全路面起重機的發(fā)源地在德國,“技術(shù)第一,質(zhì)量至上”是德國制造業(yè)的核心價值觀,表現(xiàn)出其對產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量的狂熱追求。
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全地面起重機關(guān)鍵技術(shù)淺析

??來源:中國起重機械網(wǎng)??作者:admin
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全路面起重機的發(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(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(shù)也成為無冕的標(biāo)準(zhǔn)。本文似從底盤設(shè)計技術(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的主要關(guān)鍵技術(shù)所在。
底盤設(shè)計技術(shù)
  底盤設(shè)計技術(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,這兩項技術(shù)是全地面起重機的獨有技術(shù)。下面對油氣懸架系統(tǒng)進行探討。
  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。
  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(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),可以提高整機縱角向剛度,克服制動點頭現(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,后者在輪式起重機的起重作業(yè)中非常有用。
  要制造全地面起重機,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。全地面起重機底盤的設(shè)計要由起重機廠自己進行,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。
  機構(gòu)不同 全地面起重機的關(guān)鍵技術(shù)是油氣懸架機構(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技術(shù)。
  使用工況和設(shè)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(shè)計方法和計算機原理上有很大區(qū)別,尤其是大噸位起重機底盤。例如,汽車設(shè)計中傳動機構(gòu)齒輪的破壞形式是點蝕,因此設(shè)計計算機以疲勞載荷為主;而起重機底盤設(shè)計中傳動機構(gòu)齒輪的破壞形式是斷裂,因此設(shè)計計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廠的批量供應(yīng)產(chǎn)品非常困難。
  值得一提的是格魯夫的Mega Track滑柱式油氣獨立懸架系統(tǒng)。獨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(Earle S MacPherson)于1947年受飛機起落架的啟發(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動,前輪定位變化小,具有良好的行駛穩(wěn)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(nèi)部空間,給發(fā)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(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。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?;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公司在分析了各種懸架的優(yōu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(shù)。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(tǒng)設(shè)計。
吊臂制造技術(shù)
  為提高起重機的起重作業(yè)性能,最直接的辦法就是減輕起重吊臂的質(zhì)量。為達此目的,首先要有先進的吊臂設(shè)計理論,設(shè)計出剛度大、質(zhì)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960 MPa以上的鋼材,有些100t級的起重機為減輕質(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)計要用到最先進的力學(xué)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LTM 1500型全地面起重機的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,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(chǎn)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、Link-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?qū)⒁惶椎醣鄣谋弁蔡自谝黄鸾回洝?BR>CAN總線控制系統(tǒng)
  傳統(tǒng)起重機的電器控制系統(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。隨著起重機的電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜,特別是大量ECU (Electric Control Unit)的使用,使對一的通信幾乎不可能實現(xiàn)。CAN總線控制系統(tǒng)有效地解決了這個問題。
  CAN(Control Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò),是計算機網(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、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(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 起重機是回轉(zhuǎn)作業(yè)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(fā)動機油門、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、變速器的水溫、<
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