文獻綜述： 汽車式起重機液壓系統(tǒng)—技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢摘要∶本文對目前國內外汽車起重機的發(fā)展趨勢進行了對比分析，列舉了一些國內外汽車起重機常用的新技術∶解決汽車起重機安全問題的技術；起重機電子控制技術。最后還提了自己對起重機技術發(fā)展過程的一點看法。[關鍵字] 汽車起重機 液壓系統(tǒng) 智能超載限制器 負荷傳感系統(tǒng) 載荷力矩限制器 反力感知系統(tǒng) 一、行業(yè)背景（一）國外工程汽車起重機的發(fā)展趨勢近 20 年世界工程起重機行業(yè)發(fā)生了很大變化。RT(越野輪胎起重機)和AT(全地面起重機)產品的迅速發(fā)展，打破了原有產品與市場格局，在經濟發(fā)展及市場激烈競爭沖擊下，導致世界市場進一步趨向一體化。為與 RT 和 AT 產品抗衡，汽車起重機新技術、新產品也在不斷發(fā)展。近年來汽車起重機在英、美等國市場的復興，使人們對汽車起重機產生新的認識。幾年前某些工業(yè)界人士曾預測，RT和 AT 產品的興起將導致汽車起重機的衰退。日本汽車起重機在世界各地日益流行，以及最近格魯夫、特雷克斯、林克．貝爾特、德馬泰克等公司汽車起重機的產品進展，已向上述觀念提出挑戰(zhàn)。隨著工程起重機各機種間技術的相互滲透與競爭，汽車起重機會在世界市場中繼續(xù)占有一席之地。國外工程起重機從整體情況分析，領先國內 10～20 年(不同類型產品有所不同)。隨著國外經濟發(fā)展速度趨于平穩(wěn)，工程起重機向智能、高性能、靈活、適應性強、多功能方向發(fā)展。25t 以下基本上不生產，產品向高附加值、大噸位發(fā)展，住友建機、多田野和加藤公司曾于 1989 年相繼推出 360t 汽車起重機。住友建機在 90 年代開發(fā)出 80t～250t 共 4 種 AT 產品。多田野也在 90 年代相繼推出100t～550t 共 6 種特大型 AT 產品。加藤公司則研制成 NK5000 型 500t 汽車起重機。行業(yè)配套也與國內有所不同：1、下車主要是 300kW 以上柴油大功率發(fā)動機，與之配套的液力變矩器和自動換檔變速箱、12 噸級驅動轉向橋及越野輪胎。2、上車：高強度材料、大扭矩的起升機構、回轉機構、回轉支承。3、液壓系統(tǒng)：變量泵、變量馬達、電磁換向先導閥及主閥、平衡閥、懸掛系統(tǒng)閥、液壓鎖、液壓缸及管路標準配套件。4、智能控制系統(tǒng)：力限器顯示控制、記憶通訊及單缸順序伸縮自動控制。（二）國內工程汽車起重機的發(fā)展趨勢國內工程機械產品近十年來隨著技術的引進、消化、吸收，有了長足的進步，產品性能、可靠性、外觀都有較大幅度的提高，但同國外工程機械比較來看，還存在較大差距。國內工程起重機行業(yè)在 94～99 年是發(fā)展低谷，5 年中行業(yè)幾個主要的生產廠家，苦練內功，積極組織產品變型和換代，在產品外觀上下功夫。從 99 年以來，隨經濟建設新一輪啟動，工程起重機市場競爭格局發(fā)生巨大變化，各企業(yè)不斷調整思路、更新觀念、轉換機制、提高核心競爭力，努力開發(fā)產品，開拓市場。產品重心也從 8t、12t 向 16t、25t、50t 中大噸位發(fā)展，25t 增速最快，產量不斷翻新，基本占據主導地位。50t 產品由于需求面較廣，技術逐漸成熟，也大批量進入市場。20 世紀末期國內主要產品系列汽車起重機為8t、12t、16t、20t、25t、35t、50t、65t、80t、l00t、125t。整體技術風格是：下車有全頭和半頭兩種不同風格，多年來半頭車因總體布置的方便性及價格因素一直被廣泛采用。但近年來隨著物質條件的改善，人們的生活條件和質量提高，操作方便、舒適、可靠逐漸成為用戶關注的焦點，中大噸位向全頭方向發(fā)展。上車操縱從傳統(tǒng)的機械操作向液比例和電液比例方向發(fā)展，起重吊臂也從傳統(tǒng)的三節(jié)向四節(jié)、五節(jié)方向發(fā)展，產品的起重性能和起重高度有了較大提高，產品的外觀和可靠性有了較大幅度提高。加入世貿組織后，雖然國內市場(特別是配套件)受到了較大沖擊，但同時也給我們帶來新技術的應用，使國內主機和配套件企業(yè)更清晰認識到差距，更多地了解國產產品存在的致命問題，迫使國產主機和配套件企業(yè)不得不進行技術創(chuàng)新和技術進步。經過幾年的努力，國內起重機廠家取得了巨大進步。被譽為神州第一吊的QY300輪式液壓汽車起重機2004年在中聯(lián)浦沅成功下線。它代表了中國汽車起重機制造的最高水平．填補了我國自主研制生產該類產品的空白，打破了此類產品完全依賴進口的慣例?？s短了我國起重機行業(yè)與國外的差距，但差距還很大，很多廠家主要還是靠購買國外的“落后”技術，缺乏自主研發(fā)能力。這讓國人感到擔憂。二、國內外汽車起重機液壓系統(tǒng)新技術（一）關于汽車起重機液壓系統(tǒng)安全問題的諸多研究1. 代智能超載限制器在汽車起重機中的運用第三代微電腦超載限制器(XT一Ⅲ 型)，是具有自主知識產權的國產機電一體化裝置。該裝置由主機部分和傳感器部分組成，微電腦控制，模塊化結構。安裝調試全部采用按鍵操作、大屏幕液晶點陣顯示，在參數(shù)設置及顯示上非常簡明，不用調整任何電位器，使調試變得簡單直觀，界面友好。限制器采用了數(shù)字和大規(guī)模集成電路，減少了故障，增加了抗干擾能力，從而提高了可靠性；當起重機超過額定起重量或超行程時，能自動報警并切斷起重機向危險方向運動的回路，但允許其向安全方向動作；系統(tǒng)故障自動檢測，結果顯示；低功耗(整機功耗小于10W)，數(shù)字電路全部采用CMOS芯片；黑匣子功能，自動記錄超載時間及當時的各工況參數(shù)；數(shù)據及參數(shù)顯示全部圖形漢字提示，數(shù)值準確，直觀方便，操作人員一目了然，無需操作人員熟記提示符；密碼設定功能，防止參數(shù)誤設定；通用性好，在不改變主機的情況下，只要修改軟件，就能夠滿足各種類型重機機械的要求；機內存儲了多組額定載荷曲線，滿足了各種工況無級報警要求；對傳感器的“溫度漂移”和“零點漂移”可進行自動調節(jié)補償；具有聲光報警功能。該技術現(xiàn)已被國內很多起重機廠家用于大型起重機上面，效果良好。2. 重機負荷傳感系統(tǒng)分析負荷傳感系統(tǒng)可分為兩大類：泵控負荷傳感系統(tǒng)和閥控負荷傳感系統(tǒng)，前者必須采用變量泵，后者可用于定量泵。目前我國所引進的日本、德國技術常用的是閥控負荷傳感系統(tǒng)。閥控負荷傳感系統(tǒng)的原理：閥控負荷傳感系統(tǒng)是由泵、負荷傳感控制閥(壓力補償閥)和可變節(jié)流口(換向閥閥口)等組成。泵提供的工作油液流經可變節(jié)流口后，形成負載壓力作用于執(zhí)行機構。負荷傳感控制閥接受負載壓力傳感信號，通過壓力補償作用保持可變節(jié)流口兩端壓差基本不變，并使系統(tǒng)壓力僅高于負載壓力一個壓差。這樣，既使得流過節(jié)流口的流量僅與節(jié)流口開度面積成正比而與負載大小無關，保證了執(zhí)行機構運動速度良好的調節(jié)性和穩(wěn)定性；又減少了系統(tǒng)激流的壓力損失，提高了系統(tǒng)效率。 負荷傳感控制閥作為負荷傳感系統(tǒng)的核心元件，有多種結構類型。在加藤、多田野和利勃海爾汽車起重機閥控負荷傳感系統(tǒng)中，采用了定差勝流閥式、優(yōu)先分流閥式及其組合形式。圖1負荷傳感控制閥壓力補償作用原理圖1為定差溢流閥和優(yōu)先分流閥的壓力補償作用原理圖。如圖中所示，當可變節(jié)流口(換向閥閥口)FC處于某一開度位置， 定差溢流閥及RC或優(yōu)先分流閥PF達到平衡狀態(tài)時，F(xiàn)C兩端壓差△Pt(Po—Pr或P1—Pr)對閥芯所產生的液壓作用力與閥芯左端彈簧力將保持平衡。來自泵的工作油液(Po)一部分直接或經閥口h1去FC支路，另一部分剩余油液經閥口h2去油箱或旁通支路(Pz)。若FC支路負載壓力Pr隨執(zhí)行機構負載增加(減小)時，閥芯右移(左移)，減小(增大)閥口h2和增大(減小)閥口h1，結果系統(tǒng)壓力Po和優(yōu)先支路壓力Pl增加(減小)，于是閥芯重新平蘅在一個新的閥口位置處。由于彈簧設計得較弱，且閥芯平衡位置變化的位移量很小，因此彈鱉力的變化可以忽略不計，從而保證與彈簧力相平衡的換向閥節(jié)流口FC兩端壓差將基本上保持不變。同時，系統(tǒng)壓力僅略高于負載壓力。對定差溢流閥而言，系統(tǒng)壓力Po高于負載壓力Pr一個定值，即由彈簧設定的換向閥節(jié)流口兩端壓差△Pt對優(yōu)先分流閥而言，優(yōu)先支路壓力P1=Pr+△Pt;系統(tǒng)壓力Po則略高于支路壓力P1與P2中的大者。3. 重機的拘停保護起重機電動機的控制接觸器常常是密集通斷的，因此易發(fā)生觸頭熔焊故障。當起重機在運行過程中需要準確定位或緊急停止時，如果因觸頭熔焊導致起重機拒停，就有可能發(fā)生碰撞事故。為解決這個問題，提出一個起重機升降機構拒停保護設計。圖2 QRIS型控制柜拘停保護設計從三個方面著手解決這個問題，其一是接觸器觸頭熔焊導致其動作不合邏輯，這可增加一個中間繼電器來判斷；其二是為避免接觸器、繼電器動作競爭導致保護誤起動，為此拒停保護設置短暫延時，即需要一個時間繼電器；第三是一旦接觸器拒跳時，由總斷路器分勵脫扣動作執(zhí)行保護。從電氣角度看，防止起重機拒停的關鍵措施是監(jiān)視制動器接觸器觸頭是否熔焊。圖2是QRIS型升降機構控制柜采用拒停保護的設計電路圖。這個設計電路由三個環(huán)節(jié)構成。第一個是監(jiān)視環(huán)節(jié)，由與制動器接觸器K07線圈并聯(lián)的中間繼電器構成，K07與K1 正常情況下是同步動作的。如果K7因觸頭熔焊不能釋放，那么兩者動作就不一致，這就將起動延時環(huán)節(jié)。第二環(huán)節(jié)，即延時環(huán)節(jié)是借用原設計中的K03時間繼電器，由并聯(lián)的K7 常閉接點和K07常開接點控制。K7、K07 并聯(lián)接點在正常情況下總是接通的，只有在停止時K7觸頭發(fā)生熔焊的情況下并聯(lián)接點才斷開。K03時間繼電器通電立即吸合，斷電延時釋放，延時0.6s，因此只要控制電路一得電，K03立即吸合。而且主令控制器S40 。在起動、停止的切換過程中，即使K7、K07 接點動作競爭，瞬時斷開 線圈回路，K03延時閉合的常閉接點仍保持斷開，因此K7、K07 并聯(lián)接點接入 K03線圈回路不會影響K03 的正常工作。在未接入并聯(lián)接點前，只有在主令控制器轉到上升2擋或下降3擋后，因加速級接觸器K42得電，K42常閉接點斷開，K03才斷電釋放，其常閉接點延時閉合，使加速級接觸器K41能夠吸合，切除第3級起動電阻。在主令控制下降2擋一0擋一上升1擋之間切換時，由于主令控制器17、18和19、20接點均是斷開的，加速級接觸器K42不能吸合，K03不可能斷電，此時常閉接點也不起作用，即K03在升降機構起動和停止階段實際上是不工作的。而拒停保護正是工作在起重機停止和起動階段，因此可以在K03不工作的時間將其借來為拒停保護工作，為此，在K03線圈回路中插入并聯(lián)接點。一旦因K7觸頭熔焊導致起重機拒停，并聯(lián)接點立即斷開，K03繼電器斷電，其常閉接點經0．6s延時后閉合，接通總斷路器Q0的分勵脫扣線圈YA—OFF，使總斷路器跳閘，升降機構制動器斷電制動，達到拒停保護的目的。第三個環(huán)節(jié)是拒停保護起動環(huán)節(jié)，它由K03延時閉合的常閉接點、K7常開接點、K07常閉接點與總斷路器分勵脫扣線圈串聯(lián)而成?？倲嗦菲鲃偤祥l的瞬間，K07的常閉接點尚未斷開，為此必須在串聯(lián)電路中接入K7常開接點，否則將導致分勵脫扣線圈得電，使總斷路器剛合閘就立即跳閘。K07常閉接點的作用是防止K03在執(zhí)行原設計的功能，即延時切除第3級起動電阻時，導致總斷路器誤跳閘。因為在起重機加速階段，K07常閉接點是斷開的，因此分勵脫扣線圈不會因K03常閉接點閉合而得電，導致誤跳閘。如果起重機起動前制動接觸器K7觸頭已經熔焊，那么一合上總斷路器Q0由于并聯(lián)接點斷開，使K03處于斷電狀態(tài)，K03常閉接點閉合，而此時K7常開接點、K07常閉接點均閉合，這樣分勵脫扣線圈得電，使剛合上的總斷路器立即跳閘，阻止起重機在不能制動的狀態(tài)下起動，消除了事故隱患。為檢修安全，將原設計中升降機構控制電源的轉換開關Q3由二極改為四極，這樣Q3斷開時，就切斷了升降控制電路與總斷路器分勵脫扣電路的連接，確保升降控制電路完全斷電。Q3可以選用HZ5—10型四極組合開關。因利用了原設計中的時間繼電器，起重機升降機構的拒停保護只需要增加一個中間繼電器，并將一個二極組合開關改為四極組合開關，所需費用不大。(二) 起重機電子控制技術為了提高工程起重機作業(yè)效率、減輕勞動強度、防止事故、保障人身和設備安全，采用了多種多樣的控制裝置。操縱與控制已成為起重機的重要問題。要解決操縱與控制問題，僅靠機械和液壓是很不夠的，因為操縱與控制實際上是信息處理問題。機械和液壓信息處理能力低，控制性能差，必須引進信息處理能力強、控制性能良好的電子技術?，F(xiàn)就當前工程起重機上采用得電子控制裝置作一一概述。1. 載荷力矩限制為了防止由于過大的載荷所引起的傾翻和折臂等事故，在工程起重機上設置了載荷力矩限制器。微機控制力矩限制器的工作原理如如 3 所示。它是由吊臂角度，長度，起重量，支腿跨矩等檢測裝置，微機控制裝置，顯示，報警及執(zhí)行機構組成。其基本工作原理是，由檢測裝置通過傳感器將吊臂的長度，角度，支腿跨矩等信號，送如微機控制裝置。微機控制裝置計算出在當前的情況下，起重機允許起吊的最大重量，與傳感器測出的起重機實際起吊重量進行比較，如果實際起吊重量達到允許起吊重量的 90%，則微機系統(tǒng)通過顯示器和蜂音器發(fā)出預報警，提醒操作人員小心操作。當比值達到 100%時，微機系統(tǒng)通過顯示器和蜂音器指示作業(yè)人員停止當前作業(yè)并通過執(zhí)行機構限制起重機只能進行安全方向操作，停止一切危險方向的操作。圖 3 微機控制力矩限制器原理簡圖2. 反力感知系統(tǒng)起重作業(yè)時，作業(yè)人員用眼睛往往不能正確估計吊重的重量，特別目前采用先導液壓操縱，減輕了操縱力在操縱時荷重的變化，載荷的起吊下落等情況，司機沒有手感，在進行建筑構件吊裝和機器設備安裝時感到操縱困難。為此，在有些起重機采用了電子感知系統(tǒng)。裝置了反力感知系統(tǒng)后，由于有負荷力反饋，司機在操縱桿上可感知吊重的大小，有助于高精度微動操縱。同時可避免由于起吊過猛，吊重擺動等原因引起的人身和設備事故。反力感知系統(tǒng)如圖 4 所示。基本工作原理是檢出卷揚馬達的壓力，通過控制器發(fā)出控制電信號，控制電液比例閥產生相應的液壓，作用于反力活塞上，使操縱桿上產生負荷反力感覺。圖 4 反力感知系統(tǒng)反力感知系統(tǒng)可以通過反力設定裝置，根據司機的個人特點和作業(yè)類型來設定反力的大小，當認為不需要時，還可以將反力感知系統(tǒng)解除。3. 防碰撞控制工程起重機在狹窄的場地工作時，需要控制其作業(yè)范圍，即限制起重機的旋轉及度及動臂伸縮和變幅范圍。常采用示教再先方式來進行控制，先由操作人員按允許工作范圍操作一遍，由危機系統(tǒng)記下其軌跡，通過此方式設定作業(yè)范圍。防碰撞控制裝置的原理如圖5 所示。也可用超聲波障礙物檢測裝置來實現(xiàn)房碰撞控制。其工作原理如圖 6 所示。圖 8 自動水平移動圖 5 防碰撞控制裝置原理圖圖 6 超聲波障礙物檢測裝置為了防止碰撞高壓線，引起觸電事故和造成供電故障，采用接近高壓線自動報警裝置，如圖 7 所示。圖 7 接近高壓線自動報警裝置原理圖檢測裝置一般采用球形電極，通過靜電感應，檢測電網的電聲強度，然后將微弱信號經前置放大后，通過靈敏度裝換處理得出與電網的距離，再與控制基準比較，輸出相應的控制信號。4. 吊重控制裝置在高層建筑和高架道路的建設工程中，為了提高作業(yè)效率，縮短工期，使操作簡便和提高安全性，常采用以下吊重控制裝置——自動水平移動控制裝置。在起重作業(yè)中往往需要吊重作水平移動，通常是靠司機操作技術來實現(xiàn)的，司機目視吊重的高度，同時操縱變幅和起升兩個手柄，又要觀察注意周圍情況，操作難度相當大。采用自動水平移動控制裝置，只需操縱動臂變幅一個操縱桿，就能平穩(wěn)、迅速作高精度的水平移動，如圖 8 所示。自動水平移動控制裝置的組成如圖 9 所示。由傳感器，操縱裝置控制微機和電液變換執(zhí)行裝置等組成。傳感器包括：角度檢測器檢出住臂或副臂的角度；旋轉編碼器檢測住卷筒或副卷筒的轉動量；壓力檢測器檢出住臂變幅操縱閥的先導操縱壓力，作為前反饋輸入控制微機；發(fā)動機轉速傳感器檢出發(fā)動機轉速，根據發(fā)動機轉速來改變系統(tǒng)的增益。由主臂角度可算出主臂上支點的高度，為保持吊圖 11 電子多路信號傳遞示意圖重水平移動可算出起升卷筒所需的轉動量，來控制卷筒的轉動，與旋轉編碼器測得的卷筒實際轉動量作比較進行修正。壓力前反饋和根據發(fā)動機轉速來改變曾益的目的，是為了得到高精度平穩(wěn)的水平移動。此裝置采用手動優(yōu)先原則，主要起升卷筒一操縱，就自動地從自動切換至手動，當突然遇到障礙物時可避開。圖 9 自動水平移動控制裝置組成另外為了防止起吊時側位，產生吊重搖擺而引起翻車、碰撞和折臂等事故，采用吊重中心追隨控制機構，如圖 10a 所示，只要按一下卷筒操縱桿的按鈕，就能實現(xiàn)吊重中心自動追隨。還有旋轉急停和旋轉緩停轉換控制裝置(圖 10b 和圖10c)等圖 10 吊重中心追隨和旋轉控制機構5. 多路信號傳送裝置在單司機室的越野起重機上，一個技術上困難問題是如何在有相對運動的上下之間傳遞大量的操縱控制信息（多達幾十個） 。駕駛室在上車，而發(fā)動機，變速器，轉向，制動和支腿等在下車，如何操縱和來控制它們，解決的辦法是盡量將液壓控制信號改為電控制信號，同時為了減少通路，希望一條通路傳遞多路信號，這就需要利用微機電子技術，其原理如圖 11 所示。 除了上述介紹的電子控制裝置以外，還有許多控制裝置。在發(fā)動機，泵和閥的控制方面：需要適應負載變化和多個液壓作動器同時動作復合操作時的功率控制，實現(xiàn)高載低速和減輕高速，與發(fā)動機功率相匹配，充分發(fā)揮發(fā)動機功率；微機操作時發(fā)動機和泵的控制，與負載無關和同時動作十相互無干擾，僅取決于手柄操縱的速度控制，以改善其操縱性能；帶負載感應補償?shù)墓?jié)能控制，降低燃料消耗量。目前這些方面還大量采用液壓控制，可以預計不久將來將被控制性能優(yōu)越的電子控制所取代。另外。這些控制系統(tǒng)目前大多是發(fā)動機，泵和閥分開單獨控制，今后預計將實現(xiàn)聯(lián)合控制。在全路面起重機和越野起重機上，目前已有不少采用了微機控制自動換檔變速器。另外，還有電子監(jiān)視和故障自動診斷裝置等?？傊?，可以說操縱與控制，起重機內的信息處理已成為當前起重機進一步發(fā)展的焦點。雖然目前電子控制尚存在不少為體，例如傳感器技術和電液轉換技術收納感不夠成熟，微機控制系統(tǒng)的抗干擾，包括電磁輻射干擾，溫度，濕度，振動和沖擊等引起的環(huán)境干擾，確實電子控制的可能性尚存一定問題，但是電子控制是不抗拒的技術潮流，機電信一體化是工程機械產品更新?lián)Q代的必然發(fā)展方向。三、展望未來目前起重機的控制系統(tǒng)主要是機械液壓控制，隨著電液比例控制技術和電子技術在控制系統(tǒng)中的比重越來越大以及它的優(yōu)越性，電液控制將是主要發(fā)展潮流。隨著液壓元件、微機技術和信息技術的不斷發(fā)展，智能液壓起重機即將出現(xiàn)。那時這種“巨人”可以替代人們做更多的繁重工作，為人類的發(fā)展起到無法估計的作用。參考文獻[1] 顧迪民 主編·工程起重機·［M］·中國建筑工業(yè)出版社（第二版）[2] 朱新才 主編·液壓傳動與控制·［M］·重慶大學出版社[3] 周士昌 主編 ·液壓系統(tǒng)設計圖冊·［M］·機械工業(yè)出版社[4] 揚國平 劉忠 主編·現(xiàn)代工程機械液壓與液力實用技術·［M］·人民交通出版社[5] 趙顯新 主編·工程機械液壓傳動裝置原理與檢修·［M］·遼寧科學技術出版社 [6] 羅蓉、劉琦、李斌貴 供稿 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