吊管机高速卷扬机液压系统的设计与应用

刘修超 王清锴 金丹

摘要：探讨了吊管机起吊重物时，同时具有高速和低速两档起吊速度的必要性及意义，并从原理和结构上提出了吊管机增加设计高速卷扬机液压系统的可实施性，从根本上解决了吊管机没有两档起吊速度的现状（目前吊管机只有一个低速），可以有效的提高吊管机作业的效率。

Abstract： We discussed the necessity and significance of having both high-speed and low-speed lifting speeds when the pipelayer lifts heavy objects，From the principle and structure，the pipelayer is proposed to increase the practicability of the hydraulic system of the hydraulic system of the high-speed hoist，Fundamentally solve the current situation of not having two lifting speeds，It can effectively improve the operating efficiency of the pipelayer.

关键词：吊管机;卷扬机;起吊速度;变量系统;倍率

Key words： pipilayer;hoist;lifting speed;variable system;magnification

中图分类号：V233.91                                     文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0089-03

0  引言

吊管机是在推土机底盘上衍生的一种特种作业设备，广泛应用于石油、天然气管道的铺设，即起吊管道下沟铺设作业。如图1所示，起吊管道的作业装置主要由吊钩、钢丝绳组、卷扬机、吊臂、配重等组成，钢丝绳组缠绕在卷扬机中，通过卷扬机控制吊钩的升降。当吊管机在天然气及石油管道施工铺设过程中，有两种作业模式：第一，起吊重物上升到一定高度，然后在下降到填埋重物的沟壑中，此模式下需要吊钩低度升降，低速度可减少冲击，保证作业安全;第二，把重物放到指定位置后，需要快速的起升空载的吊钩去进行下一轮的作业，此模式下需要快速的提升空载情况下的吊钩，只有这样才可以提高作业效率，以上，吊管机作业可以总结为带载升降和空载升降，带载升降需要低速模式，空载升降需要高速模式。目前国内吊管机用的卷扬机系统虽有多种不同型式，但都没有实现高速功能，只有一种低速模式。如何实现高速功能，提高作业效率，是我们需要解决的技术难题，本文从吊管机的卷扬液压系统控制原理及卷扬机结构等方面进行了设计，并已实现应用，为后续相关应用提供参考。

1  卷扬机机构及液压控制系统工作原理分析

以国内某吊管机使用的卷扬机及液压系统为例进行分析，图2为其卷扬机结构组成。该卷扬机为低速卷扬，吊钩卷扬机外侧集成安装了一个定量式的马达。图3所示为其液压控制系统，马达液压油来自吊管机的工作泵提供，马达在液压油压力作用下旋转提供给卷扬机滚筒动力，卷扬机滚筒内部装有输入轴，齿轮转动装置，在马达作用下可实现一种设定速度的恒定转动。由于吊管机泵排量是恒定的、马达是定量式的，也就决定了此种卷扬机是一种恒定速度运转。

2  高速卷扬机液压系统的设计与应用

上述吊管机卷扬机及液压控制系统的缺点有：

①卷扬机液压系统是一种不可变量的定量式系统，卷扬机只可提供一种恒定不变的速度;

②马达是恒定低速大扭矩，摆缸式，运转噪音大。

以上缺点就对吊管机实际作业带来了巨大困扰，只有一种速度模式，无法实现高低速的切换使用，大大降低了工作效率。下面针对此问题，提出相应的改进措施。

2.1 高速卷扬机结构的设计

针对卷扬机只有一种恒定速度，如图4所示，设计的此高速卷扬机结构和液压系统采取一种变量泵和变量的斜盘柱塞式马达系统改变定量马达系统，设计的变量马达可在液压系统的作用下实现两种不同的排量，并且在马达上集成电磁切换阀，可根据需要进行两种大小排量的切换，马达电磁阀排量切换是由专门的电控操纵手柄按钮进行控制，方便快捷。

新设计的高速卷扬机及其液压系统采用的是一种变量式液压控制系统，吊钩动作响应灵敏，实现了高速和低速，具体的液压控制原理如图5、图6所示。

当不进行操纵手柄时，由于压力无法建立，变量工作泵3吸取的液压油通过负载敏感比例控制阀的回油出口T口直接回到工作油箱中，当拉动电控操纵手柄，并把电控按钮置于低速档位时，电控手柄控制的工作主阀6上的油口打开，液压油到起升卷扬19的变量马达中，此时变量马达根据电控手柄给的低速信号，在通过集成到马达上的变量电磁阀动作，提供一个排量为115.5ml/r的输出，此时卷扬机滚筒以低速模式转动，当需要切换到高速转动模式时，直接把电控手柄上的档位按钮切换到高速挡，此时变量马达根据电控手柄给的高速信号，马达上的变量电磁阀会进行一个排量的切换动作，提供一个排量为61ml/r的输出，此时卷扬机滚筒以高速模式转动。

2.2 高速卷扬机液压系统的应用

根据用户的实际要求，首先确定出外负载需要的高低速数值，在根据吊管机滑轮组倍率情形下，进行了高速卷扬机液压系统的详细计算和液压部件的选型，最终本文提出的高速卷扬机液压系统，已成功在山推SP90吊管机上应用。

液压系统的计算：系统设定压力P，泵排量V1，容积效率？浊1，额定转速n;马达排量分别为V大  和V小，容积效率为？浊2，机械效率为？浊3;卷扬机滚筒直径D，机械效率？浊4，减速比为K;钢丝绳直径d;吊钩滑轮组倍率为t。

由马达输出流量公式：

Q=n*V1*？浊1*？浊2                     （1）

马达高转速公式：

V速度=Qπ（D+d）/V小*103（2）

吊钩升降速度公式：

V吊钩= V速度/K*t（3）

把设计数据带入公式（1）、式（2）和式（3）中，可得出吊钩升降的最大速度，同样计算过程，可得出吊钩的最小速度。这样就实现了最终所需的高低

速度。

该应用设备在国外某天然油气管线的施工中表现出色，已无故障作业4000多小时，得到了用户的认可，极大提高了施工的效率。如图7所示，带高速卷扬机液压系统的吊管机设备在国外施工现场。

3  结论

本文结合吊管机作业模式，从根本上解决了吊管机只有一种起吊速度模式现状，设计的高速卷扬机液压系统可实现两种速度模式，高速模式下的吊钩升降速度可达到15.5m/min，低速模式下的吊钩升降速度可达到6.6m/min。有效满足了吊管机作业需要，大大提升了作业效率。

参考文献：

[1]马振福.液压与气动传动[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]何存兴，张铁华.液压传动与气压传动[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

[3]陈启松.液压传动与控制手册[M].上海：上海科学技术出版社，2006.