伸缩臂履带起重机操控性提升研究

彭继文，权哲奎，叶俊峰，董照祥，魏玉兰

（1.浙江三一装备有限公司，浙江 湖州 313000；2.湖州师范学院工学院，浙江 湖州 313000）

1 引言

履带起重机是一种由底座、转台、臂架、履带以及发动机等组成的起重机械。履带起重机可以用于多种场合，例如物料的起吊，装卸和安装等作业。我国的机械行业自新中国成立以来高速发展了几十年，如今已步入了发展平稳期。以履带起重机为例，国内外诞生了许多知名品牌，如国内的三一、徐工和中联，国外的利勃海尔、格鲁夫等。目前国内外相关企业之间的竞争很激烈，行业需求和市场空间有限，企业提高市场份额，提高竞争力的唯一方法就是提高产品的质量，全面提升产品性能[1]。

伴随着工程应用的普及和使用经验的积累，消费者在购买起重机时不仅仅关注“拆、装、运、吊”等关键指标，还会关注如快速响应、平稳启停、毫米级微动、动力流畅等满足特定工况的操作需求。与国际知名品牌的起重机相比，我国的起重机在关键指标上的差距日益缩小，但对于“快、畅、稳、准”等细节指标仍处于认知阶段，需要长期的积累和改善。

本文基于三一206A 型伸缩臂履带起重机，着眼于操控方面的细节指标，采用精益的电液匹配方法，实现电气系统、液压系统以及动力系统的优良匹配，全面提升履带起重机的操控性能，实现了履带起重机在“快、准、稳、畅”4 个指标上的操作需求。

2 操控性提升

根据主机特点与操作要求，确认操作性模型，进行整机硬件测试。

2.1 整机硬件测试，建立关联影响

本文对元件特性进行测试的方法是：结合整机的主要元件、发动机、主泵、主阀、制动器控制阀组、马达等元件特性测试得出的结果，制定控制方案，保证操控性指标的实现。

对整机的主泵变量上、下阶跃响应，主阀启动电流、流量关系，制动器开启、关闭响应，压力管路长短响应等多个项目进行了测试，由于篇幅有限，本文仅对几个重要项目的数据进行深入分析，其他项目不做赘述。

2.1.1 主泵变量上、下阶跃响应数据及分析

首先将主泵全开，马达开到最大排量，卷扬机进行空载，然后在提升过程中拔、插主泵变量电控插头。测得主泵从小排量阶跃到大排量阶跃用时388ms，从大排量阶跃到小排量阶跃用时233ms。理论加速响应时间大于388ms，减速响应时间大于233ms。主泵小排量至大排量阶跃压力曲线如图1 所示。主泵大排量至小排量阶跃压力曲线如图2 所示。

图1 主泵小排量至大排量阶跃压力曲线

图2 主泵大排量至小排量阶跃压力曲线

2.1.2 马达变量上、下阶跃响应

首先使发动机进入怠速状态，主提升卷扬机进入空载提升状态。测得马达的排量从小到大的变量时间为6.1s，再进行马达排量从大到小的计时，测得变量时间为2.5s。在卷扬机空载提升过程中，还可以对系统压力进行分析。测试结果见图3。（曲线Ⅰ为提升口压力，曲线Ⅱ为制动口压力，曲线Ⅲ降口压力）。

图3 马达变量阶跃压力曲线

2.1.3 压力数据传递、控制响应时间分析

主提升马达下降口传感器压力达到80bar（曲线Ⅰ），制动器开启（曲线Ⅱ），测得控制响应时间为88ms（包含制动器开关阀的开启响应时间）。图4 为程序控制响应时间的波形图。

图4 控制响应压力曲线

2.2 回转加速冲击控制

起重机在回转过程中常常会出现二次加速、推背感、顿挫感、停止冲击、发动机轰鸣、速度不受控制等问题，这些问题会严重影响吊装精度[2]。针对以上问题，本文提供了一种优化回转阀芯与修改回转控制策略，该策略对回转阀芯节流槽通流面积进行了优化，对三维阀杆重新进行了设计。通过该方法减缓了回转的启停冲击，提高了回转微动性和回转精度。

2.3 坡道启停防溜控制

履带起重机一般都是野外作业，作业环境恶劣，其中坡道的启停很重要。当起重机处于坡道上且重载长臂架工况时，打开制动器的瞬间，上车被坡道阻力拉住向下运动，有翻车风险[3]。当小开度上坡回转时，回转压力不足以克服坡道阻力，机器会向反方向运动。通过在回转控制系统中增加回转角度检测装置和更改自由滑轮开启的判定条件可以实现坡道启停的防溜控制。具体结构如图5 所示。自由滑轮开启的判定条件如下。

图5 控制方案改进对比图

1）β=β+x，x>m°，且Pa>ybar 时，控制阀得电。

2）β=β-x，x>m°，且Pa>ybar 时，控制阀得电。

3）Pa

其中β为回转角度；x为坡道角度；Pa为A口的压强；Pb为B 口的压强。

2.4 轻重载防抖控制

机器作业时，使用副钩小开度单倍率提升重载，逐渐加大主钩手柄压力，主副钩均会发生抖动。通过引入轻重载防抖控制可以有效地降低抖动。轻重载防抖控制思路可以分为两步：①增加电比例减压阀、串接入手柄伺服压力管路；②计算复合动作流量需求，限制比例阀电流。通过以上两步可以实现对较大压力手柄限制的目的。

3 运用技术分析

本文在对履带起重机的操控性提升过程中运用了许多技术，其中包括了精益电液匹配技术、卷扬运载参数异常识别技术。通过以上技术虽然不能提升起重机的工作性能，但是可以对起重机的工作状态进行优化。进而提升起重机的操控性能。

3.1 精益电液匹配方法

起重机的电液系统的快速响应需要快速越过元器件的工作死区，同时精确微动有需要运用好元器件的工作起点。以上两部分可以看作是相互制约的。因此，要实现精益的电液匹配，首先需要保证元器件特性的重复性，其次要进行的是元器件的初始工作点识别，并设置控制参数微调界面。实际操作步骤如下：先找到泵、阀控制基准，然后将操作指令快速传达给电液系统最后实现泵、阀、制动器的衔接。

3.2 卷扬运转参数异常识别技术

履带起重机在起吊过程中，保证卷扬机的运转正常是安全作业的前提。卷扬机运转是否正常可以通过卷扬运转参数体现出来。卷扬运转参数异常会导致起吊不平稳，物料可能会出现摆动，严重的会导致翻车事故。为了避免事故发生，引进了一种卷扬运转参数异常识别技术来对卷扬机工作状态监控。该技术通过比较伺服压力降低，补油压力降低，马达转速与供给流量的匹配关系来评判卷扬机构运转是否处于正常状态。

4 结语

本文首先对整机进行了硬件测试，其次针对回转启停冲击、坡道启停溜车和复合动作轻重载抖动问题，开发了回转启停冲击控制、坡道启停防溜控制和轻重载防抖控制方法，最后提出了精益电液匹配方法和卷扬运转参数异常识别技术，全面提升了履带起重机的操控性能，改善了履带起重机“快、准、稳、畅”4 个维度的操作需求。