某型塔機(jī)雙缸頂升液壓系統(tǒng)缺陷分析及改進(jìn)

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(沈陽建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽　110168)

引言

自升式塔機(jī)升降節(jié)采用液壓驅(qū)動，通常分為單缸頂升和雙油缸同步頂升。大型塔機(jī)由于頂升載荷較大，因而采用相對少見的雙缸同步頂升液壓系統(tǒng)。在雙缸頂升作業(yè)過程中，兩個油缸的同步性對塔機(jī)安全可靠工作具有重要影響[1]。

現(xiàn)有某型塔機(jī)采用雙缸實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的同步升降。施工過程中，塔機(jī)頂升加節(jié)階段正常，但降節(jié)時雙缸下降明顯不同步，直接導(dǎo)致降節(jié)無法繼續(xù)。

1　故障分析

1.1　雙缸同步頂升系統(tǒng)原理

該塔機(jī)雙缸頂升液壓系統(tǒng)由高壓泵、手動換向閥、溢流閥、液控單向閥、節(jié)流閥以及兩個頂升油缸組成，如圖1所示。

(1) 頂升

操縱手動換向閥5于左位。進(jìn)油：高壓泵1→手動換向閥5左位→分流集流閥8→液控單向閥9、10，節(jié)流閥11→油缸12無桿腔；回油：油缸12有桿腔→單向順序閥7→手動換向閥5左位→油箱。油缸活塞桿伸出，完成頂升。在頂升過程中，閥7中順序閥作為背壓閥，設(shè)定值2.5 MPa；系統(tǒng)工作壓力43 MPa由溢流閥3調(diào)定，溢流閥2為系統(tǒng)安全閥限定系統(tǒng)最高壓力45 MPa。

(2) 降節(jié)

操縱手動換向閥5于右位。進(jìn)油：高壓泵1→單向順序閥7中單向閥→油缸12有桿腔。此時液控單向閥反向截止，系統(tǒng)壓力升高，壓力油經(jīng)控制油路將液控單向閥反向打開回油：油缸12無桿腔→節(jié)流閥11，液控單向閥9、10→分流集流閥8→手動換向閥5右位→油箱。油缸活塞桿縮回，完成降節(jié)。降節(jié)過程中，工作壓力由溢流閥6控制設(shè)定為8 MPa。

1.液壓泵　2.系統(tǒng)安全閥　3、6.溢流閥　4.空氣濾清器5.手動換向閥　7.單向順序閥　8.分流集流閥9、10.液控單向閥　11.節(jié)流閥　12.液壓缸圖1　雙缸同步頂升液壓系統(tǒng)原理

(3) 系統(tǒng)卸荷

操縱手動換向閥5于中位，其“H”型中位機(jī)能使高壓泵1輸出油液經(jīng)中位直接流回油箱，此時系統(tǒng)卸荷。

需要說明的是，該系統(tǒng)每個頂升油缸均設(shè)置兩條液控單向閥油路用于油缸進(jìn)回油。這兩個液控單向閥通徑不等、開啟比相差近10倍，其中單向閥10通徑小、反向開啟壓力小且與一個節(jié)流閥串聯(lián)。如此設(shè)計(jì)的初衷，是便于對油缸升降過程中因偏載導(dǎo)致的兩缸不同步現(xiàn)象進(jìn)行微調(diào)，同時也可為降節(jié)過程中的超越負(fù)載提供回油背壓。文獻(xiàn)顯示，這一設(shè)計(jì)思想應(yīng)源于法國Potain塔式起重機(jī)單缸頂升系統(tǒng)[2]。

1.2　頂升系統(tǒng)不同步故障分析

(1) 故障描述

該型塔機(jī)頂升加節(jié)過程正常，但降節(jié)時塔機(jī)上部與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)還有600 mm左右，塔機(jī)出現(xiàn)向后傾斜70 mm、套架后下側(cè)滾輪板嚴(yán)重變形，無法繼續(xù)降節(jié)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)兩個油缸位置相差30 mm。后經(jīng)把快速油缸節(jié)流閥閉死后操作手動換向閥5至右位使低速油缸單獨(dú)降至同步位置后，打開剛才關(guān)閉的節(jié)流閥，操縱手動換向閥5至右位驅(qū)動兩油缸同時下移。如此幾次的調(diào)整才完成塔機(jī)上部與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的合口。

(2) 降節(jié)不同步故障樹

以塔機(jī)雙缸下降不同步故障為頂事件，采用故障樹法對其進(jìn)行分析。首先假設(shè)：底事件相互獨(dú)立、事件均為二值性且不存在外界干擾因素，如油缸支架應(yīng)牢固，各油路均連接良好。

通過對塔機(jī)雙缸頂升液壓系統(tǒng)原理分析可知，導(dǎo)致雙缸下降不同步現(xiàn)象的直接原因可以為：油缸結(jié)構(gòu)不同步、分流集流閥故障、液控單向閥故障及節(jié)流閥調(diào)整不當(dāng)。四個事件只要發(fā)生一個，頂事件即發(fā)生。油缸結(jié)構(gòu)不同步可由油缸泄漏量不等或油缸結(jié)構(gòu)尺寸誤差過大引起，只要其中之一發(fā)生即會出現(xiàn)油缸不同步。對其它中間事件做類似分析，可建立該型塔機(jī)雙油缸下降不同步故障樹如圖2所示[3-6]。

圖2　塔機(jī)雙缸下降不同步故障樹

故障樹中，頂事件、中間事件、底事件分別用T、S、X符號表示。其中T為兩油缸下降不同步；S1為油缸結(jié)構(gòu)不同步；S2為分流集流閥故障；S3為液控單向閥故障；S4為油缸泄漏；S5為分、集流失靈；X1為節(jié)流閥調(diào)整不當(dāng)；X2為油缸內(nèi)徑尺寸不同；X3為同步誤差大；X4為逆流流量偏差；X5為泄漏；X6為密封件破損；X7為缸筒變形；X8為閥芯徑向卡阻；X9為系統(tǒng)壓力過低。

因該故障樹中僅存在或門，故所有底層故障都是兩缸下降不同步這一頂事件的最小割集，即最小割集為{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}。這些底事件中只要有一個發(fā)生就會導(dǎo)致頂事件發(fā)生，在故障分析過程中必須根據(jù)實(shí)際工況逐個判斷。

(3) 故障分析

由故障樹可清楚看出影響雙缸降節(jié)不同步的所有因素，可用排除法對最小割集進(jìn)行排查。

對于S1油缸結(jié)構(gòu)不同步及導(dǎo)致該事件的所有底事件，由于批量生產(chǎn)的同規(guī)格油缸在密封和油缸結(jié)構(gòu)尺寸上差異甚微，且雙缸頂升時，同步性滿足要求，導(dǎo)致中間事件S1的要素S4、{X2}、{X6}、{X7}可以排除；同理，頂升階段的雙缸同步保證可排除分流集流閥同步失靈中間事件S2的相關(guān)要素S5、{X3}、{X8}、{X9}。

至此，可確定故障集中在S3液控單向閥故障和{X1}節(jié)流閥調(diào)整不當(dāng)上。而對于{X1}節(jié)流閥調(diào)整不當(dāng)，考慮塔機(jī)施工時，要求現(xiàn)場技術(shù)人員感受雙缸載荷偏載狀態(tài)對其作出適當(dāng)調(diào)整并不現(xiàn)實(shí)也不可靠，因而不應(yīng)將其作為導(dǎo)致雙缸不同步的關(guān)鍵要素。再考慮到現(xiàn)場實(shí)際調(diào)整降節(jié)過程是通過快缸節(jié)流閥關(guān)閉、手動換向閥右位工作來反復(fù)補(bǔ)償調(diào)整雙缸同步的現(xiàn)實(shí)，可以判明該系統(tǒng)雙缸下降不同步的根本原因在于底事件{X4}、{X5}。對4個液控單向閥進(jìn)行工作測試時未見明顯泄漏，{X5}可以排除。

由此可確定故障為S3液控單向閥故障，具體表現(xiàn)為塔機(jī)降節(jié)時液控單向閥回路逆流流量出現(xiàn)偏差。原因在于降節(jié)過程油缸承受超越負(fù)載，系統(tǒng)壓力主要是回油背壓所致。而液控單向閥10反向開啟壓力小，降節(jié)時迅速開啟，油缸無桿腔油液經(jīng)閥11、10流回油箱，控制油路壓力不再繼續(xù)升高，導(dǎo)致液控單向閥9始終無法開啟，迫使降節(jié)回油單一經(jīng)由節(jié)流閥11和液控單向閥10，兩缸的下降速度便單一地由節(jié)流閥11分別控制。當(dāng)兩缸偏載且兩個節(jié)流閥11閥口開度匹配不當(dāng)，雙油缸下降即出現(xiàn)不同步。

2　改進(jìn)方案

借助系統(tǒng)原理圖對雙缸降節(jié)不同步故障的分析過程可知，降節(jié)不同步源于將法國Potain塔機(jī)單缸頂升技術(shù)不加改造直接移植到雙缸頂升系統(tǒng)所致，屬于設(shè)計(jì)缺陷。小通徑液控單向閥10所串聯(lián)的節(jié)流閥非但無法起到均衡雙缸運(yùn)動速度的作用，相反還對分流集流閥8的等量集流性能形成干擾。

為保證降節(jié)過程雙缸同步，可對原系統(tǒng)作出如下改進(jìn)：

(1) 將原系統(tǒng)中與頂升油缸無桿腔相連的2條油路歸并為1條大通徑液控單向閥油路，去掉該油路串聯(lián)的節(jié)流閥，用分流集流閥來單一保障雙缸同步精度；

(2) 節(jié)流閥11在頂升油缸下降承受超值負(fù)載所起回油背壓作用另由增加的外控平衡閥提供；

(3) 節(jié)流閥11所起的頂升油缸運(yùn)動調(diào)速功能，通過在分流集流閥油路上串接節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)；

(4) 將降節(jié)溢流閥6的進(jìn)油口上移至閥7進(jìn)油口上端，可在背壓閥7失效時對油缸提供過載保護(hù)，增加系統(tǒng)工作安全性。

改進(jìn)后的雙缸頂升液壓系統(tǒng)方案如圖3所示。

圖3　改進(jìn)后的雙缸頂升液壓系統(tǒng)原理

需要說明的是，分流集流閥對偏載的自適應(yīng)糾偏存在限度，借助該系統(tǒng)頂升和降節(jié)，較為穩(wěn)妥的方式應(yīng)是頂升和降節(jié)之前先盡可能通過小車和配重調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)雙缸近似均載。

3　結(jié)論

依據(jù)某型塔機(jī)液壓系統(tǒng)降節(jié)過程雙缸不同步的故障現(xiàn)象，通過對其原理圖的深入分析，借助液壓故障樹技術(shù)找出故障原因，給出了原系統(tǒng)的改進(jìn)方案。

根據(jù)新方案，對使用原系統(tǒng)塔機(jī)建議采用關(guān)閉2個節(jié)流閥的方式降節(jié)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，關(guān)閉2個節(jié)流閥后降節(jié)，雙缸不同步現(xiàn)象消失?？梢姡谝簤汗收蠘湓碜龀龅墓收显\斷準(zhǔn)確有效，同時也可表明改進(jìn)后的系統(tǒng)能夠滿足雙缸頂升和降節(jié)的技術(shù)性能要求。

塔機(jī)雙缸降節(jié)不同步故障的出現(xiàn)和解決過程也說明了液壓系統(tǒng)細(xì)節(jié)決定結(jié)果的技術(shù)特征，因此對細(xì)節(jié)的斟酌和把握在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中必須加以高度重視。

參考文獻(xiàn)：

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