， ，

(沈陽建筑大學(xué) 交通與機械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽　110168)

引言

自升式塔機升降節(jié)采用液壓驅(qū)動，通常分為單缸頂升和雙油缸同步頂升。大型塔機由于頂升載荷較大，因而采用相對少見的雙缸同步頂升液壓系統(tǒng)。在雙缸頂升作業(yè)過程中，兩個油缸的同步性對塔機安全可靠工作具有重要影響[1]。

現(xiàn)有某型塔機采用雙缸實現(xiàn)標準節(jié)的同步升降。施工過程中，塔機頂升加節(jié)階段正常，但降節(jié)時雙缸下降明顯不同步，直接導(dǎo)致降節(jié)無法繼續(xù)。

1　故障分析

1.1　雙缸同步頂升系統(tǒng)原理

該塔機雙缸頂升液壓系統(tǒng)由高壓泵、手動換向閥、溢流閥、液控單向閥、節(jié)流閥以及兩個頂升油缸組成，如圖1所示。

(1) 頂升

操縱手動換向閥5于左位。進油：高壓泵1→手動換向閥5左位→分流集流閥8→液控單向閥9、10，節(jié)流閥11→油缸12無桿腔；回油：油缸12有桿腔→單向順序閥7→手動換向閥5左位→油箱。油缸活塞桿伸出，完成頂升。在頂升過程中，閥7中順序閥作為背壓閥，設(shè)定值2.5 MPa；系統(tǒng)工作壓力43 MPa由溢流閥3調(diào)定，溢流閥2為系統(tǒng)安全閥限定系統(tǒng)最高壓力45 MPa。

(2) 降節(jié)

操縱手動換向閥5于右位。進油：高壓泵1→單向順序閥7中單向閥→油缸12有桿腔。此時液控單向閥反向截止，系統(tǒng)壓力升高，壓力油經(jīng)控制油路將液控單向閥反向打開回油：油缸12無桿腔→節(jié)流閥11，液控單向閥9、10→分流集流閥8→手動換向閥5右位→油箱。油缸活塞桿縮回，完成降節(jié)。降節(jié)過程中，工作壓力由溢流閥6控制設(shè)定為8 MPa。

1.液壓泵　2.系統(tǒng)安全閥　3、6.溢流閥　4.空氣濾清器5.手動換向閥　7.單向順序閥　8.分流集流閥9、10.液控單向閥　11.節(jié)流閥　12.液壓缸圖1　雙缸同步頂升液壓系統(tǒng)原理

(3) 系統(tǒng)卸荷

操縱手動換向閥5于中位，其“H”型中位機能使高壓泵1輸出油液經(jīng)中位直接流回油箱，此時系統(tǒng)卸荷。

需要說明的是，該系統(tǒng)每個頂升油缸均設(shè)置兩條液控單向閥油路用于油缸進回油。這兩個液控單向閥通徑不等、開啟比相差近10倍，其中單向閥10通徑小、反向開啟壓力小且與一個節(jié)流閥串聯(lián)。如此設(shè)計的初衷，是便于對油缸升降過程中因偏載導(dǎo)致的兩缸不同步現(xiàn)象進行微調(diào)，同時也可為降節(jié)過程中的超越負載提供回油背壓。文獻顯示，這一設(shè)計思想應(yīng)源于法國Potain塔式起重機單缸頂升系統(tǒng)[2]。

1.2　頂升系統(tǒng)不同步故障分析

(1) 故障描述

該型塔機頂升加節(jié)過程正常，但降節(jié)時塔機上部與標準節(jié)還有600 mm左右，塔機出現(xiàn)向后傾斜70 mm、套架后下側(cè)滾輪板嚴重變形，無法繼續(xù)降節(jié)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)兩個油缸位置相差30 mm。后經(jīng)把快速油缸節(jié)流閥閉死后操作手動換向閥5至右位使低速油缸單獨降至同步位置后，打開剛才關(guān)閉的節(jié)流閥，操縱手動換向閥5至右位驅(qū)動兩油缸同時下移。如此幾次的調(diào)整才完成塔機上部與標準節(jié)的合口。

(2) 降節(jié)不同步故障樹

以塔機雙缸下降不同步故障為頂事件，采用故障樹法對其進行分析。首先假設(shè)：底事件相互獨立、事件均為二值性且不存在外界干擾因素，如油缸支架應(yīng)牢固，各油路均連接良好。

通過對塔機雙缸頂升液壓系統(tǒng)原理分析可知，導(dǎo)致雙缸下降不同步現(xiàn)象的直接原因可以為：油缸結(jié)構(gòu)不同步、分流集流閥故障、液控單向閥故障及節(jié)流閥調(diào)整不當。四個事件只要發(fā)生一個，頂事件即發(fā)生。油缸結(jié)構(gòu)不同步可由油缸泄漏量不等或油缸結(jié)構(gòu)尺寸誤差過大引起，只要其中之一發(fā)生即會出現(xiàn)油缸不同步。對其它中間事件做類似分析，可建立該型塔機雙油缸下降不同步故障樹如圖2所示[3-6]。

圖2　塔機雙缸下降不同步故障樹

故障樹中，頂事件、中間事件、底事件分別用T、S、X符號表示。其中T為兩油缸下降不同步；S1為油缸結(jié)構(gòu)不同步；S2為分流集流閥故障；S3為液控單向閥故障；S4為油缸泄漏；S5為分、集流失靈；X1為節(jié)流閥調(diào)整不當；X2為油缸內(nèi)徑尺寸不同；X3為同步誤差大；X4為逆流流量偏差；X5為泄漏；X6為密封件破損；X7為缸筒變形；X8為閥芯徑向卡阻；X9為系統(tǒng)壓力過低。

因該故障樹中僅存在或門，故所有底層故障都是兩缸下降不同步這一頂事件的最小割集，即最小割集為{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}。這些底事件中只要有一個發(fā)生就會導(dǎo)致頂事件發(fā)生，在故障分析過程中必須根據(jù)實際工況逐個判斷。

(3) 故障分析

由故障樹可清楚看出影響雙缸降節(jié)不同步的所有因素，可用排除法對最小割集進行排查。

對于S1油缸結(jié)構(gòu)不同步及導(dǎo)致該事件的所有底事件，由于批量生產(chǎn)的同規(guī)格油缸在密封和油缸結(jié)構(gòu)尺寸上差異甚微，且雙缸頂升時，同步性滿足要求，導(dǎo)致中間事件S1的要素S4、{X2}、{X6}、{X7}可以排除；同理，頂升階段的雙缸同步保證可排除分流集流閥同步失靈中間事件S2的相關(guān)要素S5、{X3}、{X8}、{X9}。

至此，可確定故障集中在S3液控單向閥故障和{X1}節(jié)流閥調(diào)整不當上。而對于{X1}節(jié)流閥調(diào)整不當，考慮塔機施工時，要求現(xiàn)場技術(shù)人員感受雙缸載荷偏載狀態(tài)對其作出適當調(diào)整并不現(xiàn)實也不可靠，因而不應(yīng)將其作為導(dǎo)致雙缸不同步的關(guān)鍵要素。再考慮到現(xiàn)場實際調(diào)整降節(jié)過程是通過快缸節(jié)流閥關(guān)閉、手動換向閥右位工作來反復(fù)補償調(diào)整雙缸同步的現(xiàn)實，可以判明該系統(tǒng)雙缸下降不同步的根本原因在于底事件{X4}、{X5}。對4個液控單向閥進行工作測試時未見明顯泄漏，{X5}可以排除。

由此可確定故障為S3液控單向閥故障，具體表現(xiàn)為塔機降節(jié)時液控單向閥回路逆流流量出現(xiàn)偏差。原因在于降節(jié)過程油缸承受超越負載，系統(tǒng)壓力主要是回油背壓所致。而液控單向閥10反向開啟壓力小，降節(jié)時迅速開啟，油缸無桿腔油液經(jīng)閥11、10流回油箱，控制油路壓力不再繼續(xù)升高，導(dǎo)致液控單向閥9始終無法開啟，迫使降節(jié)回油單一經(jīng)由節(jié)流閥11和液控單向閥10，兩缸的下降速度便單一地由節(jié)流閥11分別控制。當兩缸偏載且兩個節(jié)流閥11閥口開度匹配不當，雙油缸下降即出現(xiàn)不同步。

2　改進方案

借助系統(tǒng)原理圖對雙缸降節(jié)不同步故障的分析過程可知，降節(jié)不同步源于將法國Potain塔機單缸頂升技術(shù)不加改造直接移植到雙缸頂升系統(tǒng)所致，屬于設(shè)計缺陷。小通徑液控單向閥10所串聯(lián)的節(jié)流閥非但無法起到均衡雙缸運動速度的作用，相反還對分流集流閥8的等量集流性能形成干擾。

為保證降節(jié)過程雙缸同步，可對原系統(tǒng)作出如下改進：

(1) 將原系統(tǒng)中與頂升油缸無桿腔相連的2條油路歸并為1條大通徑液控單向閥油路，去掉該油路串聯(lián)的節(jié)流閥，用分流集流閥來單一保障雙缸同步精度；

(2) 節(jié)流閥11在頂升油缸下降承受超值負載所起回油背壓作用另由增加的外控平衡閥提供；

(3) 節(jié)流閥11所起的頂升油缸運動調(diào)速功能，通過在分流集流閥油路上串接節(jié)流閥實現(xiàn)；

(4) 將降節(jié)溢流閥6的進油口上移至閥7進油口上端，可在背壓閥7失效時對油缸提供過載保護，增加系統(tǒng)工作安全性。

改進后的雙缸頂升液壓系統(tǒng)方案如圖3所示。

圖3　改進后的雙缸頂升液壓系統(tǒng)原理

需要說明的是，分流集流閥對偏載的自適應(yīng)糾偏存在限度，借助該系統(tǒng)頂升和降節(jié)，較為穩(wěn)妥的方式應(yīng)是頂升和降節(jié)之前先盡可能通過小車和配重調(diào)節(jié)實現(xiàn)雙缸近似均載。

3　結(jié)論

依據(jù)某型塔機液壓系統(tǒng)降節(jié)過程雙缸不同步的故障現(xiàn)象，通過對其原理圖的深入分析，借助液壓故障樹技術(shù)找出故障原因，給出了原系統(tǒng)的改進方案。

根據(jù)新方案，對使用原系統(tǒng)塔機建議采用關(guān)閉2個節(jié)流閥的方式降節(jié)。實際運行結(jié)果表明，關(guān)閉2個節(jié)流閥后降節(jié)，雙缸不同步現(xiàn)象消失。可見，基于液壓故障樹原理做出的故障診斷準確有效，同時也可表明改進后的系統(tǒng)能夠滿足雙缸頂升和降節(jié)的技術(shù)性能要求。

塔機雙缸降節(jié)不同步故障的出現(xiàn)和解決過程也說明了液壓系統(tǒng)細節(jié)決定結(jié)果的技術(shù)特征，因此對細節(jié)的斟酌和把握在液壓系統(tǒng)設(shè)計過程中必須加以高度重視。

參考文獻：

[1]寧辰校，張戌社，羅占興.液壓啟閉機同步控制研究[J].液壓與氣動，2012，(12)：57-60.

[2]梅琨.法國Potain塔式起重機頂升液壓系統(tǒng)的分析與改進[J].建筑機械，1995，(1)：26-30.

[3]趙亮培.基于故障樹分析的液壓系統(tǒng)故障診斷研究[J].起重運輸機械，2009，(1)：98-100.

[4]蘇欣平，吳學(xué)深，楊成禹,等.基于故障樹的叉車液壓系統(tǒng)故障診斷研究[J].機床與液壓，2011，(17)：138-139.

[5]何慶飛，王漢功，陳小虎.故障樹分析法在汽車起重機液壓系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用[J].機床與液壓，2008，(2)：196-198.

[6]張霞.油缸常見液壓故障診斷[J].煤礦機械，2006，(6)：1092-1093.