内容提要：本文分析了塔式起重机液压起升机构的工作原理、参数计算过程和主要元件的选型。
1,引言
随着科学技术的不断发展，越来越多的新技术应用到塔式起重机的设计上来，同时液压传动技术也在不断的完善、成熟，国产液压元件的质量不断的提高，逐渐克服以前存在的液压油泄漏现象，因此液压传动技术广泛的应用在塔式起重机的设计上就成为一种必然的趋势。就国内塔式起重机的机构而言，除去顶升机构为液压驱动外，起升、变幅、回转多为电动机驱动，配置大速比的减速机，最终驱动执行机构（比如小车、吊钩等）。而国外，塔机（尤其是大中型塔式起重机）全液压驱动的机构已越来越多，为此本文就塔式起重机起升机构进行初步的研究.
2，液压驱动优点
2.1 液压驱动能避免电动机频繁、带载启动；启动液压系统时，没有负载，因此电动机空载启动，液压系统启动后，电动机一直在运转，非起升工况，电动机空转，只有在起升（下降）工况，电动机才带载荷工作。长时间没有起升（下降）的动作时，可以关闭电动机。
2.2 运行平稳，机械冲击小；由于液压油具有一定的可压缩性，相当于各连接副之间为柔性连接；
2.3 调速方便甚至可以实现无级变速；高性能的液压系统（如比例流量控制系统）配以专用的电气控制系统，可以非常容易的实现机构的无级变速。本文所介绍的液压系统从电气控制的角度考虑，没有实现无级变速。
2.4 易实现过载保护；液压系统限定了最高的系统压力，从而有效的保护电动机、连轴器、减速机等元件免受过载的侵害。
3，名词解释
3.1 排量：指的是液压油泵（或液压马达）每转输出（或消耗）的液压油的体积；单位为ml/r.与输入（输出）扭矩有直接的关系。
3.2 流量：指的是液压油泵（或液压马达）单位时间输出（或消耗）的液压油的体积；单位为l/min.与排量和转速有直接的关系。
3.3 系统压力： 液压系统的工作压力是由负载决定的，当负载大到一定程度或者说工作压力达到一定数值，液压系统中的溢流阀会产生动作，卸掉多余的液压油，使压力不再升高，即实现过载保护。该压力即为系统压力。
3.4 容积效率：由于液压油的泄漏，液压马达的实际流量要大于理论流量，理论流量与实际流量的比值为容积效率。对于液压泵，容积效率也有同样存在。
4,液压起升机构结构组成
液压传动的起升机构有高速液压马达和低速液压马达两种形式，高速马达需要带动减速机驱动卷筒，具有重量轻、容积效率高、可以配置标准减速机等优点，但是外形尺寸较大（见图一），如果采用行星轮减速机，可以将减速机构安装在卷筒内部，可以大大的减小外形尺寸（见图二）；低速大扭矩液压马达可以直接驱动卷筒（图三），传动简单，起制动性能好，对液压油的污染不敏感，但是容积效率低会影响机构转速；对于80系列的塔机，我个人的观点倾向于使用图一所示的结构方案。
图一 图二 图三
5 液压系统原理
液压驱动的起升机构应满足塔式起重机工作时不同工况的要求：最高起升速度、最低稳定下降速度、断电或卸压自动保护、控制由重物引起的反转、过载保护、液压油的加热和冷却。 图四是液压系统原理图，现在对其进行分析：
5.1 流量控制：本系统采用定量双联油泵供油，两个泵的排量是不同的，分为大泵（B1）、小泵(B2)，每一个泵有各自独立的电磁式溢流阀（Y1、Y2）控制，并由单向阀（D1、D2）与系统单向隔离，两个泵的流量可以单独使用也可以叠加使用而且互不干涉；启动电动机后，电磁铁（DT1、DT2）通电时，油泵向系统供油，电磁铁失电时，油泵卸荷。由电气系统控制电磁溢流阀的电磁铁DT1、DT2的通电断电，可以组合成3种起升速度：两个泵同时工作时可以获得最高起升速度，大、小泵单独工作时可以获得不同的工作速度；最低稳定下降速度可以通过连接在回油管道上的换向阀（H2）和节流阀（J1）实现。也就是说，系统流量决定了起升速度。
5.2压力控制：本系统中，当大小泵（B1、B2）单独工作时，溢流阀（Y1、Y2）分别控制两个泵的压力（设计值为21MPa,后文解释该压力的由来），但是当大小泵（B1、B2）同时在21MPa压力下工作时，会使电动机超载，因此设计有远程控制回路，由隔离单向阀（D3、D4）、二位换向阀（H3）、直动溢流阀（Y3）组成，作用是将系统压力由直动溢流阀（Y3）设定为8MPa。系统的压力最终决定了起升重量的大小。
5.3系统不工作时（即液压系统处于卸压状态），制动油缸（G1）的制动爪在弹簧的作用下，产生制动力矩，吊钩及吊重处于悬停状态；
5.4吊重起升时，电磁铁DT2、DT3吸合，小泵B2供压力油，换向阀H1置于右位，压力油经过单向节流阀（DJ1）进入制动器液压缸，制动器松开；同时，压力油经过平衡阀（P1）的单向阀进入起升卷杨机构的液压马达并驱动其旋转，使吊重起升；单向节流阀（DJ1）的节流作用，目的是使制动器松开较液压马达旋转滞后，可以避免吊重在起升驱动力矩完全建立之前“溜钩”。操纵系统控制电磁铁DT1、DT2的组合,可以获得三种不同的起升速度。
5.5吊重下降时，电磁铁DT2、DT4吸合，小泵B2供压力油，换向阀H1置于左位，压力油经过单向节流阀（DJ1）进入制动器液压缸，制动器松开；同时，压力油直接进入液压马达使其反转，吊重下落，回油油路中，平衡阀（P1）受到压力油的作用推动平衡阀的阀芯，调节其开度，产生背压作用，使吊重平稳下落。同样电气系统控制电磁铁DT1、DT2的组合,可以获得三种不同的下降速度；由于小泵B2的流量不能保证最低稳定下降速度的要求，因此在回油油路中串联换向阀H2,当电磁铁DT5吸合时，换向阀H2置于左位，回油经过节流阀J1,控制最低稳定下降速度。
5.6起升或下降动作结束时，系统卸压，制动器下腔的液压油在弹簧的作用下经过单向阀卸掉，制动器锁紧。实现断电或卸压自动保护，同时控制由重物引起的卷筒反转。
5.7过载保护功能：对液压系统来讲，系统压力是由负载决定的，并随负载变化；溢流阀Y1、Y2设定了一个最高压力，当负载过大时（比如吊重过重超过某一预定值、或因惯性力造成瞬时超载），系统压力超出设定的压力，溢流阀的功能就是在保证当前压力的前提下，高压油不再进入系统，而是通过溢流阀的回油口流走，从而达到过载保护的目的。
5.8换向阀H1的中位机能为K型，即在电磁铁不动作时，换向阀的进油口、回油口和接执行机构的一个油口是相通的，一方面可以利用回油管道的阻力产生的的压力为液压马达补油，另一方面使系统卸载。
5.9根据液压系统的工作特点，还设计有以下辅助装置：①吸油滤清器L1：防止杂质进入液压系统，用以保护液压元件；②油冷却器Q1：当天气热或工作时间过长时，液压油油温升高，液压油粘度下降，会影响系统工作，油冷却器的作用是降低油温；③油标YB1：作用是随时监视液位的高低，提醒补充液压油；④加热器R1：当在比较寒冷的地区使用时有时需要对液压油加热，液压油低温时粘度大，加热可以保证系统正常工作。
6 参数计算及主要元件选型举例
本文将以QTZ80塔式起重机为例，结合电力传动的起升机构和GB5037-93，在机构输出参数、参数计算方法、元件选型等几个方面进行分析：
机构主要参数：卷筒直径：360mm;
最大起升速度：80m/min（二倍率）;
最低稳定下降速度：≤7m/min;
6.1首先计算缠绕钢丝绳后起升卷筒的直径：起升卷筒本身直径D0=360mm： 起升钢丝绳直径12.5mm，钢丝绳共缠绕5层；按照中间一层钢丝绳计算直径为D1=416mm。
6.2最大起升速度：V=80m/min（GB/T5037-93）;钢丝绳最大线速度V1=160m/min.
6.3钢丝绳牵引力的计算：钢丝绳的牵引力应该克服满载起重量（60000牛顿）、吊钩重量（2608牛顿）、钢丝绳重量（73*0.45*10=328.5牛顿）和传动过程中的摩擦力。
下表列出的QTZ80塔式起重机电力传动的起升机构在不同的倍率下起升速度和吊重的关系；有这组数据可以计算机构的功率。我们仅以四倍率的参数作计算：
表一
|
倍率 |
二倍率 |
四倍率 |
|
吊重(N) |
12000 |
30000 |
30000 |
24000 |
60000 |
60000 |
|
起升速度(m/min) |
80 |
40 |
≤10 |
40 |
20 |
≤5 |
吊重为60000N时，钢丝绳的最大牵引力T1=(60000+2608+328.5)/0.95/4=16562N
吊重为24000N时，钢丝绳的最大牵引力T2=(2400+2608+328.5)/0.95/4=7088N
6.4卷筒（即减速机）最大输出扭矩的计算：
N=D1/2000*N=416/2000*16562=3445N.m。
6.5减速机输出最大转速：n=V1/（D1*π/1000）=160/(416*π/1000)=122.4r/min。
6.6减速机传递功率：我们可以看出使用在四倍率，起升速度为20m/min时，减速机的传递功率最大：此时钢丝绳线速度V=20*4=80m/min
Pmax=T1*V/60/1000=16562*80/60/1000=22.1Kw.
6.7减速机选择：选取标准减速机，型号为:ZLY125-10-II-ZBJ19004-88;
该减速机为硬齿面圆柱齿轮减速机，二级传动，传动比i=10；输出轴转速为122.4r/min，传动功率为28.6Kw；能满足该系统的要求。
6.8液压马达输出扭矩和转速的计算：
马达的最大输出扭矩N1=N/(I*η)=3445/(10*0.95)=362.6N.m;
其中η为减速机的传动效率。
马达的最大转速即减速机的输入转速n1=n*i=122.4*10=1224r/min;
6.9液压系统压力的确定：
根据液压元件和管路及管路焊缝的承压能力，兼顾液压元件密封性能，初步将系统压力定为21Mpa;也就是说根据21Mpa的系统压力作为计算马达、油泵功率和选择各种元件的依据。
6.10马达排量的计算及马达选型：马达排量系统压力一起共同决定马达扭矩；下面的公式用来计算马达的输出扭矩：
N2=P*q*ηm/(2π) =362.6N.m
其中：P：系统压力。P=21Mpa;
q:马达排量；ml/r
ηm:马达的机械效率；ηm=0.95
得 q=362.6*2π/(21*0.9)=120.5ml/r;
选择A2F125R2P1型斜轴式轴向柱塞定量马达，该马达的排量为126.3ml/r.允许工作压力为35Mpa.
6.11系统流量的计算：系统流量指的是单位时间流经液压马达（或系统）的液压油体积，决定马达的转速；同时系统流量还决定液压元件的的通径:
Q=q*n=126.3*1224/1000=154.8m/min;
6.12电动机型号的选定：首先计算电动机功率：
电动机的功率可以认为就是前面计算的减速机传递的功率28.6Kw;一般情况下选用4极Y系列电动机，电动机的型号为Y200L—4，功率30Kw,额定转速1470r/min.
6.13油泵排量的计算、分解与油泵的选型：
油泵排量由系统流量和电动机转速决定；
q0=Q/1470*1000/ηb=154.8/1470*1000/0.95=110.8ml/r.
ηb:油泵的容积效率；ηb=0.95
按照前面液压系统原理图的分析，油泵分为大小泵，大小泵的排量之和等于110.8 ml/r.选择榆次液压件厂的PFED—4131070/044油泵，大泵排量69.9ml/r, 小泵排量43.7ml/r, 总排量为113.6ml/r.两泵的额定压力均为21Mpa.
6.14根据选择的电动机、油泵和马达的型号，按上述相反的计算方法可以计算出本起升机构的工作参数：
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|
系统流量（l/min） |
四倍率起升速度(m/min) |
系统压力(MPa) |
起重量(包含吊钩重量)(N) |
电动机功率(kw) |
备注 |
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小泵单独工作 |
61 |
15.8 |
21MPa |
66730 |
26 |
|
|
大泵单独工作 |
97.6 |
25.2 |
21MPa |
66730 |
33 |
电动机允许短时间超载0.25倍 |
|
双泵同时工作 |
158.6 |
41 |
8MPa |
25420 |
22 |
远程控制电磁铁DT6吸合，溢流阀Y3控制系统压力 |
7，结论：随着科学技术的发展，新的科学技术将不断地应用到生产实践中去，相信液压机构在塔式起重机上的应用会成为今后发展的一个方向。富友公司将致力于塔式起重机新技术的研究开发，为大家服务。
技术本文对液压起升机构作了简单的论述，目的在于起一个抛砖引玉的作用，欢迎大家共同探讨。
参考资料：<<工程起重机>>第二版，哈尔滨建筑大学 顾迪民1988
<<起重机设计手册>>第一版，中国铁道出版社 1998年3月
<<液压传动与控制教程>>第一版，天津大学出版社 1987年2月 |
