大噸位履帶起重機是一種廣泛應用于水電、鐵路等工程項目建設(shè)的移動式起重設(shè)備。隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，履帶式起重機的噸位越來越大。大噸位履帶起重機在負載下落的情況下，會產(chǎn)生明顯抖動，也就是所謂的壓力波動。這在很大程度上影響了大噸位履帶起重機的工作性能，并存在較大安全隱患。很多專家學者對大噸位履帶起重機的液壓系統(tǒng)進行了深入研究，但多以靜態(tài)特性研究為主，對動態(tài)特性的研究則非常少。通過理論和實踐探索，從平衡閥瞬態(tài)響應、變量馬達參數(shù)兩方面，研究了大噸位履帶起重機液壓系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

     大噸位履帶起重機液壓起升系統(tǒng)履帶起重機液壓起升系統(tǒng)主要由變量泵、換向閥、平衡閥、變量馬達等元件構(gòu)成（圖1）。

    

一般情況下，把液壓系統(tǒng)視作泵控制馬達系統(tǒng)。實際表明，履帶起重機在工作過程中，壓力波動經(jīng)常發(fā)生在負載下落的狀態(tài)中，而且平衡閥也僅僅在負載下落時才會正常運行。因此，主要從平衡閥瞬態(tài)響應和變量馬達參數(shù)兩方面對動態(tài)穩(wěn)定性的影響展開研究。

    大噸位履帶起重機液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性研究

    起升系統(tǒng)關(guān)鍵液壓元件

    恒壓變量馬達。恒壓變量馬達的控制過程有2 種方式：液壓系統(tǒng)通過電氣控制系統(tǒng)啟動開始運行；在起重機吊運過程中確保液壓系統(tǒng)處于恒壓控制中。后一控制方式的優(yōu)先級略大于前者。目前我國在大噸位履帶起重機應用較多的是有恒壓功能的先導控制變量馬達，工作原理見圖2。在電氣控制變量階段，馬達排量為最大值，起重機操作人員通過相應的手柄可以實現(xiàn)電磁推力的增加，促使變量伺服控制

閥向左移動，同時壓力油經(jīng)過伺服控制閥進入變量缸的無桿腔。

     平衡閥。平衡閥是液壓系統(tǒng)的主要元件，也是實現(xiàn)大噸位履帶起重機起吊物體的關(guān)鍵所在。平衡閥有多種樣式，但圖 1 履帶起重機液壓起升系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 并沒有統(tǒng)一的劃分依據(jù)。目前我國主要是根據(jù)平衡閥控制方

圖2 馬達恒壓變量調(diào)節(jié)機構(gòu)原理

 

設(shè)備管理與維修2017 №8（下）式進行劃分，主要有自控式、先導液控式等。先導液控式有很強的抗壓性和抗干擾能力，所以被廣泛應用于大噸位履帶起重機液壓系統(tǒng)中。

     基于AMESim 平臺的起升系統(tǒng)模型

     在大噸位履帶起重機液壓系統(tǒng)中存在很多非線性環(huán)節(jié)，是傳統(tǒng)靜態(tài)研究方式掌握其規(guī)律，而基于AMESim（基于模型的系統(tǒng)工程和發(fā)展提供創(chuàng)新的機電仿真軟件） 平臺的起升系統(tǒng)模型則能很好解決此類問題。下面將基于AMESim 平臺，借助HCD（液壓元件設(shè)計）元件庫，建立該系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，研究影響大噸位履帶起重機液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的因素。

     起升液壓系統(tǒng)HCD 模型的開發(fā)

     在大噸位履帶起重機起升液壓系統(tǒng)HCD 模型中，變量馬達HCD 模型非常重要，其設(shè)計質(zhì)量決定了后期液壓動態(tài)系統(tǒng)動態(tài)特性研究權(quán)威性。所以在建立變量馬達HCD 模型中，必須對控制閥、切斷閥等元件的實際情況進行系統(tǒng)綜合分析，然后在AMESim 平臺HCD 數(shù)據(jù)庫，建立一個變量馬達動態(tài)模型。

    平衡閥HCD 模型的構(gòu)建

平衡閥HCD 模型的構(gòu)建可分為4 個部分，即主閥芯、控制活塞、先導閥芯、端蓋。對實際元件相關(guān)信息數(shù)據(jù)進行測量，并繪制HCD 模型（圖3）。

     液壓起升系統(tǒng)動態(tài)特性影響因素的分析

     平衡閥參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)特性間的關(guān)系

     從圖3 中可以看出，在平衡閥控制端上的阻尼孔直徑、主閥芯開口形式等都會對大噸位履帶式起重機液壓系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性造成一定影響，也是本文主要研究和分析的主要內(nèi)容，對研究大噸位履帶式起重機液壓系統(tǒng)動態(tài)特性有重要影響。平衡閥參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)特性關(guān)系，需要把流量定為階躍輸出信號，同時確保馬達的排量保持不變。通過研究得出平衡閥在采用不同阻尼孔直徑時的主閥芯位移響應曲線如圖4 所示。

    從圖4 曲線圖中可以看出，阻尼孔徑為0.4 mm 時，主閥芯的位移響應相對比較穩(wěn)定；當阻尼孔徑達到0.5 mm 時，主閥芯位移瞬態(tài)響應過程的超調(diào)量逐漸增加，此時系統(tǒng)的阻尼比較低，其位移的穩(wěn)態(tài)值有一定增加。

      變量馬達參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響

     馬達排量瞬態(tài)響應特性分析，主要是利用液壓系統(tǒng)動態(tài)模型，把階躍信號當作變量馬達參數(shù)公的主要輸入信號，保持平衡閥主閥芯的開口量為恒定值進行仿真，可以得到系統(tǒng)壓力與馬達變量位移關(guān)系（圖5）。

    從圖5 可以看出，0～1 s 馬達的排量從最大值變?yōu)樽钚≈?，而A 口的工作壓力從15 MPa 變?yōu)?0 MPa 其超調(diào)量超過1 倍圖4 不同阻尼孔直徑下的主閥芯位移曲線圖5 系統(tǒng)壓力與馬達變量位移關(guān)系圖3 先導式平衡閥HCD 模型

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     起升液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的優(yōu)化

     為確保大噸位履帶起重機去液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須對液壓系統(tǒng)元件進行科學合理的優(yōu)化，比如：要科學優(yōu)化平衡閥主閥芯的面積，根據(jù)實際情況選擇合適的阻尼孔徑，以加強液壓系統(tǒng)抗沖擊的能力；合理匹配馬達最小排量設(shè)定值與恒壓設(shè)定值，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)工作效率。研究結(jié)果表示，壓力切斷閥設(shè)定為25 MPa，馬達最小排量為100 ml/r、平衡閥控制端阻尼孔徑為0.5 mm，馬達與平衡閥間連接管道容積為3 L。壓力表現(xiàn)均較為平穩(wěn)，這也證明了優(yōu)化方案的可行性。

    結(jié)束語

    大噸位履帶起重機液壓起升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和和工作原理，建立于基于AMESim 平臺的起升系統(tǒng)模型，進一步分析了影響液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的主要參數(shù)。通過HCD 動態(tài)仿真模型，分析了平衡閥控制阻尼孔直徑、主閥芯開口形式、發(fā)達恒壓設(shè)定值、馬達排量設(shè)定值對起重機液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，并提出