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河南華東起重機械設備公司
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全地面起重機關(guān)鍵技術(shù)探析
時(shí)間：2022-03-06來(lái)源：起重機廠(chǎng)家瀏覽次數：154
全路面起重機的發(fā)源地在德國，“技術(shù)第一，質(zhì)量至上”是德國制造業(yè)的核心價(jià)值觀(guān)，表現出其對產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量的狂熱追求。
美國格魯夫公司的強項是越野輪胎起重機和汽車(chē)起重機。20世紀80年代，歐洲全地面起重機如火如荼地發(fā)展，逐漸把格魯夫擠出了歐洲市場(chǎng)。此后，格魯夫幾經(jīng)研究，于1983年收購了英國老牌企業(yè)科爾斯，企圖以科爾斯為橋頭堡，重新打入歐洲市場(chǎng)。格魯夫投巨資開(kāi)發(fā)全地面起重機在英國生產(chǎn)，雖然產(chǎn)品發(fā)展到300t，還是沒(méi)有能夠分得歐洲市場(chǎng)足夠的份額。痛定思痛，格魯夫認識到德國全地面起重機在歐洲市場(chǎng)的地位不可撼動(dòng)，于是動(dòng)用資本的力量，于1999年收購了德國的克虜伯輪式起重機公司，才真正成為全地面起重機市場(chǎng)上三足鼎立的一支。
德國已成為全地面起重機事實(shí)上的霸主，它在全地面起重機上所采用的技術(shù)也成為無(wú)冕的標準。本文似從底盤(pán)設計技術(shù)、吊臂制造技術(shù)、CAN總線(xiàn)控制技術(shù)等3個(gè)方面探析全地面起重機的主要關(guān)鍵技術(shù)所在。
底盤(pán)設計技術(shù)
底盤(pán)設計技術(shù)中的關(guān)鍵是油氣懸架系統和多橋轉向系統設計，這兩項技術(shù)是全地面起重機的獨有技術(shù)。下面對油氣懸架系統進(jìn)行探討。
油氣懸架系統多橋底盤(pán)的必要條件，除了能起到多軸平衡的作用外，還能起到增加整機側傾剛度、克服制動(dòng)前傾、調節車(chē)架高度和鎖死懸架等功能。油氣懸架系統由油氣彈簧和配流系統組成。油氣彈簧是用氣體作為彈性元件，在氣體與活塞之間引入油液作為中間介質(zhì)；而配流系統則利用油液的流動(dòng)，平衡軸荷、阻尼振動(dòng)、調節車(chē)身高度等。油氣懸架系統有以下優(yōu)點(diǎn)。
增強承壓能力
油氣彈簧以鋼筒蓄能器作為彈性元件，能夠承受很高的壓力，通?？蛇_20MPa，因而體積小、質(zhì)量輕，用于重載軸荷時(shí)質(zhì)量比鋼板彈簧輕50%以上。
提高行駛的平順性
油氣彈簧可以獲得很好的彈性特性曲線(xiàn)和較低的固有頻率，因而汽車(chē)的行駛平順性和舒適性大大優(yōu)于鋼板彈簧懸架，并減小了整車(chē)對地面的沖擊力。油氣懸架的變剛度彈性特性曲線(xiàn)可以防止發(fā)生懸架擊穿，對于越野行駛非常重要。
有效地平衡軸荷
油氣懸架系統可以通過(guò)管路的連接，將不同車(chē)軸的油氣彈簧油缸連接起來(lái)，起到平衡軸荷作用。
增加整機的側傾剛度
當車(chē)輛轉彎時(shí)，由于離心力的作用，重心轉移，因而整車(chē)明顯傾斜。油氣懸架系統將左、右油氣彈簧串聯(lián)，可以大大加強整車(chē)的側傾剛度。選擇油氣懸架液壓缸最佳大、小腔面積比可以獲得理想的側傾剛度。同理，如果將前、后油氣彈簧油缸串聯(lián)，可以提高整機縱角向剛度，克服制動(dòng)點(diǎn)頭現象。
此外，油氣懸架系統通過(guò)對油液流動(dòng)的調節，可以起到阻尼作用（即減振作用），還右以調節車(chē)身高度和鎖死懸架，后者在輪式起重機的起重作業(yè)中非常有用。
要制造全地面起重機，就要開(kāi)發(fā)油氣懸架系統；也可以說(shuō)，沒(méi)有油氣懸架系統，就沒(méi)有全地面起重機。全地面起重機底盤(pán)的設計要由起重機廠(chǎng)自己進(jìn)行，而不能靠專(zhuān)業(yè)汽車(chē)廠(chǎng)提供現成的底盤(pán)，其原因有以下幾點(diǎn)。
機構不同
全地面起重機的關(guān)鍵技術(shù)是油氣懸架機構及其相應系統。這是專(zhuān)有技術(shù)，載重汽車(chē)上不用，所以汽車(chē)廠(chǎng)不會(huì )投資研究該項技術(shù)。
使用工況和設計方法不同
起重機底盤(pán)的使用工況永遠是滿(mǎn)載，但行駛里程遠遠低于載重汽車(chē)。因此，兩者在設計方法和計算機原理上有很大區別，尤其是大噸位起重機底盤(pán)。例如，汽車(chē)設計中傳動(dòng)機構齒輪的破壞形式是點(diǎn)蝕，因此設計計算機以疲勞載荷為主；而起重機底盤(pán)設計中傳動(dòng)機構齒輪的破壞形式是斷裂，因此設計計算時(shí)以輪齒抗彎度為主。
生產(chǎn)方式與批量不同
汽車(chē)工業(yè)的生產(chǎn)方式是典型的單一品種批量生產(chǎn)，即使是批量較小的載重汽車(chē)也均以萬(wàn)臺為單位。而起重機的生產(chǎn)方式是多品種、小批量，一個(gè)型號的產(chǎn)品往往只生產(chǎn)百十臺。因此要求汽車(chē)廠(chǎng)按起重機廠(chǎng)的批量供應產(chǎn)品非常困難。
值得一提的是格魯夫的MegaTrack滑柱式油氣獨立懸架系統。獨立懸架無(wú)論從行駛的舒適性、操作的穩定性和越野的通過(guò)性上均優(yōu)于整體懸架，因此廣泛用于轎車(chē)、越野汽車(chē)和裝甲運兵車(chē)上。但由于其結構的復雜性，除太脫拉（Tatra）外，很少有民用載重卡車(chē)采用這種結構。最常用的獨立懸架是滑柱擺臂式懸架，又稱(chēng)麥克弗遜懸架，它是美國通用汽車(chē)公司工程師麥克弗遜（EarleSMacPherson）于1947年受飛機起落架的啟發(fā)而發(fā)明的，并以他的名字命名。這種懸架的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、布置緊湊，減振器活塞桿兼做轉向主銷(xiāo)，車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)沿主銷(xiāo)軸線(xiàn)運動(dòng)，前輪定位變化小，具有良好的行駛穩定性。同其他獨立懸架比較，它沒(méi)有其他拉桿，因而增大了兩輪間的內部空間，給發(fā)動(dòng)機和其他部件的布置帶來(lái)了方便。
裝有麥克弗遜懸架的車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)，轉向主銷(xiāo)略有擺動(dòng)，前輪變位角有變動(dòng)，和麥克弗遜懸架極為相似的滑柱式懸架（也稱(chēng)燭式懸架）可以避免這一缺點(diǎn)。燭式懸架車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)主銷(xiāo)傾角和車(chē)輪定位角不變，這對于車(chē)輛的操縱生和穩定性非常有利，這一優(yōu)點(diǎn)是其他形式的獨立懸架所不及的。同其他獨立懸架比較，其車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)輪距的改變也較小?；接蜌鈶壹荏w積小、質(zhì)量輕、總體布置簡(jiǎn)單，因此32t以上的重型自卸車(chē)上普遍采用此種懸架。
1988年，德國克虜伯輪式起重機公司在分析了各種懸架的優(yōu)缺點(diǎn)，研究了越野汽車(chē)、自卸車(chē)和飛機起落架等各種油氣懸架的結構特點(diǎn)后，果斷地投資200萬(wàn)馬克，耗時(shí)2萬(wàn)工時(shí)，成功研制出滑柱式獨立油氣懸架，并應用于3-8橋全地面起重機上，由于塑造出惟一通過(guò)德國坦克車(chē)試驗場(chǎng)越野路面考驗的起重機底盤(pán)，被人們稱(chēng)為跨世紀的新技術(shù)。這上點(diǎn)也許是格魯夫收購克虜伯的原因之一。利勃海爾和德馬格則采用整橋懸掛的傳統設計。
吊臂制造技術(shù)
為提高起重機的起重作業(yè)性能，最直接的辦法就是減輕起重吊臂的質(zhì)量。為達此目的，首先要有先進(jìn)的吊臂設計理論，設計出剛度大、質(zhì)量量輕的吊臂，目前德國全地面起重機的吊臂截面形狀全部為橢圓形。其次要采用高強度鋼材，國外吊臂普遍采用960MPa以上的鋼材，有些100t級的起重機為減輕質(zhì)量，吊臂上甚至使用了僅4mm厚的瑞典SSAB生產(chǎn)的Weldox1100型鋼板。SSAB目前正在研制1300MPa的超高強鋼板。
這樣高度的鋼板，不但焊接要求非常高，成形也十分困難。一般鋼板的彎形，反彈角度只有1°，如彎一個(gè)90°的彎，需要將鋼板彎到89°而像Weldox960型的鋼板，彎90°的彎時(shí)，需要將鋼板彎到65°才行。
橢圓形截面吊臂的設計要用到最先進(jìn)的力學(xué)理論和強大功能的計算機。筆者參觀(guān)利勃海爾工廠(chǎng)時(shí)，曾為巨大截面的吊臂震憾。500t的LTM1500型全地面起重機的7節吊臂全伸時(shí)的長(cháng)度為84m，基本臂截面高度為1.65m，個(gè)子不高的人為用彎腰即可從臂筒中通過(guò)。這樣大截面的臂筒由4塊鋼板焊接而成，如第三節臂，臂筒長(cháng)14.5m，上蓋板是1塊板，彎2道90°折彎；下蓋板由3塊鋼板焊接成型，分別為8.6mm厚、8m長(cháng)、9.5mm厚、4.5m長(cháng)；10mm厚、2m長(cháng)，每塊板折30道彎形，截面形狀近似橢圓，然后將3塊鋼板焊接在一起，再和上蓋板焊接成整個(gè)臂筒。3塊下蓋板厚度雖然不同，但是分別折30道彎形后，對接得嚴絲合縫，真可謂巨大的鋼鐵藝術(shù)品。7節吊臂的臂筒一共用了24塊鋼板，最小厚度6mm，最大厚度12mm。
正是由于橢圓形截面吊臂制造的復雜性，使起重機制造廠(chǎng)很難掌握吊臂的加工工藝，設備利用率低，制造成本高。因此，利渤海爾、德馬格、格魯夫等伸縮臂起重機制造廠(chǎng)已完全放棄橢圓形截面吊臂的制造，外協(xié)給專(zhuān)業(yè)制造廠(chǎng)生產(chǎn)。最著(zhù)名的吊臂專(zhuān)業(yè)制造廠(chǎng)是比利時(shí)的Vlassenroot公司，行業(yè)內稱(chēng)它為“比利時(shí)小子”。Vlassenroot公司位于布魯塞爾郊區，成立于1926年，現在專(zhuān)門(mén)切割、彎形、焊接各種伸縮吊臂。公司擁有2臺5軸數控激光切割機，激光4kW，可以切割30m×7m、最大厚度為20mm的鋼板和各種各樣的焊接坡口；有12臺折彎機，最大折彎長(cháng)度為24m(960)t、最大壓力為4000t(15m)。這些機器每天工作24h、每周工作7天，一年消耗鋼材11000t，生產(chǎn)出世界上20%的起重機吊臂，用戶(hù)有利渤海爾、德馬格、格魯夫、多田野、加藤、PPM、l ink-Belt、Luna等世界各國的起重機制造廠(chǎng)。Vlassenroot只按照用戶(hù)的圖紙制造吊臂，提供吊臂總成或將一套吊臂的臂筒套在一起交貨。
CAN總線(xiàn)控制系統
傳統起重機的電器控制系統是一對一的控制，控制是直接且惟一的，導線(xiàn)內流動(dòng)的是模擬信號。隨著(zhù)起重機的電氣系統越來(lái)越復雜，特別是大量ECU（ElectricControlUnit）的使用，使對一的通信幾乎不可能實(shí)現。CAN總線(xiàn)控制系統有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。
CAN(ControlAreaNetwork)即控制器局域網(wǎng)絡(luò )，是計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的現代控制技術(shù)領(lǐng)域的應用和發(fā)展。隨著(zhù)零部件智能化的提高，發(fā)動(dòng)機、變速器、液壓泵／馬達、電液控制閥等眾多ECU之間的通訊，起重機力矩限制系統、支腿壓力檢測及車(chē)架調平系統、單缸插銷(xiāo)吊臂伸縮系統、風(fēng)力檢測系統等共用大量的傳感器、底盤(pán)傳動(dòng)系的防抱死、防滑轉，都需要大量信號的傳遞和交流。CAN總線(xiàn)控制系統的基礎是數字信號的傳遞，通俗地講，各個(gè)控制單元和傳感器都要將控制和檢測信號數字化編碼，以一定的頻率不斷地發(fā)送到總線(xiàn)上，而執行元件則從總線(xiàn)上各取所需，并把執行情況反饋到總線(xiàn)上。數字化的編碼使所有信號互不干涉，理論上一根大容量的主線(xiàn)即可傳遞所有信號。有了數字化的總線(xiàn)，CAN才能有效地工作。
CAN總線(xiàn)控制系統廣泛地應用于汽車(chē)的控制系統，上汽的POLP是一輛采用總線(xiàn)控制的國產(chǎn)轎車(chē)。比起汽車(chē)，輪式起重機采用總線(xiàn)控制系統具有更大的優(yōu)越性，它可以解決許多傳統控制方式解決不了的問(wèn)題。
簡(jiǎn)化電路通道
起重機是回轉作業(yè)機械，上下車(chē)間的通訊量非常大。一臺越野輪胎起重機的駕駛員在上車(chē)要操作下車(chē)的發(fā)動(dòng)機油門(mén)、制動(dòng)和轉向模式、車(chē)橋驅動(dòng)模式、差速器鎖死、變速器換擋、懸架鎖死、水平和垂直支腿動(dòng)作，并要了解發(fā)動(dòng)機、變速器的水溫、油溫、油壓等情況。傳統的控制系統需要50-60條電路通道的回轉接頭，溝通上下車(chē)的通訊。而采用總線(xiàn)控制模式，只需要4條電路通道就能解決問(wèn)題。同樣，伸縮臂端部和主機的通訊也得到簡(jiǎn)化。
解決多ECU的通訊和共同工作的優(yōu)化問(wèn)題
起重機多機構組合動(dòng)作傳統上采用泵控系統，即每個(gè)機構都有各自的動(dòng)力源。這樣做雖然控制簡(jiǎn)單明了，卻增加了上下車(chē)的油路通道，并且能源消耗大。采用CAN總線(xiàn)控制系統后，動(dòng)力源減少到1臺大功率變量泵，采用電控分配閥，ECU交換信息，根據需要向各個(gè)執行機構分別提供不同的壓力和流量，不但動(dòng)力油的通道減少到1條，還能優(yōu)化動(dòng)力系統、節約能源。
解決復雜的邏輯控制問(wèn)題
如力矩限制器對起重作業(yè)的安全保障、單缸插銷(xiāo)吊臂伸縮機構邏輯關(guān)系、不同機構互鎖等。
提高系統的可靠性
CAN總線(xiàn)控制系統的數字化信號，抗干擾能力強大，信號成組連續發(fā)送，并有驗碼和反饋機能，使控制系統的可行性大大加強。
共用系統資源，集中顯示系統信息
這可以使用戶(hù)的使用、維護、警示、記錄、故障診斷成為一體。起重機出廠(chǎng)調試時(shí)，將其CAN總線(xiàn)控制系統和工廠(chǎng)計算機系統連接，將所有數據記錄在案。一般全地面起重機需要調試和記錄的數據有300-500條。一旦使用過(guò)程中發(fā)生故障，維修人員只要將原始數據用手提電腦和起重機CAN總線(xiàn)控制系統連接到一起，恢復原始數據，即可解決或發(fā)現故障所在。如果通過(guò)GPS將起重機工廠(chǎng)計算機連接起來(lái)，不但可以隨時(shí)記錄和監控機器的工作情況，還可以及時(shí)警示危險工況，診斷并排除故障。(end)
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