張宗初， 莫柏生， 劉榮

（南通潤(rùn)邦重機(jī)有限公司，江蘇南通226013）

1 引言

海上風(fēng)電綜合安裝工程起重機(jī)固定安裝于安裝工程駁船或者運(yùn)輸船舶的基座上，用于海上風(fēng)塔基礎(chǔ)建造的打樁、風(fēng)機(jī)葉片組裝或風(fēng)機(jī)整體吊裝等作業(yè)場(chǎng)合。

起重機(jī)包括起升絞車、回轉(zhuǎn)和變幅三個(gè)執(zhí)行動(dòng)作，大型起重機(jī)還可能配備用于負(fù)載防擺的可調(diào)恒張力穩(wěn)索絞車。為了提高效率，要求起重機(jī)具有更大的負(fù)載能力、更高的作業(yè)速度，需配置更大的功率。對(duì)于工作負(fù)載大，傳遞功率大的液壓系統(tǒng)，需要采用高壓大流量傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)大流量液壓元件提出了市場(chǎng)需求。

由于需求的出現(xiàn)有超前于現(xiàn)有配套技術(shù)的特征，元件配套往往跟不上需求發(fā)展的步伐,同時(shí)市場(chǎng)需求的不確定性和新元件開(kāi)發(fā)需要客觀的時(shí)間過(guò)程，無(wú)論液壓還是機(jī)械、電氣專業(yè)其可選元件規(guī)格都是相對(duì)有限的，并且由于對(duì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和生產(chǎn)周期的承受能力有客觀限制，大功率系統(tǒng)的配置僅靠選用規(guī)格更大的元件是不理智的，一定時(shí)期內(nèi)增加元件數(shù)量無(wú)疑是較現(xiàn)實(shí)的選擇。

2 系統(tǒng)方案選擇

對(duì)于目前裝機(jī)功率為1360kW,流量2600L/min的風(fēng)電起重機(jī)液壓系統(tǒng)，從成本與性能的比較可以確定采用開(kāi)式傳動(dòng)是比較合理的。起重機(jī)的主絞車、副絞車、變幅絞車的流量都接近系統(tǒng)最大值，回轉(zhuǎn)和穩(wěn)索絞車流量分別接近系統(tǒng)最大流量的60%和20%。

圖1 起重機(jī)壓力補(bǔ)償變量泵系統(tǒng)基本原理

2.1 現(xiàn)有系統(tǒng)基本原理

目前常用的大流量液壓系統(tǒng)是在船舶最常用的中央恒壓系統(tǒng)。中央恒壓系統(tǒng)由多組液壓泵并聯(lián)向系統(tǒng)輸出，系統(tǒng)流量可以很大，且每組泵可單獨(dú)卸荷，但系統(tǒng)最致命的缺點(diǎn)是效率不高，市場(chǎng)的主控閥流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能滿足大型起重機(jī)的要求，且成本過(guò)高。

開(kāi)式液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中效率最高的是壓力補(bǔ)償變量泵系統(tǒng)，可以此為基礎(chǔ)進(jìn)行新系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；驹砣鐖D1。

壓力補(bǔ)償變量泵系統(tǒng)基本原理相當(dāng)于變量泵+調(diào)速閥組成的調(diào)速回路，比例多路閥模型為可調(diào)節(jié)流口串聯(lián)壓力補(bǔ)償器，負(fù)載反饋型變量泵則通過(guò)泵的輸出口與控制口的壓差調(diào)節(jié)泵的排量。

根據(jù)薄壁孔口及管嘴流量公式：q=μA（2Δp/ρ）1/2

式中，q-流量，μ-流量系數(shù)，A-孔口面積，Δp-孔口前后壓差，ρ-流體密度。

對(duì)于確定的孔口和傳遞介質(zhì)，可以認(rèn)為，流量?jī)H受孔口面積和孔口前后壓差的影響，當(dāng)節(jié)流閥的開(kāi)度一定時(shí)，其流量與閥口的前后壓差的開(kāi)方成正比，多路閥中壓力補(bǔ)償器的壓差限定了某一開(kāi)度的閥口的最大流量，當(dāng)輸出流量大于該設(shè)定值時(shí)，閥的進(jìn)口壓力增大，壓力補(bǔ)償器開(kāi)口趨向于減小。泵出口壓力與閥進(jìn)口壓力是同步提高的，由于負(fù)載壓力信號(hào)實(shí)時(shí)反饋到泵的控制口，當(dāng)泵出口壓力升高到與工作壓力的差值大于泵的壓力補(bǔ)償彈簧調(diào)定值時(shí)，液壓泵控制油缸的作用使其斜盤擺角變小，直到流量輸出能使系統(tǒng)建立新的平衡。系統(tǒng)通過(guò)以上的反饋控制過(guò)程可實(shí)現(xiàn)無(wú)溢流調(diào)速，系統(tǒng)用液壓泵通常選用恒功率或恒壓型負(fù)載反饋控制泵，系統(tǒng)功率損失小。

目前起重機(jī)主控多路閥常用流量在400～500L/min左右，如某公司起重機(jī)用負(fù)載反饋型多路閥，每聯(lián)工作流量達(dá)到400L/min，整體鑄造的三聯(lián)閥自重為 64kg，五聯(lián)閥（理論）自重為 90kg，在功率200～500kW的海洋起重機(jī)已應(yīng)用多年。

近3年來(lái)，500～800L/min的多路閥在歐美市場(chǎng)已處于小規(guī)模試用階段。各類展會(huì)也有如德國(guó)、意大利廠家的實(shí)物展出。某公司MSV1000模塊化疊加閥組，流量可以實(shí)現(xiàn) 200～1000L/min。

根據(jù)以上元件參數(shù)和原理，通過(guò)合理的系統(tǒng)配置，可設(shè)計(jì)出性能可靠、效率高的系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如何利用現(xiàn)有液壓元件，設(shè)計(jì)大功率起重機(jī)的液壓系統(tǒng)，需要解決多元件并聯(lián)工作的協(xié)同性和系統(tǒng)可靠性問(wèn)題。圖2是一種系統(tǒng)方案圖。

圖2 起重機(jī)多泵多閥并聯(lián)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

由于系統(tǒng)流量大，按目前市場(chǎng)上接近最大排量的負(fù)載壓力反饋控制泵配置，主系統(tǒng)動(dòng)力元件需要四組排量260+190mL/r的泵并聯(lián)供油，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為絞車和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由多組液壓馬達(dá)和行星齒輪減速器共同驅(qū)動(dòng)卷筒/回轉(zhuǎn)支承的大齒圈達(dá)到所需傳遞扭矩。由于試用產(chǎn)品近期還面臨價(jià)格高和可靠性待驗(yàn)證的問(wèn)題，基于成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)考慮，選用多組400L/min的多路閥作為主控閥，這樣設(shè)計(jì)的好處還有閥件總重量小，泵、多路閥的流量與常規(guī)高壓管接頭標(biāo)準(zhǔn)的最大規(guī)格DN38較匹配，管路布置簡(jiǎn)便。

多泵與多閥組構(gòu)成的負(fù)載反饋壓力補(bǔ)償液壓系統(tǒng)的工作壓力信號(hào)接入時(shí)，有兩種基本連接方式：（1）通過(guò)梭閥把各多路閥的最高工作壓力提取，同時(shí)反饋到所有的泵，這種接入方式的特點(diǎn)是泵控制接法簡(jiǎn)單，所有的泵同時(shí)工作，需要流量較小時(shí)，各泵同時(shí)處于小排量工作狀態(tài)，需要泵有較高的協(xié)調(diào)性，泵參數(shù)調(diào)整不一致時(shí)各泵輸出功率不同，甚至有的泵沒(méi)有流量輸出，僅適用于泵的數(shù)量較少的場(chǎng)合。（2）每件多路閥的信號(hào)分別反饋到與閥有關(guān)聯(lián)的泵進(jìn)行獨(dú)立控制。特點(diǎn)是泵的工作方式與單泵+單閥系統(tǒng)類似，能保證所有泵同時(shí)達(dá)到最大排量，執(zhí)行元件工作壓力不同時(shí)，各組泵輸出壓力可以不同，系統(tǒng)控制有一定的靈活性；但多泵驅(qū)動(dòng)同一執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，需保證各泵反饋信號(hào)一致，實(shí)現(xiàn)泵的協(xié)調(diào)工作。

由于后者的適應(yīng)性更好，并聯(lián)工作帶來(lái)的干擾較小，本起重機(jī)采用泵控信號(hào)單獨(dú)接入的方式。

圖3為系統(tǒng)局部原理。

大流量液壓系統(tǒng)需解決執(zhí)行機(jī)構(gòu)多組液壓馬達(dá)的同步性以及沖擊、低速穩(wěn)定性、安全保護(hù)、管路設(shè)計(jì)等問(wèn)題。

圖3 起重機(jī)主控閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接示意圖

根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)同一個(gè)卷筒的各馬達(dá)之間，通過(guò)機(jī)械約束即可實(shí)現(xiàn)同步工作，功率大的絞車往往不止一個(gè)卷筒，當(dāng)卷筒之間的同步無(wú)法通過(guò)機(jī)械實(shí)現(xiàn)時(shí)，需在液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)增加功能，保證卷筒間的運(yùn)動(dòng)同步，或至少設(shè)置防止出現(xiàn)錯(cuò)誤卷繞情況的功能。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和樣機(jī)試驗(yàn)情況，只要在局部元件調(diào)壓等環(huán)節(jié)做適當(dāng)處理即可得到可以接受的低速性能，若在特殊重要場(chǎng)合或者低速性能無(wú)法滿足工程需要時(shí)，可在多元件工作順序上增加控制環(huán)節(jié)，即可得到較理想的低速性能。

管路設(shè)計(jì)：根據(jù)控制閥和液壓馬達(dá)之間的連接情況，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為多組小管徑管件單獨(dú)連接時(shí)，主控閥到執(zhí)行元件之間可由小管分別連接；執(zhí)行機(jī)構(gòu)為大管徑連接時(shí)，可把主控閥出口接管匯流后用大尺寸管件接出，減少中間分流合流以減少損失，降低成本。但多路閥分別連接執(zhí)行元件時(shí)，應(yīng)考慮并聯(lián)馬達(dá)之間的內(nèi)部聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)負(fù)載壓力平衡及反饋同步。小管連接的好處就是空間布置靈活，結(jié)合成本考慮采用大小管徑組合的布管方式，可以很經(jīng)濟(jì)地解決空間和問(wèn)題。

4 系統(tǒng)協(xié)調(diào)性和局部元件故障時(shí)的系統(tǒng)安全性分析

對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，需分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制回路和主回路的協(xié)調(diào)問(wèn)題。如變幅絞車由10臺(tái)液壓馬達(dá)共同驅(qū)動(dòng)（局部原理見(jiàn)圖4），剎車回路有平衡閥動(dòng)態(tài)剎車、靜態(tài)剎車為內(nèi)置的多片式圓盤剎車和輸出級(jí)的卷筒剎車。保證安全性的同時(shí)，剎車是對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟停沖擊、平穩(wěn)性影響最大的因素。

圖4 變幅絞車（一側(cè)）原理圖

壓力沖擊是液壓系統(tǒng)不可避免的現(xiàn)象，在大功率系統(tǒng)中其有害影響不能忽視。起重機(jī)啟停動(dòng)作的沖擊可以通過(guò)合理的控制動(dòng)態(tài)和靜態(tài)剎車的動(dòng)作順序部分消除，總的原則是靜態(tài)剎車先開(kāi)后關(guān)，動(dòng)態(tài)剎車則相反。加速和減速過(guò)程借助動(dòng)態(tài)剎車的慢速啟動(dòng)、阻力穩(wěn)步減小和恒壓力/扭矩控制減速停車過(guò)程使起重機(jī)啟停更平穩(wěn)，沖擊更小，常閉式靜態(tài)剎車提供起重機(jī)足夠的剎車力保證安全。

回路控制可以使所有靜態(tài)剎車打開(kāi)后動(dòng)態(tài)剎車延時(shí)打開(kāi)，也可以先打開(kāi)內(nèi)置剎車以外的靜態(tài)剎車，延時(shí)給信號(hào)內(nèi)置的圓盤剎車和動(dòng)態(tài)剎車，由于它們之間固有的控制壓力特性，能保證動(dòng)態(tài)剎車后打開(kāi)。

多元件系統(tǒng)另一個(gè)重要問(wèn)題是局部元件故障后的系統(tǒng)安全性。本系統(tǒng)個(gè)別液壓泵出現(xiàn)故障時(shí)，由單向閥自動(dòng)隔離出系統(tǒng)，可能會(huì)使起重機(jī)運(yùn)動(dòng)速度降低，安全性受影響較?。粋€(gè)別多路閥出現(xiàn)故障時(shí)可能會(huì)使系統(tǒng)速度降低或者泄漏造成系統(tǒng)壓力降低，影響負(fù)載能力，對(duì)安全性影響也不大。

但是，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行元件出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)使驅(qū)動(dòng)能力降低，可以簡(jiǎn)單地理解為該元件產(chǎn)生了“短路”或者“斷路”，前者影響系統(tǒng)效率和負(fù)載能力，故障直觀且可以及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，對(duì)安全特性的影響可能是可控的，但“斷路”造成負(fù)載能力下降的同時(shí)，在其他正常元件的強(qiáng)行驅(qū)動(dòng)下可能會(huì)使故障元件情況迅速惡化，直至完全報(bào)廢。

所以在重要的場(chǎng)合，這種運(yùn)行信號(hào)的檢測(cè)和控制能及時(shí)發(fā)現(xiàn)執(zhí)行元件的局部故障，避免安全隱患，同時(shí)同步性對(duì)系統(tǒng)有較大影響時(shí)，可以采取一些檢測(cè)控制，避免單純的壓力控制造成的安全隱患，如剎車狀態(tài)的位置信號(hào)參與控制。

5 使用效果

根據(jù)同類機(jī)型的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，證明這種設(shè)計(jì)的大流量液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)試方法簡(jiǎn)單，能有效避免多泵系統(tǒng)中出現(xiàn)部分泵流量輸出不平衡甚至不輸出的現(xiàn)象。隨著市場(chǎng)更大規(guī)格元件的成熟應(yīng)用，該產(chǎn)品系統(tǒng)元件可以減少，而且此原理也可以直接應(yīng)用于更大功率的傳動(dòng)系統(tǒng)。