单缸多节臂伸缩插销技术及控制技术可靠性研究

1、单缸多节伸缩臂插销技术及控制技术可靠性研究一、总体思路当全路面起重机发展到一定阶段，整机重量受到限制，吊重量和作业高度 成为设备的重要性能指标，怎样在一定设备重量下使吊臂的长度更长，吊臂的 吊重量最大，成为我们全路面产品设计的追求，必须对原来的传统技术进行技 术突破，最直接方案就是能够改变传统伸缩方式，通过一个仲缩油缸和plc编 程控制手段完成伸缩臂的控制。随着科技的进步和计算机技术、微电子技术、 机电液一体化技术在产品中的运用，起重机制造技术在最近二十年得到了迅速 的发展。欧美的知名起重机制造企业已经完成了从汽车起重机到全地面起重机 的技术发展历程，汽车起重机向大吨位全地面型发展应是必然的趋

2、势，适合中 国国情的大型移动式起重机的研制开发，是国内起重机行业所面临的迫切任务。起重臂作为轮式起重机的主要承载部件，其重量占整机重量的13%20%, 而大型起重机所占比例则更大，是制约起重机发展最关键的技术。随着液压技 术、材料技术、计算机技术和板材成型技术等的发展和应用，轮式起重机起重 臂也取得了快速的进步，从二十世纪六、七十年代的液压一机械动力驱动伸缩 方式到八十年代的液压一气动插销仲缩方式，再到九十年代的单缸自动插销式 仲缩技术，起重臂技术的不断革新一直推动着轮式起重机整机性能的提升。仲缩机构的技术直接影响起重臂的自重、整机的性能，也是制约起重臂乃 至起重机发展的关键技术。因而国外知名

3、企业对伸缩机构的研究都很重视，都 研制出了自己的专利技术。目前流行的仲缩机构主耍有两大类：油缸加绳排式 仲缩机构和单缸插销式全自动伸缩机构。油缸加绳排式仲缩机构，对于五节起 重臂的伸缩机构一般分为以下三种：a油缸+油缸+油缸+绳排，b油缸+油缸+ 绳排+绳排，c油缸+绳排+油缸+绳排。demag和tadan0部分产品采用多级缸加 一级绳排的仲缩机构，这种伸缩机构的特点是最末一节仲缩臂采用钢丝绳伸缩, 其它伸缩臂采用多级缸或多个单级缸或多级缸和单级缸套用等方式直接用油缸 仲缩。因而最末伸缩臂的截面变化较大，其它臂节截面的变化则较小，此种方 式中轴向力较小，油缸受力小，但整机重量重，吊重稳定性能较

4、差；目前我国 中等吨位的汽车起重机多采用b方式，此方式由于绳排布置较多，故轴向力较大，并且绳排布置需要较大空间，导致吊臂截面缩减较快，所以这种方式伸缩 机构强度和吊臂强度决定的性能较低；c方式需要配备软管卷筒为油缸供油，吊 重稳定性能较差。由于油缸加绳排式伸缩机构受油缸技术的限制，因而对五节 臂以上中大吨位起重机的起重臂使用存在较大困难。受制于当期的技术水平所 限，以前的伸缩技术都没能摆脱“有绳”伸缩的观念，这种“有绳”的伸缩方 式的思想就是前述的每节伸缩臂的伸缩都需要油缸或伸缩绳排来实现，每节臂 的伸缩都是独立的，而单缸自动插销式伸缩技术则突破了这种观念，各节臂共 用一个伸缩缸，这样大大简化

5、了伸缩机构，减轻了吊臂的重量，也引领了轮式 起重机的技术进步。这种伸缩技术成功使用了其他领域的最新成果，是液压技 术、电子传感技术、数据总线控制技术、计算机编程技术的成果结晶。它的伸 缩原理是：伸缩油缸缸筒上的销轴即缸销不再是固定的，是可控伸缩的，油缸 上装有多个传感器，每节臂的尾部设计有感应装置，油缸可以找到需要伸缩的 吊臂，活动的缸销锁住该节吊臂后可实现该节臂的伸缩，而臂与臂之间的固定 则是通过安装在其尾部上的弹性插销即臂销来实现的，吊重作业时臂销参与受 力，除非带载伸缩，伸缩油缸在吊重时一般不受力。该项伸缩技术的核心技术 为：机械、液压、控制技术的一体化、伸缩动作的逻辑控制、缸销臂销的互

6、锁、 传感信息的传输和数据处理等。上述技术的采用使整个起重臂具有吊重能力强、 作业幅度大、可靠性高、操作简便、高效、安全、舒适等优点。单缸插销伸缩及控制技术是当今起重机领域最先进最前沿的核心技术，该 项技术的研究始于二十世纪九十年代,德国德马格公司率先进行该技术的研究, 利勃海尔与格鲁夫公司紧随其后，并在技术应用方面有很大的突破，利勃海尔 已将单缸插销伸缩技术成功地运用于50吨以上的ltm系列起重机，格鲁夫公司 也在其gmk系列起重机上广泛使用该技术。日本的多田野从2004年推出的 atf160g全地面起重机上开始使用单缸插销技术，其后在100吨以上的全地面 起重机推广使用。利渤海尔和德马格的

7、区别在于：利勃海尔将臂销置于起重臂 上平面，其优点是结构简单，自锁性强，便于实现；德马格将臂销置于两侧， 结构布置上比较困难，对制造精度要求更高。格鲁夫和多田野的单缸插销伸缩 结构原理同德马格相似，知识所依赖的控制系统有所不同。由于单缸插销式伸缩机构是利用单个油缸将各节臂依次伸缩，其优点是重量最轻，对整机稳定性 的影响最小，较易做成多节臂（五节以上）。因其伸缩臂截面变化小，能够极大 提高在大幅度长臂长下的起重性能。重型机械有限公司于2003年8刀研制成功qay125全地面起重机，在这台 起重机上成功实现了计算机集成控制的单缸插销式伸缩，首次实现了多节伸缩 臂全自动伸缩，国家工程机械质量监督检验

8、中心的试验表明，单缸插销伸缩机 构的技术指标达到国际先进水平。2004年10刀徐重同时开发岀六节臂的160 吨、200吨全地面起重机，2005年10刀徐重开发出六节臂的qy130k汽车起重 机，2006年10刀研制成功七节臂的240吨全地面起重机，以上产品均已成功 推向市场，实现了批量乞产，单缸插销伸缩及控制技术已在重型机械有限公司 的大吨位起重机产品上推广应用。通过几年的不懈探索和应用实践，我们基本掌握了单缸插销式自动控制伸 缩这一尖端技术，但是在产品的实际使用过程中，由于经验的欠缺、设计的不 完单、制造的误差等因素导致单缸伸缩系统工作可靠性不高，性能有待提升。 重型机械有限公司将以qay3

9、50大型全地面起重机的研制为平台，进一步开展单 缸多节臂插销技术及控制技术的更深层次的细致研究，依托徐工集团强大的科 研优势，与大专院校和国外专业控制技术研究公司一起联合攻关，走产学研相 结合的道路，力争用35年的时间彻底全面攻克起重机领域的高端技术难题, 并且将该项技术在起重机产品上全面推广，大力提升中国汽车起重机的技术水 平。二、单缸多节臂自动控制系统技术方案采用can总线的plc控制系统可以实现单个伸缩油缸自动进行多个伸缩臂 控制，控制对象是许多可以运动的油缸（包括固定在伸缩油缸两侧端的缸销油 缸和布置在上端的臂销油缸），各个油缸能够按照plc编程的逻辑关系接受控制 并进行工作，并在动作

10、检测完成后输出反馈信号给plc控制器，控制器可以进行 判断并实行下一步的控制，具体实现分析有下面几方面构成。缸销缸臂销缸k7 ifi3eo-y12a 卫 2b（）（）臂尾检测块/图一、伸缩控制液压原理滑 道 槽臂图二、伸缩机构布置图臂位检测开关1、机构上缸销的布置丿油 缸 滑 道"3夕导向滑板两侧缸销油缸在伸缩油缸两侧，安装对称的缸销油缸，缸销油缸可以插入到吊臂凹槽中,实现仲缩油缸与吊臂的互锁。2、伸缩机构上臂销的布置哥个吊臂尾端的上方有一个能够把臂与臂锁定在一起并可以上下方向运动的销轴（由于安装在伸缩臂上称为臂销），臂销的运动作用是实现臂与臂之 间的锁定或解锁，臂销在弹簧力的作用下

11、可以分别向上运动到相邻外节臂的三 个臂孔中（46%、92%、100%）这样臂与臂之间就达到刚性锁定的目的，当臂销 受伸缩油缸上的臂销缸下拉作用时，臂销可向下移动一端距离并从另一节臂的 臂孔中缩回，臂与臂之间处于解锁状态就可以独立运动，达到解锁的目的，臂销 的上端有受力后锁定的倒钩结构，防止臂销受力时脱落。3、臂销始、终端位置检测开关的布置初始位置检测开关附图：臂销始、终端位置检测开关在臂销的燕尾槽上安装有两个可以检测燕尾槽运动端点位置的接近开关 -s44和-s45,当臂销上移到终点位置后-s44发出电信号，这时臂与臂处于锁定 状态，臂销缸下移到终点位置时-s45发出电信号，这时臂与臂处于解锁状

12、态。4、机构上臂销螺栓的布置臂尾结构在伸缩油缸缸头的两侧设有可以左右方向运动的销轴油缸（由于安装在伸 缩油缸上称为缸销油缸），缸销油缸的作用是实现油缸与吊臂之间的锁定和解 锁，缸销初始位置在弹簧力的作用下可以左右方向运动并可以伸进吊臂后端两 侧销孔中达到与臂刚性锁定的目标，这吋油缸与吊臂锁定成为体，当缸销在 缸销油缸的作用下缸销可以回缩出缸销孔，吊臂与伸缩油缸就可成为可以相互 运动的机构。5、缸销左右运动接近检测开关的布置伸缩油缸的下方在左右缸销的两端都布置有两个接近检测开关，左缸销外 伸到终点吋接近开关-s40发出电信号，右缸销外伸到终点时接近开关-s41发出 电信号，当£40、-

13、s41都发出电信号时说明左右缸销都伸入进了吊臂上的缸销 孑l,伸缩油缸与吊臂处于锁定状态，左缸销回收到终点位置后接近开关-s42发 出电信号，右缸销回收到终点位置后接近开关-s43发出电信号，当-s42、-s43同时发出信号后说明缸销缸缩回出吊臂上的缸销孔，油缸与吊臂处于解锁状态。在一、二、三、四、五每一节吊臂后端的左或右端都安装了接近开关，可 以用来检测的检测撞块，在伸缩油缸缸头上面两侧共固定安装了 4个接近开关 -s46、-s47、-s48、-s49,分别可以检测一、二、三、四、五四个臂尾位置， 在这一位置缸销可以进行左右方向运动。7、缸销缸与臂销缸运动压力与方向的控制用排量20齿轮泵提供

14、的90bar的恒定压力油源作为控制臂销缸和缸销运动 的压力源，方向电磁阀的控制由-y11电磁换向阀控制，动作由电磁换向阀-y10 来控制，控制压力油由伸缩油缸的中央芯管来完成，中心芯管既作为进油管乂 作为回油管使用，当芯管进油时臂销缸或缸销缸能够动作，当从芯管中回油时 臂销缸或缸销缸复位，为了避免液压系统和管路带来的滞后现象 芯管保证了一 定的预压力（21）肛）左右。8、单缸插销技术液压系统模块化技术应用对于单缸控制伸缩的泵控类起重机（全路面qay200）,使用plc控制系统, 同时对液压系统元件的设计要求也发生了改变，由于plc控制系统的功能可实 现各种设计思想，所以在plc应用基础上开发满

15、足主机的专有元件就成了产品 应用的核心技术，液压设计也渐渐脱离通用标准阀的简单选用而转向专用阀的 设计，这是因为标准阀元件的通用功能不可能完美地实现对产品性能的要求， 同时又带来拼凑阀系统管路连接复杂、装配困难，性能降低，可靠性不高等问 题，在以后，我们进一步完成液压系统的模块化设计工作，更好地支持主机设 计耍求，利勃海尔与格鲁夫等知名厂家都是很好的例子，要完成液压系统元件 模块化设计必须借助于盖板式插装阀来实现，这样才可能使价格最低，盖板式 插装阀模块化设计有以下几方面的优点。模块化系统设计节省了传统设计元件间的管路连接，减少了潜在的泄漏点及 可能带来的油液浪费，把插装阀插入油路块的标准孔中

16、，加工维修简单。盖板式插装阀优点如下：系统设计灵活多变，便于实现逻辑控制。安装快捷，装配成本降低。外形尺寸较小，结构紧凑，管路简化美观性能和控制较好，压降小，发热较小。可靠性提高，维修简单，不必干扰系统管路。压力能力更高，应用于高压系统。工作效率较高。消除了外泄漏并减少了内泄漏。耐污染、耐受力更大。(10) 响应快，循环时间短。(11) 噪声级低插装阀只是提供另一种方法而不是取代传统滑阀，把插装阀与电液控制滑阀 相结合往往会取得良好效果。实行模块化设计的系统，可以使同类型产品系统以后的设计速度加快、生产 装配简化、可维修性提高，大大减少液压设计者的管路设计工作量，节省大量时 间，同时也利于以后

17、的设计技术稳定。模块化设计要求设计者有很高的系统设计技术水平和元件设计应用经验，我 厂多年时间模块化设计技术，对模块化技术应用提供了有力的保证。9、单缸多节伸缩臂插销工作原理分解伸缩机构的主要构成附图：伸缩控制的缸销缸、臂销缸的状态转变当选择自动控制伸缩系统实现五节吊臂依次向外伸出时，油缸会根据设置 依次伸岀五、四、三、二、一节臂，回收时依次回收一、二、三、四、五节吊 臂，做伸出运动前先根据所需求对伸缩组合进行规划，对工况进行工作规划后 进行设置，这时有以下工作过程：控制器工作方案设置每一节臂的上方有四个臂销孔位置分别为行程的0%、46%、92%、100%,对 需要伸缩的吊臂进行伸岀行程设置。

18、吊臂仰角为大于40。为了仲缩系统控制的可靠性和伸缩机构上的设计要求，各个缸销孔与缸销的间隙比较大，在吊臂仰角较小吋由于磨擦力作用吋，每一节臂的所在位置都 不能确定是不是处于全缩位置，这样伸缩油缸上的长度传感器检测出的距离就 不能代表伸缩臂上的臂销销轴所要动作的距离，造成误控制，导致控制上的失 败。因而吊臂为避免摩擦力的影响，吊臂仰角为50。至70。之间，保证重力克 服摩擦力的影响。-y10无电、-丫11有电，臂销缸压力油释放，在弹簧力的作用下臂销弹出与相邻外节臂锁定，缸销释放伸缩油缸与臂锁定。当工作规划制定后，首先plc控制器根据伸缩油缸上的长度传感器，确认 伸缩油缸缸头所处的位置，判断伸缩油

19、缸是伸出或者缩回，首先缸销缸要运动 到吊臂的臂尾（缸销孔）位置，主油泵供压力油帮助仲缩油缸完成这一工作， 例如开始时缸销与四节臂连接如按设置先伸出五节臂，伸缩油缸缸头将从四节 臂外伸到五节臂尾位置，当伸缩油缸缸头运动到指定要伸出吊臂臂尾位置后， 有许多的控制元件与检测元件配合下完成伸缩动作。举例说明1：伸缩油缸缸头初始位置处于四节臂尾按设置要求伸出五节臂到100%,动作过程分解如下：-y11送电（选择缸销动作工况）一-y10送电（提供控制压力油）一伸缩油 缸上的左右缸销油缸都回缩到位后-s42. -s43接近开关共同发出电信号->主油 泵开始工作通过换向阀向伸缩油缸供油f仲缩油缸外仲一仲

20、缩油缸缸头到达五 节臂臂尾后伸缩油缸上的吊臂检测块与五节臂上的检测撞块相撞一s49接近 开关发岀电信号检测到伸缩油缸缸头到了五节臂臂尾f主油泵排量变小伸缩油 缸速度减慢同时-y10无电（释放缸销）伸缩油缸上的左右缸销油缸在弹簧力作 用下复位，缸销伸入进入缸销孔一s40、-s41接近开关共同发出电信号（伸缩 油缸与臂锁定）一-y11无电（选择臂销动作工况）y10送电（提供控制压力 油）同吋油泵工作伸缩油缸外伸（使臂销与臂的锁定机构解锁）一伸缩油缸上 面的臂销缸解锁后开始向下运动，臂销在臂销缸的拉力作用下向下移动到终点 位置->-s45接近开关检测出臂销下移到终点位置后发出电信号（臂销与臂解

21、 锁）一油泵排量变大伸缩油缸转为快速运动一由伸缩油缸上的长度传感器进行 长度测量比较，伸缩油缸缸头接近力限器设定吊臂要伸出的位置区域f主油泵 排量变小伸缩油缸速度减慢同时-y10无电（释放臂销）伸缩油缸上的臂销缸释 放，在弹簧力的作用下向上运动，在臂销上端与要锁定一起的吊臂产生一段滑 动移动后进入到臂销孔s44接近开关发出电信号（臂销与臂锁定）一五节臂 伸缩动作完成一寻找进入下一个要伸缩的吊臂尾端一循环开始。举例说明2：在吊臂全仲后仲缩油缸全部冋缩吊臂根据伸缩机构的设计原理，在吊臂回缩时可以进行技术上的简化处理，方 法为寻找每一个吊臂尾部进行锁定。-y11送电一-y10送电一伸缩油缸上的左右缸

22、销油缸都回缩到位，伸缩油缸 快速前进一伸缩油缸缸头向前运动到二节臂尾端-s46检测到臂尾后发出电信 号油泵排量减小伸缩油缸速度减慢同时-y10失电，缸销缸运动在弹簧力作用下 伸缩油缸与二节臂锁定y11失电。-y10有电，同时油泵工作伸缩油缸外伸（使臂销与臂的锁定机构解锁）一臂 销缸向下运动臂销移岀一节臂上端二节臂与一节臂解锁一s45发出电信号一 伸缩油缸加速后退到力限器设定的二节臂全缩位置后-y10失电，臂销释放在弹 簧力作用下向上移动二节臂与一节臂锁定一y11送电->-y10送电一伸缩油缸 上的左右缸销油缸都回缩到位后伸缩油缸快速前进到下一节臂的臂尾一循环开 始。10、仲缩机构的安全性

23、设计因为单个伸缩油缸控制的多节臂技术较复杂，利用接近开关来检测目标并 发出电信号，由plc编程来整体控制，检测对象和控制对象的增多必将对设计、 制造质量、元件的可靠性提出了更高的要求，因吊臂伸缩中出现故障后的维修 性较差，所以在系统安全性和可靠性设计方面中做了以下几方面工作：为确保机构安全性采用液压互锁和机构互锁的冗余设计思想，臂销和缸销 的动作只能有个可工作运动，液压上电磁换向阀数量减少和系统设计都可以 实现方向选择上的互锁和机构上的互锁，臂销与缸销结构上的互锁由机构设计 来实现。各节臂全缩状态空缸防过伸在伸缩臂全缩状态下，当进行手动操作时，伸缩油缸检测到末节臂位后， 操作人员如果没有停止伸

24、缸动作，也未释放缸销，会造成仲缩油缸空缸过仲事 故，使伸缩油缸头部与主臂臂头撞击，造成油缸吊道或臂头损坏。考虑采用机 械限位和白动程序限制两种方式实现全缩状态空缸防过伸。伸缩油缸的工作压力可以根据不同的伸缩工况来自动选择为保证伸缩机构运动速度，伸缩油缸的运动速度很快，为了减小臂销和缸 销在工作过程中的冲击和止常工作，伸缩油缸在不同的工况下有不同的工作压 力来自动进行适应选择。为了解决系统失效后的伸缩臂安全收车，冗余设计了手动应急操作方式， 可以在plc失效后进行收车。在任何的伸缩操作时，伸缩油缸的缸头不能超过最前端臂尾，防止油缸外 伸运动过程中损坏起重臂的前端或其他机构。当伸缩油缸的缸头不在吊

25、臂的后端时（伸缩油缸上的接近开关不能检测到 检测块位置）伸缩机构的控制系统可以自动锁定，在这一仲缩过程中不能进行 臂销或缸销的运动操作。伸缩油缸和的臂销缸和缸销缸密封件元件的选取保证了伸缩系统的安全持 久性工作，首先采用了可靠的密封结构实现功能，特殊场合采用了低速稳定的 密封形式，特殊场合设计使用了能够承受一定的径向力且可速度稳定的密封元 件。伸缩油缸两侧都安装有导向滑板，滑板的前后两端结构都设计了可导向结 构，在油缸的下方有两个滑块对伸缩油缸进行辅助支撑帮助伸缩油缸运动到臂 后端位置时定位的准确性，伸缩油缸滑块进入吊臂的导向滑槽中或臂销油缸、 缸销油缸运动都在滑块的协助下完成。吊臂中液压系统

26、采用双回路设计避免吊臂中电磁换向阀-丫40 （缸销、臂销 工况选择开关）损坏后伸缩油缸不能缩回的可能。如果控制系统和液压系统发生故障，伸缩系统将向安全方向运动并进行锁 定。为了消除各个液压元件和控制系统带来的响应滞后操作，伸缩系统的缸销与吊臂孔配合间隙设计上较大，臂尾位置检测接近开关-s46、-s47、-s48、-s49 都采用可伸缩式浮动结构，保证了接近检测开关在伸缩缸偏离位置时各检测距 离的准确性，在检测到需要工作的吊臂后端目标后迅速减小主油泵的排量同时 释放缸销，仲缩油缸迅速降低仲缩速度，保证缸销在配合间隙内完成缸销锁定 和臂销运动的转换过程，防止伸缩油缸受力时臂销缸所受的磨擦力大而影响

27、各 个销轴的运动，在进行臂销锁定时采用预先释放的思想方法提前释放臂销，滑 动一端距离后进入臂孔，这样可以消除伸缩系统本身结构制造上带来的误羌和各个控制元件的滞后响应带来的影响。为了保证仲缩油缸和伸缩臂的装配，缸销缸与臂销缸装有快速接头。具有伸缩油缸回缩自动加速功能，伸缩油缸回缩时可根据工作压力信号自动加速，保证了伸缩的控制性能。在整个伸缩过程中监控系统对系统的工作进行跟踪监控，可以直观的对整个过程进行观察了解。在仲缩油缸伸缩时，由于臂长的不同起升动作将适应性工作，这时主油泵将分离出一个油泵给起升油路提供工作用油。在吊臂回缩吋单泵工作。采用发动机功率控制模式，保证在伸缩工作中让液压系统的功率、扭矩工作在发动机最佳工况，预防发动机熄火。三、实施效果全路面qay200单缸多节伸缩臂插销技术经过调试，终于取得了成功，目前我公司已经完全掌握了这一国际前沿技术，我厂液电技术应用水平有了较大程度提高，