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全地面起重機關鍵技術探析
時間：2022-03-06來源：起重機廠家瀏覽次數：154
全路面起重機的發源地在德國，“技術第一，質量至上”是德國制造業的核心價值觀，表現出其對產品技術和質量的狂熱追求。
美國格魯夫公司的強項是越野輪胎起重機和汽車起重機。20世紀80年代，歐洲全地面起重機如火如荼地發展，逐漸把格魯夫擠出了歐洲市場。此后，格魯夫幾經研究，于1983年收購了英國老牌企業科爾斯，企圖以科爾斯為橋頭堡，重新打入歐洲市場。格魯夫投巨資開發全地面起重機在英國生產，雖然產品發展到300t，還是沒有能夠分得歐洲市場足夠的份額。痛定思痛，格魯夫認識到德國全地面起重機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公司，才真正成為全地面起重機市場上三足鼎立的一支。
德國已成為全地面起重機事實上的霸主，它在全地面起重機上所采用的技術也成為無冕的標準。本文似從底盤設計技術、吊臂制造技術、CAN總線控制技術等3個方面探析全地面起重機的主要關鍵技術所在。
底盤設計技術
底盤設計技術中的關鍵是油氣懸架系統和多橋轉向系統設計，這兩項技術是全地面起重機的獨有技術。下面對油氣懸架系統進行探討。
油氣懸架系統多橋底盤的必要條件，除了能起到多軸平衡的作用外，還能起到增加整機側傾剛度、克服制動前傾、調節車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；而配流系統則利用油液的流動，平衡軸荷、阻尼振動、調節車身高度等。油氣懸架系統有以下優點。
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、質量輕，用于重載軸荷時質量比鋼板彈簧輕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。
增加整機的側傾剛度
當車輛轉彎時，由于離心力的作用，重心轉移，因而整車明顯傾斜。油氣懸架系統將左、右油氣彈簧串聯，可以大大加強整車的側傾剛度。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，可以提高整機縱角向剛度，克服制動點頭現象。
此外，油氣懸架系統通過對油液流動的調節，可以起到阻尼作用（即減振作用），還右以調節車身高度和鎖死懸架，后者在輪式起重機的起重作業中非常有用。
要制造全地面起重機，就要開發油氣懸架系統；也可以說，沒有油氣懸架系統，就沒有全地面起重機。全地面起重機底盤的設計要由起重機廠自己進行，而不能靠專業汽車廠提供現成的底盤，其原因有以下幾點。
機構不同
全地面起重機的關鍵技術是油氣懸架機構及其相應系統。這是專有技術，載重汽車上不用，所以汽車廠不會投資研究該項技術。
使用工況和設計方法不同
起重機底盤的使用工況永遠是滿載，但行駛里程遠遠低于載重汽車。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。例如，汽車設計中傳動機構齒輪的破壞形式是點蝕，因此設計計算機以疲勞載荷為主；而起重機底盤設計中傳動機構齒輪的破壞形式是斷裂，因此設計計算時以輪齒抗彎度為主。
生產方式與批量不同
汽車工業的生產方式是典型的單一品種批量生產，即使是批量較小的載重汽車也均以萬臺為單位。而起重機的生產方式是多品種、小批量，一個型號的產品往往只生產百十臺。因此要求汽車廠按起重機廠的批量供應產品非常困難。
值得一提的是格魯夫的MegaTrack滑柱式油氣獨立懸架系統。獨立懸架無論從行駛的舒適性、操作的穩定性和越野的通過性上均優于整體懸架，因此廣泛用于轎車、越野汽車和裝甲運兵車上。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采用這種結構。最常用的獨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年受飛機起落架的啟發而發明的，并以他的名字命名。這種懸架的優點是結構簡單、布置緊湊，減振器活塞桿兼做轉向主銷，車輪跳動時沿主銷軸線運動，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，它沒有其他拉桿，因而增大了兩輪間的內部空間，給發動機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。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定性非常有利，這一優點是其他形式的獨立懸架所不及的。同其他獨立懸架比較，其車輪跳動時輪距的改變也較小。滑柱式油氣懸架體積小、質量輕、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公司在分析了各種懸架的優缺點，研究了越野汽車、自卸車和飛機起落架等各種油氣懸架的結構特點后，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德國坦克車試驗場越野路面考驗的起重機底盤，被人們稱為跨世紀的新技術。這上點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
為提高起重機的起重作業性能，最直接的辦法就是減輕起重吊臂的質量。為達此目的，首先要有先進的吊臂設計理論，設計出剛度大、質量量輕的吊臂，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量，吊臂上甚至使用了僅4mm厚的瑞典SSAB生產的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計要用到最先進的力學理論和強大功能的計算機。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型全地面起重機的7節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，對接得嚴絲合縫，真可謂巨大的鋼鐵藝術品。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已完全放棄橢圓形截面吊臂的制造，外協給專業制造廠生產。最著名的吊臂專業制造廠是比利時的Vlassenroot公司，行業內稱它為“比利時小子”。Vlassenroot公司位于布魯塞爾郊區，成立于1926年，現在專門切割、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，生產出世界上20%的起重機吊臂，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制造廠。Vlassenroot只按照用戶的圖紙制造吊臂，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，導線內流動的是模擬信號。隨著起重機的電氣系統越來越復雜，特別是大量ECU（ElectricControlUnit）的使用，使對一的通信幾乎不可能實現。CAN總線控制系統有效地解決了這個問題。
CAN(ControlAreaNetwork)即控制器局域網絡，是計算機網絡技術的現代控制技術領域的應用和發展。隨著零部件智能化的提高，發動機、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、支腿壓力檢測及車架調平系統、單缸插銷吊臂伸縮系統、風力檢測系統等共用大量的傳感器、底盤傳動系的防抱死、防滑轉，都需要大量信號的傳遞和交流。CAN總線控制系統的基礎是數字信號的傳遞，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字化編碼，以一定的頻率不斷地發送到總線上，而執行元件則從總線上各取所需，并把執行情況反饋到總線上。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即可傳遞所有信號。有了數字化的總線，CAN才能有效地工作。
CAN總線控制系統廣泛地應用于汽車的控制系統，上汽的POLP是一輛采用總線控制的國產轎車。比起汽車，輪式起重機采用總線控制系統具有更大的優越性，它可以解決許多傳統控制方式解決不了的問題。
簡化電路通道
起重機是回轉作業機械，上下車間的通訊量非常大。一臺越野輪胎起重機的駕駛員在上車要操作下車的發動機油門、制動和轉向模式、車橋驅動模式、差速器鎖死、變速器換擋、懸架鎖死、水平和垂直支腿動作，并要了解發動機、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，伸縮臂端部和主機的通訊也得到簡化。
解決多ECU的通訊和共同工作的優化問題
起重機多機構組合動作傳統上采用泵控系統，即每個機構都有各自的動力源。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，根據需要向各個執行機構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，還能優化動力系統、節約能源。
解決復雜的邏輯控制問題
如力矩限制器對起重作業的安全保障、單缸插銷吊臂伸縮機構邏輯關系、不同機構互鎖等。
提高系統的可靠性
CAN總線控制系統的數字化信號，抗干擾能力強大，信號成組連續發送，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
這可以使用戶的使用、維護、警示、記錄、故障診斷成為一體。起重機出廠調試時，將其CAN總線控制系統和工廠計算機系統連接，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。一旦使用過程中發生故障，維修人員只要將原始數據用手提電腦和起重機CAN總線控制系統連接到一起，恢復原始數據，即可解決或發現故障所在。如果通過GPS將起重機工廠計算機連接起來，不但可以隨時記錄和監控機器的工作情況，還可以及時警示危險工況，診斷并排除故障。(end)
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