CN108840264A - 钢丝绳预紧力加载方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢丝绳预紧力加载方法及系统，涉及工程机械领域，用以在收绳操作中对钢丝绳施加准确的张紧力。该方法包括以下步骤：判断收放绳卷扬处于起升还是下落状态；若处于起升状态，判断钢丝绳吊重量产生的拉力和自身重量产生的拉力之差是否不小于设定的最小张紧力；若钢丝绳吊重量产生的拉力和自身重量产生的拉力之差小于设定的最小张紧力，则闭合张紧机构的离合器；计算张紧机构所需要施加给钢丝绳的理论张紧力；根据计算得到的理论张紧力计算与张紧机构的张紧马达连接的溢流阀的控制电流理论值；采用控制器控制溢流阀的控制电流大小，使之等于计算得到的控制电流理论值。上述方案能有效控制钢丝绳张紧力的大小。

Description

钢丝绳预紧力加载方法及系统

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体涉及一种钢丝绳预紧力加载方法及系统。

背景技术

大型起重机在空钩起升后再从高空往下吊重物，当重物重量达到一定值时，会出现“切绳”(又叫“勒绳”)。“切绳”故障会引起钢丝绳断丝，整车晃动，甚至翻车等问题。切绳又叫勒绳，是指收放绳卷扬外层钢丝绳挤进下一层，或下层钢丝绳挤到上一层。

钢丝绳张紧机构在起重机空载收绳时给收放绳卷扬钢丝绳提供一定预紧力，能有效解决上述问题。钢丝绳张紧机构主要有减速机(内置离合器)、卷筒、支架、加载马达、控制阀及控制器等组成。钢丝绳张紧机构依靠加载马达、控制阀组成的液压系统提供钢丝绳预紧力。依靠减速机中的离合器的结合或脱开来控制加载力是否施加到卷筒。

发明人发现，现有技术中至少存在下述问题：现有的张紧机构施加的张紧力不够精确合理。

发明内容

本发明提出一种钢丝绳预紧力加载方法及系统，用以在收绳操作中对钢丝绳施加准确的张紧力。

本发明提供了一种钢丝绳预紧力加载方法，包括以下步骤：

当收放绳卷扬处于起升状态，判断钢丝绳吊重量产生的拉力和自身重量产生的拉力之差是否不小于设定的最小张紧力；

若钢丝绳吊重量产生的拉力和自身重量产生的拉力之差小于设定的最小张紧力，则闭合张紧机构的离合器；

计算张紧机构所需要施加给钢丝绳的理论张紧力；

调节所述张紧机构对所述钢丝绳施加的张紧力，使之等于计算得到的理论张紧力。

在一些实施例中，所述调节所述张紧机构对所述钢丝绳施加的张紧力，使之等于计算得到的理论张紧力包括以下步骤：

根据计算得到的理论张紧力计算所述张紧机构的溢流阀的控制电流理论值；

采用控制器控制所述溢流阀的控制电流大小，使之等于计算得到的控制电流理论值。

在一些实施例中，采用下述公式计算钢丝绳吊重量产生的拉力F₁：

F₁＝t/n；其中，t为吊重量，n为钢丝绳倍率。

在一些实施例中，采用下述步骤计算钢丝绳自身重量产生的拉力F₂：

F₂＝mhg sinθ；其中，h为臂长；θ为变幅角度；m为每单位钢丝绳的质量；g为重力加速度。

在一些实施例中，采用下述步骤计算张紧机构所需要施加给钢丝绳的理论张紧力F：

F＝F₃-(F₁-F₂)；其中，F₃为设定的最小张紧力。

在一些实施例中，采用下述步骤计算所述溢流阀的控制电流理论值：

计算溢流阀的压力值P₂：其中，P₁为张紧马达的供油压力，d为卷筒组件中主动卷筒的直径，V为张紧机构的张紧马达的排量，i为马达转速与所述主动卷筒转速之比。

根据溢流阀的压力值P₂与控制电流特征曲线计算溢流阀的控制电流A：A＝f(P₂)。

在一些实施例中，所述调节所述张紧机构对所述钢丝绳施加的张紧力，使之等于计算得到的理论张紧力的步骤包括：

控制张紧机构的张紧马达的排量，以使得张紧机构对所述钢丝绳施加的张紧力等于计算得到的理论张紧力；其中，所述张紧马达为变量马达。

在一些实施例中，采用下述步骤闭合张紧机构的离合器：

控制与所述离合器连接的控制阀的阀位，以使得液压油通过所述控制阀闭合所述离合器。

在一些实施例中，所述溢流阀包括电比例溢流阀。

在一些实施例中，所述张紧机构被构造为：若所述离合器处于闭合状态，所述张紧机构能够对所述钢丝绳施加张紧力；若所述离合器处于脱开状态，所述张紧机构不能对所述钢丝绳施加张紧力。

在一些实施例中，所述张紧机构设于所述收放绳卷扬和伸缩臂端部的滑轮组之间。

在一些实施例中，所述钢丝绳预紧力加载方法还包括下述步骤：

当所述张紧马达反转时，采用与所述张紧机构的溢流阀并联的单向阀为所述张紧马达补油，以防止所述张紧马达吸空。

在一些实施例中，采用下述步骤判断起升机构的收放绳卷扬是否处于起升状态：

根据控制器采集到得收放绳卷扬的电控手柄的电流信号判断起升机构的收放绳卷扬处于起升状态还是下落状态。

本发明另一实施例提供一种钢丝绳预紧力加载系统，包括：

张紧机构，用于对钢丝绳施加预紧力；以及

控制器，与所述张紧机构连接，用于控制所述张紧机构对所述钢丝绳施加的预紧力。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

上述技术方案，首先根据收放绳卷扬的起升、下落状态判断是否有可能施加张紧力。若收放绳卷扬处于下落状态，则不进行后续步骤。若收放绳卷扬处于起升状态，则此时根据钢丝绳的吊重量以及自重产生的拉力之差判断是否需要对钢丝绳施加张紧力。若需要施加张紧力，然后根据计算得到的张紧力大小进行定量控制，以使得对钢丝绳施加的张紧力始终与工程机械设备此时的状态匹配。上述钢丝绳预紧力加载方法合理，且实现了定量加载预紧力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的工程机械的部分结构示意图；

图2为图1的局部放大示意图；

图3为本发明一实施例提供的张紧机构的原理示意图；

图4为本发明一实施例提供的钢丝绳预紧力加载方法流程示意图；

图5为本发明另一实施例提供的张紧机构的原理示意图。

具体实施方式

下面结合图1～图5对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

在一些实施例中，以工程机械为起重机为例，介绍钢丝绳预紧力的加载方法。起重机包括转台1、伸缩臂15、起升机构以及加载系统。起升机构安装于转台1，加载系统安装于伸缩臂15。

参见图1至图4，起升机构包括驱动装置、传动装置、收放绳卷扬2、滑轮组、钢丝绳3、取物装置和制动装置。

加载系统用于对钢丝绳3施加加载力，其包括张紧机构4和控制器9。张紧机构4用于对钢丝绳3施加预紧力。控制器9与张紧机构4连接，用于控制张紧机构4对钢丝绳3施加的预紧力。

参见图1，起升机构的收放绳卷扬2安装于转台1，伸缩臂安装于转台1。伸缩臂的一端安装有导向滑轮14和滑轮组13。钢丝绳3的一端与收放绳卷扬2连接，中部绕过导向滑轮14和滑轮组13。张紧机构4设于收放绳卷扬2和导向滑轮14之间，钢丝绳3也绕过张紧机构4。

张紧机构4能够在起重机空载收绳(收放绳卷扬2起升)时给收放绳卷扬2钢丝绳3提供一定预紧力的装置，收放绳卷扬2下落时张紧机构4空转不施加力。本文中，收放绳卷扬2起升是指收放绳卷扬2的转动方向使得连接在钢丝绳3上的吊钩起升。收放绳卷扬2下落是指收放绳卷扬2的转动方向使得连接在钢丝绳3上的吊钩下落。

参见图1至图3，张紧机构4包括张紧马达5、离合器6、减速机7、卷筒组件8、溢流阀10、单向阀11和控制阀12。离合器6设于张紧马达5和减速机7之间。其中，离合器6处于闭合状态，张紧马达5和减速机7之间能够传递动力。离合器6处于断开状态，张紧马达5和减速机7之间不能够传递动力。

参见图3，控制阀12比如采用两位三通阀，控制阀12的阀位由控制器9控制。若需要张紧机构4工作，首先，控制器9控制控制阀12的阀位，使其处于能够向离合器6供油的阀位，即图3中的右位。此时，在液压油的作用下，离合器6结合，张紧马达5能够驱动减速机7转动，进而对钢丝绳3施加加载力。

张紧机构4包括张紧马达5、离合器6、减速机7、卷筒组件8、控制器9、溢流阀10、单向阀11以及控制阀12。卷筒组件8安装在伸缩臂15上。

参见图2和图3，卷筒组件8包括主动卷筒111和被动卷筒112。张紧马达5与主动卷筒111之间设有离合器6和减速机7，离合器6通过控制油路控制通断状态，减速机7设在主动卷筒111内部。钢丝绳3在通过主动卷筒111上至少缠绕一圈。张紧马达5与主动卷筒111连接，用于驱动主动卷筒111转动。

主动卷筒111和从动卷筒112沿着钢丝绳3的延伸方向间隔设置，钢丝绳3以主动卷筒111和从动卷筒112为整体进行缠绕，即钢丝绳3的缠绕中心轴位于主动卷筒111和从动卷筒112之间。连接在臂架臂头位置的钢丝绳3依次经过主动卷筒111和从动卷筒112后与收放绳卷扬2马达上的收放绳卷扬2连接。主动卷筒111和从动卷筒112之间设置有压辊113。间隔设置的两个滚筒，增大了钢丝绳3的缠绕半径，能够减少钢丝绳3的弯折程度，提高了钢丝绳3的使用寿命。

下面介绍本发明实施例提供一种钢丝绳预紧力加载方法，该加载方法包括以下步骤：

S10、判断起升机构的收放绳卷扬2处于起升状态还是下落状态。

具体地，根据控制器9采集到得收放绳卷扬2的电控手柄的电流信号判断起升机构的收放绳卷扬2处于起升状态还是下落状态。比如，根据电流方向判断收放绳卷扬2处于起升状态还是下落状态。

收放绳卷扬2处于起升状态有两种情形，一种是吊着货物起升，另一种是空载收绳。在这两种情况下，都需判断是否需要为钢丝绳增加加载力。

S20、若收放绳卷扬2处于起升状态，则判断钢丝绳3吊重量产生的拉力和自身重量产生的拉力之差是否不小于设定的最小张紧力。不小于是指大于、等于。吊重量是指吊钩以及挂设在吊钩上重物的总重量，不考虑钢丝绳的重量。

在上述的步骤S20中，采用下述公式计算钢丝绳3吊重量产生的拉力F₁：F₁＝t/n；其中，t为吊重量，n为钢丝绳倍率。

钢丝绳倍率由钢丝绳所缠绕的滑轮组13确定。

在上述的步骤S20中，采用下述步骤计算钢丝绳3自身重量产生的拉力F₂：F₂＝mhgsinθ；其中，h为臂长；θ为变幅角度；m为每单位钢丝绳3的质量；g为重力加速度。m和h的单位相同，比如都为米。此次计算的F₂是收放绳卷扬2和导向滑轮14之间的这段钢丝绳的重力沿着钢丝绳3的绳长方向的分量。

S30、若钢丝绳3吊重量产生的拉力和自身重量产生的拉力之差小于设定的最小张紧力，则闭合张紧机构4的离合器6。

在上述的步骤S30中，控制与离合器6连接的控制阀12的阀位，以使得液压油通过控制阀12闭合离合器6。

S40、计算张紧机构4所需要施加给钢丝绳3的理论张紧力。

在上述的步骤S40中，采用下述步骤计算张紧机构4所需要施加给钢丝绳3的理论张紧力F：F＝F₃-(F₁-F₂)；其中，F₃为设定的最小张紧力。

S50、调节张紧机构4对钢丝绳3施加的张紧力，使之等于计算得到的理论张紧力。

具体地，上述步骤S50有以下两种实现方式：

第一种为：

首先、根据计算得到的理论张紧力计算与张紧机构4的张紧马达5连接的溢流阀10的控制电流理论值。

此步骤中，采用下述步骤计算与张紧马达5连接的溢流阀10的控制电流理论值：

先计算溢流阀10的压力值P₂：其中，P₁为张紧马达5的供油压力(参见图4中低压供油所示意的油路)，d为主动卷筒111直径，V为张紧马达5的排量，i为马达转速与卷筒转速之比(即减速机速比)。此处，张紧马达5为定量马达，溢流阀10为电比例溢流阀。

然后，根据上述计算得到的溢流阀10的压力值P₂，根据溢流阀压力与控制电流特征曲线，计算溢流阀10的控制电流A：A＝f(P₂)。

其次、采用控制器9控制溢流阀10的控制电流大小，使之等于计算得到的控制电流理论值。

第二种为：控制张紧马达5的排量，以使得张紧机构4对钢丝绳3施加的张紧力等于计算得到的理论张紧力。

在压力不变的情况下，改变张紧马达5的排量，就能改变张紧马达5的扭矩。张紧马达5的扭矩其中，F为理论张紧力，d为主动卷筒111的直径，i为马达转速与卷筒转速之比(即减速机速比)。

在一些实施例中，溢流阀10包括电比例溢流阀。电比例溢流阀的溢流压力值可根据给定的控制电流比例调节。

上述的张紧机构4被构造为：若离合器6处于闭合状态，张紧机构4能够对钢丝绳3施加张紧力；若离合器6处于脱开状态，张紧机构4不能对钢丝绳3施加张紧力。

为了防止张紧马达5反转时出现吸空现象，张紧机构4还包括与溢流阀10并联设置的单向阀11。该单向阀11实现下述作用：当张紧马达5反转时，采用与溢流阀10并联的单向阀11为张紧马达5补油，以防止张紧马达5吸空。

下面介绍一个具体实施例。

参见图1至图3，控制器9通过采集电控手柄电流信号来判断此时收放绳卷扬2起升还是下落。如是下落工况，则给离合器6控制阀12的控制电压为0(不得电)，此时控制阀12处于左位，离合器6无控制压力油，处于常位脱开状态；张紧马达5与减速机7不结合，张紧机构4不加载。

如果手柄电流信号是起升工况，则控制器9同时采集倍率、吊重量、臂长、幅度等信息，并计算判断出当前钢丝绳3是否需要张紧力。如果不需要，则给离合器6控制阀12控制电压为0，张紧机构4不加载。如果此时钢丝绳3需要张紧力，则给离合器6控制阀12控制电压为24V得电，离合器6在控制压力油的推动下结合，从而张紧马达5与减速机7结合，张紧机构4处于加载工况。

如张紧机构4处于加载工况，则控制器9需根据采集的倍率、吊重量、臂长、变幅角度等信息计算出当前所需张紧力。

由吊重量产生的钢丝绳3拉力：F₁＝t/n，其中t为吊重量，n为使用倍率(此拉力有利于钢丝绳3自身的张紧)。

由钢丝绳3自身重力产生的拉力：F₂＝mhg sinθ。其中h为臂长，θ为变幅角度，m为每米钢丝绳3质量，g为重力加速度(此拉力是由臂头至收放绳卷扬2之间的钢丝绳3重力所产生，对钢丝绳3的张紧起负面作用)；

由此推算出钢丝绳3所需张紧机构4施加的张紧力F：F＝F₃-(F₁-F₂)，其中F₃为设定的最小张紧力。

如果计算得出所需施加张紧力F为负，则无需施加张紧力；如果为正值，则施加相应的张紧力。

根据马达排量、减速机速比、卷筒直径等推算出所需溢流阀10压力值，从而控制器9给溢流阀10发出相应控制电流值，得到对应的溢流压力，张紧马达5得到相应的加载力矩，从而实现根据具体工况施加相匹配的加载力的目的。

其中，P₂为溢流阀10压力，P₁为马达的供油压力，d为卷筒组件中主动卷筒的直径，V为马达排量，i为减速机7速比马达转速与卷筒转速之比。

A＝f(P₂)，A为溢流阀10控制电流，由溢流阀10压力-控制电流特性曲线得出。

加载系统原理如下：首先通过控制离合器6控制阀12，可以实现离合器6结合或脱开，从而控制张紧马达5是否与减速机7结合，即控制张紧机构4是否需要加载。如离合器6脱开则马达与减速机7不结合，张紧机构4卷筒空转不加载，马达不工作。反之，离合器6结合，可通过张紧马达5对减速机7进行加载，从而实现张紧机构4加载。其次，马达加载力由溢流阀10控制，改变溢流阀10溢流压力，则马达加载力相应改变，从而改变钢丝绳3张紧力。单向阀11用于当系统故障导致马达反转时防止马达吸空，保护马达。

此处离合器6与减速机7为一体化设计，属于减速机总成的一部分。张紧马达5主轴与离合器6之间通过花键连接(马达主轴插入离合器6内花键中)。

控制方法部分基本思想为起重机控制器9通过对车辆使用工况信息包括倍率、吊重量、臂长、幅度、手柄信号等的运算处理，得出钢丝绳3对张紧力的具体需求，从而给离合器6的控制阀12和溢流阀10发出控制信号值，实现实时调节张紧机构4加载力的目的。

参见图2，在起重机空钩收绳或收绳负载较小时，接通离合器6的控制油路使离合器6闭合。在钢丝绳3收回的过程中，主动卷筒沿着钢丝绳3的收回方向转动，张紧马达5一直沿着箭头C转动。由于外接了溢流阀10，张紧马达5向主动卷筒提供一个较小的、持续的反向力矩，从而使钢丝绳3与主动卷筒之间产生摩擦力，而此摩擦力的沿着绳子长度方向的分力(即张紧力)不小于张紧马达5溢流产生的反向力。所以钢丝绳3在被收放绳卷扬2收回的过程中，张紧马达5一直转动。钢丝绳3在两个卷筒上相对缠绕，一个缠绕，另一个释放，而且钢丝绳3与主动卷筒和从动卷筒之间保持相对静止。

不需要启用张紧装置时，切断离合器6的控制油路使张紧马达5和主动卷筒分离，此时钢丝绳3张紧装置带给钢丝绳3的摩擦力只有卷筒与轴承座之间较小的滚动摩擦力，不影响起重机正常放绳和带载超过预设值时的收绳。图2中箭头C所指的张紧马达5的转向仅限于减速机7的输入转向与输出转向相同的情况。

参见图5，另一种可选的实现方式是：采用电比例变量马达和定值溢流阀实现加载力比例调节。即溢流阀10为定值溢流阀，张紧马达5为电比例变量马达。溢流阀10的压力调定后保持不变，变量马达的排量根据控制器9给定的控制电流不同实现比例调节，从而实现加载力比例调节的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种钢丝绳预紧力加载方法，其特征在于，包括以下步骤：

当所述收放绳卷扬(2)处于起升状态，判断钢丝绳(3)吊重量产生的拉力和自身重量产生的拉力之差是否不小于设定的最小张紧力；

若钢丝绳(3)吊重量产生的拉力和自身重量产生的拉力之差小于设定的最小张紧力，则闭合张紧机构(4)的离合器(6)；

计算张紧机构(4)所需要施加给钢丝绳(3)的理论张紧力；

调节所述张紧机构(4)对所述钢丝绳(3)施加的张紧力，使之等于计算得到的理论张紧力。

2.根据权利要求1所述的钢丝绳预紧力加载方法，其特征在于，所述调节所述张紧机构(4)对所述钢丝绳(3)施加的张紧力，使之等于计算得到的理论张紧力包括以下步骤：

根据计算得到的理论张紧力计算所述张紧机构(4)的溢流阀(10)的控制电流理论值；

采用控制器(9)控制所述溢流阀(10)的控制电流大小，使之等于计算得到的控制电流理论值。

3.根据权利要求2所述的钢丝绳预紧力加载方法，其特征在于，采用下述公式计算钢丝绳(3)的吊重量产生的拉力F₁：

F₁＝t/n；其中，t为吊重量，n为钢丝绳倍率。

4.根据权利要求3所述的钢丝绳预紧力加载方法，其特征在于，采用下述公式计算钢丝绳(3)自身重量产生的拉力F₂：

F₂＝mhg sin θ；其中，h为臂长；θ为变幅角度；m为每单位钢丝绳(3)的质量；g为重力加速度。

5.根据权利要求4所述的钢丝绳预紧力加载方法，其特征在于，采用下述公式计算张紧机构(4)所需要施加给钢丝绳(3)的理论张紧力F：

F＝F₃-(F₁-F₂)；其中，F₃为设定的最小张紧力。

6.根据权利要求5所述的钢丝绳预紧力加载方法，其特征在于，采用下述步骤计算所述溢流阀(10)的控制电流理论值：

计算溢流阀(10)的压力值P₂：其中，P₁为张紧马达(5)的供油压力，d为卷筒组件中主动卷筒的直径，V为所述张紧机构(4)的张紧马达(5)的排量，i为马达转速与所述主动卷筒转速之比；

根据溢流阀(10)的压力值P₂与控制电流特征曲线计算所述溢流阀(10)的控制电流A：A＝f(P₂)。

7.根据权利要求1所述的钢丝绳预紧力加载方法，其特征在于，所述调节所述张紧机构(4)对所述钢丝绳(3)施加的张紧力，使之等于计算得到的理论张紧力的步骤包括：

控制张紧机构(4)的张紧马达的排量，以使得张紧机构(4)对所述钢丝绳(3)施加的张紧力等于计算得到的理论张紧力；其中，所述张紧机构(4)的张紧马达(5)为变量马达。

8.根据权利要求1所述的钢丝绳预紧力加载方法，其特征在于，采用下述步骤闭合所述张紧机构(4)的离合器(6)：

控制与所述离合器(6)连接的控制阀(12)的阀位，以使得液压油通过所述控制阀(12)闭合所述离合器(6)。

9.根据权利要求1所述的钢丝绳预紧力加载方法，其特征在于，所述溢流阀(10)包括电比例溢流阀。

10.根据权利要求1所述的钢丝绳预紧力加载方法，其特征在于，所述张紧机构(4)被构造为：若所述离合器(6)处于闭合状态，所述张紧机构(4)能够对所述钢丝绳(3)施加张紧力；若所述离合器(6)处于脱开状态，所述张紧机构(4)不能对所述钢丝绳(3)施加张紧力。

11.根据权利要求1所述的钢丝绳预紧力加载方法，其特征在于，所述张紧机构(4)设于所述收放绳卷扬(2)和伸缩臂端部的滑轮组(13)之间。

12.根据权利要求1所述的钢丝绳预紧力加载方法，其特征在于，还包括下述步骤：

当所述张紧马达(5)反转时，采用与所述张紧机构(4)的溢流阀(10)并联的单向阀(11)为所述张紧马达(5)补油，以防止所述张紧马达(5)吸空。

13.根据权利要求1所述的钢丝绳预紧力加载方法，其特征在于，采用下述步骤判断起升机构的收放绳卷扬(2)是否处于起升状态：

根据控制器(9)采集到得收放绳卷扬(2)的电控手柄的电流信号判断起升机构的收放绳卷扬(2)处于起升状态还是下落状态。

14.一种钢丝绳预紧力加载系统，其特征在于，包括：

张紧机构(4)，用于对钢丝绳(3)施加预紧力；以及

控制器(9)，与所述张紧机构(4)连接，用于控制所述张紧机构(4)对所述钢丝绳(3)施加的预紧力。