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全地面起重機(jī)關(guān)鍵技術(shù)探析
時間：2022-03-06來源：起重機(jī)廠家瀏覽次數(shù)：154
全路面起重機(jī)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，表現(xiàn)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(qiáng)項(xiàng)是越野輪胎起重機(jī)和汽車起重機(jī)。20世紀(jì)80年代，歐洲全地面起重機(jī)如火如荼地發(fā)展，逐漸把格魯夫擠出了歐洲市場。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。格魯夫投巨資開發(fā)全地面起重機(jī)在英國生產(chǎn)，雖然產(chǎn)品發(fā)展到300t，還是沒有能夠分得歐洲市場足夠的份額。痛定思痛，格魯夫認(rèn)識到德國全地面起重機(jī)在歐洲市場的地位不可撼動，于是動用資本的力量，于1999年收購了德國的克虜伯輪式起重機(jī)公司，才真正成為全地面起重機(jī)市場上三足鼎立的一支。
德國已成為全地面起重機(jī)事實(shí)上的霸主，它在全地面起重機(jī)上所采用的技術(shù)也成為無冕的標(biāo)準(zhǔn)。本文似從底盤設(shè)計(jì)技術(shù)、吊臂制造技術(shù)、CAN總線控制技術(shù)等3個方面探析全地面起重機(jī)的主要關(guān)鍵技術(shù)所在。
底盤設(shè)計(jì)技術(shù)
底盤設(shè)計(jì)技術(shù)中的關(guān)鍵是油氣懸架系統(tǒng)和多橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這兩項(xiàng)技術(shù)是全地面起重機(jī)的獨(dú)有技術(shù)。下面對油氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行探討。
油氣懸架系統(tǒng)多橋底盤的必要條件，除了能起到多軸平衡的作用外，還能起到增加整機(jī)側(cè)傾剛度、克服制動前傾、調(diào)節(jié)車架高度和鎖死懸架等功能。油氣懸架系統(tǒng)由油氣彈簧和配流系統(tǒng)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(tǒng)則利用油液的流動，平衡軸荷、阻尼振動、調(diào)節(jié)車身高度等。油氣懸架系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)。
增強(qiáng)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_(dá)20MPa，因而體積小、質(zhì)量輕，用于重載軸荷時質(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和較低的固有頻率，因而汽車的行駛平順性和舒適性大大優(yōu)于鋼板彈簧懸架，并減小了整車對地面的沖擊力。油氣懸架的變剛度彈性特性曲線可以防止發(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(tǒng)可以通過管路的連接，將不同車軸的油氣彈簧油缸連接起來，起到平衡軸荷作用。
增加整機(jī)的側(cè)傾剛度
當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時，由于離心力的作用，重心轉(zhuǎn)移，因而整車明顯傾斜。油氣懸架系統(tǒng)將左、右油氣彈簧串聯(lián)，可以大大加強(qiáng)整車的側(cè)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(cè)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(jī)縱角向剛度，克服制動點(diǎn)頭現(xiàn)象。
此外，油氣懸架系統(tǒng)通過對油液流動的調(diào)節(jié)，可以起到阻尼作用（即減振作用），還右以調(diào)節(jié)車身高度和鎖死懸架，后者在輪式起重機(jī)的起重作業(yè)中非常有用。
要制造全地面起重機(jī)，就要開發(fā)油氣懸架系統(tǒng)；也可以說，沒有油氣懸架系統(tǒng)，就沒有全地面起重機(jī)。全地面起重機(jī)底盤的設(shè)計(jì)要由起重機(jī)廠自己進(jìn)行，而不能靠專業(yè)汽車廠提供現(xiàn)成的底盤，其原因有以下幾點(diǎn)。
機(jī)構(gòu)不同
全地面起重機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是油氣懸架機(jī)構(gòu)及其相應(yīng)系統(tǒng)。這是專有技術(shù)，載重汽車上不用，所以汽車廠不會投資研究該項(xiàng)技術(shù)。
使用工況和設(shè)計(jì)方法不同
起重機(jī)底盤的使用工況永遠(yuǎn)是滿載，但行駛里程遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于載重汽車。因此，兩者在設(shè)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)原理上有很大區(qū)別，尤其是大噸位起重機(jī)底盤。例如，汽車設(shè)計(jì)中傳動機(jī)構(gòu)齒輪的破壞形式是點(diǎn)蝕，因此設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)以疲勞載荷為主；而起重機(jī)底盤設(shè)計(jì)中傳動機(jī)構(gòu)齒輪的破壞形式是斷裂，因此設(shè)計(jì)計(jì)算時以輪齒抗彎度為主。
生產(chǎn)方式與批量不同
汽車工業(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也均以萬臺為單位。而起重機(jī)的生產(chǎn)方式是多品種、小批量，一個型號的產(chǎn)品往往只生產(chǎn)百十臺。因此要求汽車廠按起重機(jī)廠的批量供應(yīng)產(chǎn)品非常困難。
值得一提的是格魯夫的MegaTrack滑柱式油氣獨(dú)立懸架系統(tǒng)。獨(dú)立懸架無論從行駛的舒適性、操作的穩(wěn)定性和越野的通過性上均優(yōu)于整體懸架，因此廣泛用于轎車、越野汽車和裝甲運(yùn)兵車上。但由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，除太脫拉（Tatra）外，很少有民用載重卡車采用這種結(jié)構(gòu)。最常用的獨(dú)立懸架是滑柱擺臂式懸架，又稱麥克弗遜懸架，它是美國通用汽車公司工程師麥克弗遜（EarleSMacPherson）于1947年受飛機(jī)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(jié)構(gòu)簡單、布置緊湊，減振器活塞桿兼做轉(zhuǎn)向主銷，車輪跳動時沿主銷軸線運(yùn)動，前輪定位變化小，具有良好的行駛穩(wěn)定性。同其他獨(dú)立懸架比較，它沒有其他拉桿，因而增大了兩輪間的內(nèi)部空間，給發(fā)動機(jī)和其他部件的布置帶來了方便。
裝有麥克弗遜懸架的車輪跳動時，轉(zhuǎn)向主銷略有擺動，前輪變位角有變動，和麥克弗遜懸架極為相似的滑柱式懸架（也稱燭式懸架）可以避免這一缺點(diǎn)。燭式懸架車輪跳動時主銷傾角和車輪定位角不變，這對于車輛的操縱生和穩(wěn)定性非常有利，這一優(yōu)點(diǎn)是其他形式的獨(dú)立懸架所不及的。同其他獨(dú)立懸架比較，其車輪跳動時輪距的改變也較小?；接蜌鈶壹荏w積小、質(zhì)量輕、總體布置簡單，因此32t以上的重型自卸車上普遍采用此種懸架。
1988年，德國克虜伯輪式起重機(jī)公司在分析了各種懸架的優(yōu)缺點(diǎn)，研究了越野汽車、自卸車和飛機(jī)起落架等各種油氣懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后，果斷地投資200萬馬克，耗時2萬工時，成功研制出滑柱式獨(dú)立油氣懸架，并應(yīng)用于3-8橋全地面起重機(jī)上，由于塑造出惟一通過德國坦克車試驗(yàn)場越野路面考驗(yàn)的起重機(jī)底盤，被人們稱為跨世紀(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)。
吊臂制造技術(shù)
為提高起重機(jī)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(dá)此目的，首先要有先進(jìn)的吊臂設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)出剛度大、質(zhì)量量輕的吊臂，目前德國全地面起重機(jī)的吊臂截面形狀全部為橢圓形。其次要采用高強(qiáng)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(jī)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(qiáng)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90°的彎，需要將鋼板彎到89°而像Weldox960型的鋼板，彎90°的彎時，需要將鋼板彎到65°才行。
橢圓形截面吊臂的設(shè)計(jì)要用到最先進(jìn)的力學(xué)理論和強(qiáng)大功能的計(jì)算機(jī)。筆者參觀利勃海爾工廠時，曾為巨大截面的吊臂震憾。500t的LTM1500型全地面起重機(jī)的7節(jié)吊臂全伸時的長度為84m，基本臂截面高度為1.65m，個子不高的人為用彎腰即可從臂筒中通過。這樣大截面的臂筒由4塊鋼板焊接而成，如第三節(jié)臂，臂筒長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、9.5mm厚、4.5m長；10mm厚、2m長，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(yán)絲合縫，真可謂巨大的鋼鐵藝術(shù)品。7節(jié)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(fù)雜性，使起重機(jī)制造廠很難掌握吊臂的加工工藝，設(shè)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(jī)制造廠已完全放棄橢圓形截面吊臂的制造，外協(xié)給專業(yè)制造廠生產(chǎn)。最著名的吊臂專業(yè)制造廠是比利時的Vlassenroot公司，行業(yè)內(nèi)稱它為“比利時小子”。Vlassenroot公司位于布魯塞爾郊區(qū)，成立于1926年，現(xiàn)在專門切割、彎形、焊接各種伸縮吊臂。公司擁有2臺5軸數(shù)控激光切割機(jī)，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(jī)，最大折彎長度為24m(960)t、最大壓力為4000t(15m)。這些機(jī)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(jī)吊臂，用戶有利渤海爾、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(jī)制造廠。Vlassenroot只按照用戶的圖紙制造吊臂，提供吊臂總成或?qū)⒁惶椎醣鄣谋弁蔡自谝黄鸾回洝?/span>
CAN總線控制系統(tǒng)
傳統(tǒng)起重機(jī)的電器控制系統(tǒng)是一對一的控制，控制是直接且惟一的，導(dǎo)線內(nèi)流動的是模擬信號。隨著起重機(jī)的電氣系統(tǒng)越來越復(fù)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(xiàn)。CAN總線控制系統(tǒng)有效地解決了這個問題。
CAN(ControlAreaNetwork)即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)代控制技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。隨著零部件智能化的提高，發(fā)動機(jī)、變速器、液壓泵／馬達(dá)、電液控制閥等眾多ECU之間的通訊，起重機(jī)力矩限制系統(tǒng)、支腿壓力檢測及車架調(diào)平系統(tǒng)、單缸插銷吊臂伸縮系統(tǒng)、風(fēng)力檢測系統(tǒng)等共用大量的傳感器、底盤傳動系的防抱死、防滑轉(zhuǎn)，都需要大量信號的傳遞和交流。CAN總線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字信號的傳遞，通俗地講，各個控制單元和傳感器都要將控制和檢測信號數(shù)字化編碼，以一定的頻率不斷地發(fā)送到總線上，而執(zhí)行元件則從總線上各取所需，并把執(zhí)行情況反饋到總線上。數(shù)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即可傳遞所有信號。有了數(shù)字化的總線，CAN才能有效地工作。
CAN總線控制系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于汽車的控制系統(tǒng)，上汽的POLP是一輛采用總線控制的國產(chǎn)轎車。比起汽車，輪式起重機(jī)采用總線控制系統(tǒng)具有更大的優(yōu)越性，它可以解決許多傳統(tǒng)控制方式解決不了的問題。
簡化電路通道
起重機(jī)是回轉(zhuǎn)作業(yè)機(jī)械，上下車間的通訊量非常大。一臺越野輪胎起重機(jī)的駕駛員在上車要操作下車的發(fā)動機(jī)油門、制動和轉(zhuǎn)向模式、車橋驅(qū)動模式、差速器鎖死、變速器換擋、懸架鎖死、水平和垂直支腿動作，并要了解發(fā)動機(jī)、變速器的水溫、油溫、油壓等情況。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)需要50-60條電路通道的回轉(zhuǎn)接頭，溝通上下車的通訊。而采用總線控制模式，只需要4條電路通道就能解決問題。同樣，伸縮臂端部和主機(jī)的通訊也得到簡化。
解決多ECU的通訊和共同工作的優(yōu)化問題
起重機(jī)多機(jī)構(gòu)組合動作傳統(tǒng)上采用泵控系統(tǒng)，即每個機(jī)構(gòu)都有各自的動力源。這樣做雖然控制簡單明了，卻增加了上下車的油路通道，并且能源消耗大。采用CAN總線控制系統(tǒng)后，動力源減少到1臺大功率變量泵，采用電控分配閥，ECU交換信息，根據(jù)需要向各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別提供不同的壓力和流量，不但動力油的通道減少到1條，還能優(yōu)化動力系統(tǒng)、節(jié)約能源。
解決復(fù)雜的邏輯控制問題
如力矩限制器對起重作業(yè)的安全保障、單缸插銷吊臂伸縮機(jī)構(gòu)邏輯關(guān)系、不同機(jī)構(gòu)互鎖等。
提高系統(tǒng)的可靠性
CAN總線控制系統(tǒng)的數(shù)字化信號，抗干擾能力強(qiáng)大，信號成組連續(xù)發(fā)送，并有驗(yàn)碼和反饋機(jī)能，使控制系統(tǒng)的可行性大大加強(qiáng)。
共用系統(tǒng)資源，集中顯示系統(tǒng)信息
這可以使用戶的使用、維護(hù)、警示、記錄、故障診斷成為一體。起重機(jī)出廠調(diào)試時，將其CAN總線控制系統(tǒng)和工廠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，將所有數(shù)據(jù)記錄在案。一般全地面起重機(jī)需要調(diào)試和記錄的數(shù)據(jù)有300-500條。一旦使用過程中發(fā)生故障，維修人員只要將原始數(shù)據(jù)用手提電腦和起重機(jī)CAN總線控制系統(tǒng)連接到一起，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，即可解決或發(fā)現(xiàn)故障所在。如果通過GPS將起重機(jī)工廠計(jì)算機(jī)連接起來，不但可以隨時記錄和監(jiān)控機(jī)器的工作情況，還可以及時警示危險(xiǎn)工況，診斷并排除故障。(end)
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