刘博
（辽宁抚挖重工机械股份有限公司，辽宁抚顺 113126）
［摘要］文章针对卷扬机动作异常的故障现象，结合柱塞马达扭矩特性、液压系统匹配的特点及液压测试曲线进行分析，出故障原因，并结合元件特点制定改进方案，实施改进并测试，最终较好地处理了问题。 ［关键词］卷扬机；液压马达；多路阀；液压测试
［中图分类号］TH213.7 ［文献标识号］B ［文章编号］1001-554X（2020）12-0077-04
Fault analysis and treatment of abnormal actions for crane derricking winch
LIU Bo
1 故障现象描述
在某款50t级履带起重机新品试制过程中，发现载荷离地之后，再次较快速进行变幅起幅操作时，卷扬首先会迅速反转，并作停顿，持续数秒后，再逐渐向提升方向旋转。这种现象在起重机卷扬机构上是绝对不被允许的，因此需要从液压系统入手进行分析，并制定合理的解决方案。
2 故障分析及排查
该设备液压系统为开式系统，液压先导正流量控制，多路换向阀为串联形式，变量柱塞泵及定量柱塞马达集成卷扬制动阀，行星减速机驱动卷扬。 根据故障现象及液压系统的特点，采用液压测试仪对相关信号进行采集，测试MA、MB和Br3点压力（见图1）。其中MA为马达起升侧位于制动阀同马达之间的压力，MB为马达回油侧位于制动阀同马达之间的压力，Br为制动器解除油压力。测试条件为：柴油发动机转速1200rpm，吊载重量25t，载荷离地以后进行变幅起幅—停止—落幅循环操作。 通过图2的测试曲线，可将1个工作循环分成3个阶段。第1阶段为启动操作，可以看到MA、MB 均产生明显的峰值；第2阶段为卷扬马达的反向失速，该阶段MA、MB压力迅速下降、Br压力趋于平稳，时间持续了7s左右；第3阶段为卷扬逐渐恢复正向旋转，该阶段MA压力逐渐升高到足够克服负载，MB压力继续下降。这3个阶段的曲线基本可以还原故障现象的各个阶段。
变幅马达
安全阀
制动阀制动阀芯
主阀
落幅
B2主阀
起幅
补油A
A
A
MA
S
Br
B
MB
B
2
图1 马达及平衡阀回路图
DOI:10.1981.2020.12.013
［收稿日期］2020-07-21
［通讯地址］刘博，辽宁省抚顺市顺城区双阳路2号
使用维修
OPERATION & MAINTENANCE
制动解除压力延时100ms
峰值压力333bar
压力峰值333bar
失压时间7s
最低压力60bar
压力bar
压力bar
制动解除
首次测试曲线-峰值局部放大首次测试曲线20
100
100
p 3 B R
p 2 M B
p 1 M A
100
180
柴油抗磨剂
180
180
260
260260340
340
360
bar bar bar 2020-60-60
38.0
41.6
45.2
48.8
纸巾筒
52.4
38.238.839.440.040.6
-6020
100
100
p 3 B R
p 2 M B
p 1 M A
100180
180180260
260260340
340
360
bar bar bar 20
20
-60-60
-60
时间s
j biol chem时间s
Br 制动解除
Br 落幅
MB 落幅
MB 起幅
MA 起幅
MA 图2 基于故障发生时的测试曲线
由液压马达在液压系统中的扭矩计算公式，卷扬机构能够提供的对桁架臂的拉力
122
m mh P V F
i i D ηπ宠物垫
∆⋅=⨯⨯⨯⨯
其中 ΔP 为马达进出口压力差；V m 为马达排量；
ηmh 为机构的总机械效率；i 1为行星减速机减速比；i 2为滑轮组倍率；D 为卷筒工作层的直径。初步分析原因：当马达进出口压力差ΔP = MA -MB 过小，由压力曲线（见图2）测量在2MPa 左右时，卷扬提供的拉力F 不足以抵抗桁架臂负载，马达受外力作用变为泵工况而反转。
当进行变幅起幅操作时，液压先导手柄梭阀液控信号进入泵组变量口，主泵变量将先导油输入主阀；同时先导手柄液控信号推动多路阀变幅联阀芯向起幅方向换向，将主泵进入多路阀的先导油分配至变幅马达制动阀A 口，制动器打开；同时马达驱动减速机及卷筒做缠绕钢丝绳的起幅动作，马达回油经过制动阀芯后通过主阀回油箱。
首先判断可能是马达制动阀上面的安全阀在压力冲击下造成溢流，而制动器已经通过Br 口的制动油开启，马达在负载的作用下变为泵工况，同2个安全阀一起形成了1个独立的回路（见图3）。而当马达继续旋转，同时A 腔继续供油，导致A 腔内的压力持续升高到足以支撑负载，马达的泵工况停止，逐渐开始恢复正向旋转。
主阀落幅B 2主阀起幅
补油A A
A
MA
S Br B MB
B
2
图3 马达及平衡阀故障回路分析图
为了避免安全阀溢流，将安全阀调紧90°后继 续试车，结果仍然不理想。通过图4的曲线也可以看出，压力峰值继续升高，安全阀再次冲开，马达再次反转。如果继续将安全阀调紧，压力峰值会继续升高，对马达会有结构性的损伤，因此该处理方法不适宜。
结合液压系统分析，多路阀变幅联的先导控制压力范围是0.29～1.37MPa ，马达制动阀阀芯先导控制
压力范围是2～4MPa 。在先导手柄较快速操作时，很有可能多路阀阀芯的换向响应快于马达制动阀阀芯。这样就会造成马达回油侧回油不畅，产生压力峰值冲开安全阀，因此需要对多路阀阀芯和马达制动阀阀芯的匹配进行调整。
2020/12总第538期
制动解除压力延时100ms
峰值360bar
压力峰值360bar
失压时间10sec
压力最低75bar
压力bar
压力bar
制动解除
调高安全阀后-峰值局部放大
调高安全阀后测试曲线
时间s
时间s
Br 制动解除
Br 落幅
MB 落幅
MB 起幅
MA 起幅
MA 2
94
186186186278278278370
370
370
bar bar bar 94p 3 B R
p 2 M B
p 1 M A
942
2
-90-90
4.18.112.116.120.1
3.11 3.79
4.47
5.15 5.83
-90198
198198284
284284370
370370bar bar bar p 3 B R樱桃采摘机
p 2 M B
p 1 M A
112112112
262626
-60-60
-
60图4 调整安全阀后测试曲线
3 解决方案
通过同多路阀供应商协商，制定出如下方案：（1）在下降先导油口a 2处装入节流衬套（单向节流阀），使操作先导手柄做主臂提升动作时的阀芯换向响应变慢，改善进入马达起升侧先导油的初始流量响应。
（2）确保马达制动阀安全阀压力设定在35MPa ，因安全阀无法在设备上标定，可参考阀调整的经验值。
（3）主臂提升工作油口A 2处并联溢流阀，压力设定29.4MPa 。确保当变幅回路出现压力峰值时压力从该溢流阀溢流，避免马达制动阀的安全阀因压力冲击而打开，对马达进行保护。
改进方案参考图5和图6。
4 方案验证
经过调整，并重新在各个测试点接入液压测试仪，进行较快速地变幅起幅操作。从实际效果来看，消除了前文所描述的故障，卷扬有一个较好的起升响应。通过图7压力曲线分析，启动瞬间的压力峰值
降至300bar 以下，随之起升侧的压力趋于平稳，没有失压引起马达反转的趋势，多次操作，效果均比较理想。
变幅联阀芯
29.4MPa
多路阀
主提升2速
副提升1速变幅联
行走联P
b 1
a 1a 3a 4a 2
A 1A 2φ0.5
A 3
B 3A 4B Dr
T
4
B 1
B 2b 2
b 3
b 4
b 3
P′′图5 多路阀改进方案回路示意图
5 结束语
（1）通过液压马达扭矩输出特性和对液压系统的分析，结合液压测试仪的应用、曲线分析，准确地出了起重机变幅机构故障的原因。
（2）通过对关键元件内部结构和原理的了解，制定了有效的改进方案，解决了机构的故障。
使用维修
OPERATION & MAINTENANCE
写的4种假设与现实中的物体接触存在着很大的差
距，首先摩擦一定存在，其次接触面的曲率半径也不是远远大于接触面积。
弹塑性接触分析获得的Mises 应力比弹性接触分析获得的Mises 应力小46%，而弹塑性接触分析接触面积比弹性接触分析的接触面积大22%，说明擦窗机回转支承的内圈滚道在正常工况下已经发生屈服变形。
3 结论
（1）通过对回转支承的力学分析发现，
擦窗机在非工作状态下，工况3的当量载荷为1911057N ，远大于工况4的当量载荷894439N ，所以擦窗机在停机状态下应避免风垂直于伸缩臂。
（2）有限元弹性仿真和赫兹理论都是在完全弹性的条件下运算的，但赫兹理论是2183MPa ，弹性模型结果是1874.8MPa ，相差12%，主要是因为赫兹理论的假设具有局限性。
（3）弹塑性接触分析获得的Mises 应力比弹性接触分析获得的Mises 应力小46%，接触面积大22%。所以擦窗机工作过程中回转支承滚道会发生屈服变形。材料在发生弹塑性变形后会释放一部分内应力，充分利用材料的弹塑性可以提高擦窗机的承载能力。
［参考文献］
［1］GB/T 19154-2017. 擦窗机［S ］.［2］JB/T 2300-2011. 回转支承 ［S ］．
［3］ 陆明万，罗学富. 弹性理论基础［M ］. 北京：清华大
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［4］ 曹国兰，江勇. 回转支承承载性能分析方法研究［J ］.
中国高新技术企业，2016，381（30）：85-86.［5］ 贝克，刘传军. 现代机械工程设计：全寿命周期性能
与可靠性［M ］. 北京：清华大学出版社，2010.［6］H eras I ，Aguirrebeitia J ，Abasolo M. Friction torque
in four contact point slewing bearings ：Effect of man-ufacturing errors and ring stiffness ［J ］. Mechanism & Machine Theory ，2017，112：145-154.
［7］ 吴联朋. 超大型履带起重机回转系统的轮轨接触研究
［D ］. 沈阳：东北大学，2014.
节流衬套
溢流阀29.4MPa
图6 多路阀改进方案结构示意图
峰值压力286bar
稳定压力约140bar
制动解除
Br 落幅
MB 起幅
MA 20
100
100
p 3 B R
p 2 M B
p 1 M A
100180
180180260
260260340
340
360
bar bar bar 20
20
-60-60
44.348.352.356.360.3appcpa
-60图7 改进后测试曲线
［参考文献］
［1］ 李壮云. 液压元件与系统［M ］. 北京：机械工业出
版社，2005.
［2］ 吴晓明，高殿荣. 液压变量泵（马达）变量调节原理
与应用［M ］. 北京：机械工业出版社，2012.［3］ 黄志坚. 工程机械液压故障在线监测与智能诊断
［M ］. 北京：机械工业出版社，2012.
（上接第76页）
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