上侧接近开关发出电信号，这时臂与臂处于锁定状态，臂销缸下移到终点位置时下侧接近开关发出电信号，这时臂与臂处于解锁状态。 1.2.2
13、缸销的位置检测 在伸缩油缸缸头的两侧设有可以左右方向运动的销轴 (由于安装在伸缩油缸上称为缸销 )，缸销的作用是实现油缸与吊臂之间的锁定和解锁，缸销初始位置在弹簧力的作 用下可以左右方向运动并可以伸进吊臂后端两侧销孔中达到与臂刚性锁定的目标，这时油缸与吊臂锁定成为一体，缸销在缸销油缸的作用下缸销也可以从缸销孔中缩回，吊臂与伸缩油缸的刚性锁定解除。缸销伸缩的检测由伸缩油缸下方在左右缸销的两端安装的两个接近检测开关完成，左缸销外伸到终点时左侧伸接近开关发出电信号 (见图 1.6 )，右缸销外伸到终点时右侧伸接近开关发出电信号，当左、右两侧的接近开关都发出电信号时说明左右缸销都伸入进了吊臂上的缸销孔
14、，伸缩油缸与吊臂处于锁定状态。左缸销回收到终点位置后左侧缩接近开关发出电信号，右缸销回 收到终点位置后右侧缩接近开关发出电信号，当左、右两侧接近开关同时发出信号后说明缸销缸缩回出吊臂上的缸销孔，油缸与吊臂处于解锁状态。 1.2.3 起重臂臂位的检测 在二、三、四、五每一节吊臂后端的左或右侧都安装了接近开关检测板，在伸缩油缸缸头两侧的浮动尼龙块上共固定安装了四个接近开关，分别可以检测二、三、四、五四个臂尾位置的检测板。 1.2.4 缸销缸与臂销缸的液压控制 缸销缸与臂销缸运动方向的控制和压力的提供，用排量 20L 齿轮泵提供的 70bar 的恒定压力油源作为控制臂销缸和缸销运动的动力，方向的控制
15、由电磁换向阀 控制，压力油由伸缩油缸的中央芯管来传送，中央芯管既作为进油管又作为回油管使用，当芯管进油时臂销缸或缸销缸能够动作，当从芯管中回油时臂销缸或缸销缸复位，为了避免液压系统和管路带来的滞后现象芯管保证了一定的预压力。 1.3 单缸插销式伸缩臂自动伸缩控制过程 在作业前，操作者根据吊重作业的工况和起重机的起重性能表，通过显示器来选择起重臂的臂长组合。吊臂仰角为 50至 70左右，由于为了保证伸缩系统控制的可靠性和满足伸缩机构上的设计要求，各个缸销孔与缸销的间隙比较大，在吊臂仰角较小时由于磨擦力作用时，每一节臂的所 在位置都不能确定是不是处于全缩位置，这样伸缩油缸上的长度传感器检测出的长度
16、就不能准确代表伸缩臂上的臂销销轴所要动作的距离，容易造成误控制，导致控制上的失败。故进行自动伸缩时，起重臂应变幅到印角 50至 70左右。当选择自动控制伸7 缩系统来实现吊臂向外伸出时，当预设置确认后，控制器根据伸缩油缸上的长度传感器确认伸缩油缸缸头所在的位置，确定伸缩油缸是伸出或者缩回，油缸会根据设置依次伸出五、四、三、二节起重臂，回收时依次回收二、三、四、五节起重臂，从而完成预设的伸缩目标。 1.4 单缸插销式伸缩臂自动伸缩控制可靠 性保证和故障预防 单个伸缩油缸控制的多节臂自动伸缩系统是典型的机、电、液一体化系统，技术较为复杂，利用接近开关来检测目标并发出电信号，由控制器编程来集中控制，
17、状态的检测和传递对设计质量、制造质量、元件的可靠性提出了很高的要求，而起重臂出现故障后的维修性差，因而在安全和可靠性设计方面中作了以下几点面处理： (1)为确保安全性采用了液压互锁和机构互锁的双保险设计思想，臂销和缸销只能有其中一个可运动，而不能同时运动，液压上电磁换向阀数量减少和系统设计都可以实现方向选择上的互锁和机构上的互锁，臂销与缸销结构上的互 锁由机构设计来实现。 (2)伸缩油缸的工作压力可以根据不同的伸缩工况来自动选择，为保证伸缩机构运动速度，伸缩油缸的运动速度很快，为了减小臂销和缸销在工作过程中的冲击和震动，伸缩油缸在不同的工况下会自动选择相应的工作压力。 (3)为了解决控制系统失
18、效后的起重臂收回问题，增加了手动应急操作工作方式。 (4)在任何的伸缩操作时，伸缩油缸的缸头不能超过五节臂臂尾，防止油缸外伸运动过程中损坏起重臂的前端或其他机构。 (5)当伸缩油缸的缸头不在吊臂的后端时 (伸缩油缸上的接近开关不能检测到撞块位置 )伸缩机构的控制系统可以 进行锁定，在这一伸缩过程中不能进行臂销或缸销的运动操作。 (6)伸缩油缸和附加其上的臂销缸和缸销缸密封件元件选取都保证了伸缩系统的持久性工作，首先采用了可靠的结构来实现功能，采用了可以在低速时保证速度稳定的密封元件，该密封元件能够承受一定的径向力。 (7)伸缩油缸两侧都安装有导向滑板，滑板的前后两端结构都设计了可导向结构，在油
19、缸的下方有两个滑块对伸缩油缸进行辅助支撑，以提高伸缩油缸运动到臂后端位置时定位的准确性，伸缩油缸滑块进入吊臂的导向滑槽中后，臂销油缸、缸销油缸运动才能顺利完成。 (8)吊臂中液压系统采 用双回路设计避免吊臂中电磁换向阀 (缸销、臂销工况选择 )损坏后伸缩油缸不能缩回的可能。 (9)如果控制系统和液压系统发生故障，伸缩系统将向安全方向运动并进行锁定。 (10)为了消除各个液压元件和控制系统带来的滞后操作，伸缩系统的缸销与吊臂孔配合间隙设计上较大，臂尾位置检测接近开关都采用可伸缩式浮动结构，保证了接近检测开关在伸缩偏离位置时油缸检测距离的准确性，在检测到需要动作的吊臂后端目标后迅速减小主油泵的排量
20、同时释放缸销，伸缩油缸迅速降低伸缩速度，保证缸销在配合间隙内能够完成缸销锁定和臂销运动的转换过程，防止 伸缩油缸受力时臂销缸所受的摩擦力大而影响各个销轴的运动，在进行臂销锁定时采用预先释放的思想方法提一前释放臂销滑动一端距离后进入臂孔，这样可以消除伸缩系统本身结构制造上带来的误差和各个控制元件的滞后响应带来的影响。 (11)为了保证伸缩油缸和伸缩臂的装配，缸销缸与臂销缸装有快速接头。 8 (12)具有伸缩油缸回缩自动加速功能，伸缩油缸回缩时可根据工作压力信号自动加速，保证了伸缩的控制性能。 (13)在整个伸缩过程中监控系统对系统的工作进行实时跟踪，通过显示器可以对整个过程进行监控。 (14)在
21、伸缩油缸伸缩时，由于 臂长的不同起升动作将适应性工作，这时主油泵将分离出一个油泵给起升油路提供工作用油。在吊臂回缩时单泵工作。 (15)因为发动机工作原因，在伸缩工作中让液压系统的功率、扭矩工作在发动机最佳工况，预防发动机熄火。 1.5 小结 本章通过对多种不同类型的伸缩臂结构和控制方式进行分析比较，得出结论，单缸插销式伸缩臂以其在五节臂以上中大吨位起重机的起重臂中的优势，使得它的自动伸缩技术代表了当代伸缩臂控制技术的发展方向。本文主要研究设计单缸插销式伸缩臂的液压和电气控制系统。 9 第 2 章 液压控制系统设计 2.1 液压系统总体设计 液压系统为采用电比例控制的阀控缸位置伺服系统。伸缩油
22、缸的运动速度很快，为了减小臂销和缸销在工作过程中的冲击和震动，增加了蓄能器。在，起重臂伸缩油缸两侧增加了连通邮箱的单向阀。用多路阀控制多个油路如伸缩油路、缸臂销油路、起升油路、回转油路、变幅油路等。泵体采用恒功率恒压变量双泵，系统压力 32MPa。预留压力检测口，便于系统调试和故障分析。伸缩臂液压系统总体设计如图 3.1 所示， A、 B、 C 分别连接至回转、变幅、起升油路。 图 2.1 伸缩 臂液压系统 2.2 液压油源回路设计 10 图 2.2 液压油源回路 带功率调节器的变量双泵，两个旋转组件分别带一个独立的功率调节器。功率调节器调节与工作压力有关的油泵排量，使其不超过给定的驱动功率。每一个调节器可独立实现功率设定，且各不相同，每个泵均可独立设定 100%的驱动功率。双曲线功率特性通过两个测量弹簧近似实现。工作压力借助一个多级活塞的测量面作用于测量弹簧，并影响一个从外部调整的弹簧力的测量面，从而决定功率的设定值。若液压力之和超过弹簧力，则控制油流向变量活塞，泵回摆从而减小流量。 2.3 多路阀 轮式起重机油路很多，包括起升油路、变幅油路、伸缩油路、回转油路，单缸插销式起重机又包括缸销、臂销油路，所以必须使用多路阀。多路阀原理如图 3.4 所示。左图中 A、 B、C 分别连接至回转、变幅、起升油路，右图为缸、臂销动作控制多路阀。
