履带式起重机具有起重性能好、起升高度与幅度大、动作平稳、接地比压小、可带载行走、安装拆卸方便、工况组合多等多个优点,广泛应用于电力、核能、石油化工、桥梁、市政、风力发电等行业。履带式起重机兴起于20世纪50年代,70年代得到迅速发展。80年代后,随着美国和德国等工业强国研发投入的增加,履带起重机技术发展很快,一批技术先进、载荷谱齐全、性能可靠的履带起重机得到了广泛应用。目前,美国的特雷克斯德马格公司和马尼托瓦克公司及德国利勃海尔公司的起重机产品处于技术和市场领先地位,日木的神钢公司在中等起重量的产品由于性价好,也占据了一定的市场份额。
随着我国一些重大的工程建设项目的相继开工,人们对中大吨位履带起重机的需求逐渐增大。在强劲的市场需求驱动下,白2005年起,以徐重、中联三一、及抚挖为代表的国产履带起重机制造厂取得了长足的进步,逐渐打破了人吨位履带起重机国外产品的垄断,国产履带起重机在1000t级以下机型已取完备的谱系。但与国外著名品牌相比,国内起重机产品目前还处于发展成长阶段,在设计手段、材料、工艺,特别是电液控制系统设计和元件配套方面与国外著名厂家还有一定差距。
目前,特雷克斯德马格公司的起重机最大起重量已达3200t,马尼托瓦克公司的M31000型起重机起重量达2535t、履带起重机大型化的发展趋势,对起重机操作的平稳性要求极高,本论文从电液控制技术的发展现状出发,分别对国内外履带起重机电液传动与控制技术的应用现状进行阐述。
1.国外履带起重机技术状况
面对日益严格的环保、节能和可持续发展的要求,液压技术因噪声大、泄漏频繁、污染严重、效率低等缺点而受到了电气传动、机械传动的挑战。但液压传动仍以其能量密度高、传动平稳、调速方便、功率质量比大、动态响应快等优点,在履带起重机械领域得到了了广泛的应用。同时,由于采用液压传动与控制技术领域的最新发展成果,如电液比例控制技术、负载敏感技术等,使得履带起重机由传统能耗大的节流调速控制回路向适应功率匹配的闭式液压控制回路发展。
(1)电液比例控制技术
电液比例控制技术是在以开环传动为主要特征的传统液压传动技术和以闭环控制为特征的电液伺服控制技术基础上,为适应一般工程系统对传动与控制特性提出的更高的要求,从上个世纪六七十年代开始逐步发展起来的。它克服了伺服阀对油液清洁度要求严格、制造成本与维护费用高昂、系统能耗较大的缺点,控制精度和响应特性完全能满足工程技术的实际需要。
瑞士Beringer公司从1967年开始生产KL比例复合阀起,20世纪80年代末、90年代初期,德国博世公司率先推出了伺服比例阀。这种伺服比例阀结构上与比例阀相同,而性能方面达到了伺服阀各项指标。电液比例控制系统取得的技术进步,尤其是与微电子技术和现代控制理论有机的结合,使其发挥了各自的优点,提高了控制器的可靠性和适应性。如今,该技术已成为当今电液比例控制的发展方向。从国外液压技术发展的趋势看,液压系统向电液比例控制系统的转变已成为今后控制技术的发展趋势之一。而今,著名液压件供应商博世力士乐公司已经取消了液压气动部,从新成立了自动控制技术部。
20世纪90年代中后期,电液比例控制技术在工业设备上得到广泛应用的同时,开始大量进入履带起重机领域,各种以比例技术为基础的多路阀和功率适应控制泵在履带起重机液压系统上得到了大量应用。多路阀采用电液比例先导控制,这不但提高了执行器的工作性能,更为进一步的电控与无线遥控奠定了坚实基础。功率适应控制泵的基本特征是泵输给系统的流量只与输人控制信号有关,而不受负载压力变化或原动机转速波动的影响,泵的出口压力仅比负载压力高出一个定值,在最高限压范围内泵始终能自动地适应负载的变化,也就是泵始终能工作于与负载功率匹配的状况。通过功率适应控制泵对传统开式液压回路节流调速进行技术改造,对于提升高压大功率系统的性能和节能,都具有重要意义。
日木产履带起重机的液压系统均为开式全功率控制系统,而关国马尼托瓦克公司和德国利勃海尔公司则主要采用闭式液压控制回路。与开式液压回路相比,闭式液压回路具有管路简单、主管路尤节流损失、系统动态响应速度快、系统油温容易控制、能平稳地实现正反转控制等多个优点,特别适应负荷变化剧烈以及前进、倒退、制动频繁的起重机械作业工况。采用电控方式,在系统设计时便于将发动机、液压泵、马达组成的驱动系统进行整体设计,通过选用合适的控制策略,可使发动机动力输出取决于实际负载和各液压元件性能参数之间的匹配。