液力换挡变速器在塔机上的应用

李明强1，仉健康1，王进峰1，孟庆琳2，史海红2

（1.山东电力建设第一工程公司，山东 济南 2 5 0 1 0 0；2.山东丰汇设备技术有限公司，山东 济南 2 5 0 2 0 0）

在超高层建筑及大型火电塔式炉钢结构施工过程中，为加快工程进度，施工企业对施工塔机的速度性能要求越来越高。塔机起升速度的快慢直接影响着整个工程的进度，如何提高起升速度成了各起重机制造商互相讨论的话题，也成为塔机行业在其性能方面相互竞争的条件之一。

针对上述问题，常规的提速方式大致有：加大电机功率、采用变频调速的加宽恒功率段超频控制、变换滑轮组倍率、差动行星减速器配双电机等。本文则提出了一种采用液力换挡变速器的形式，在电动机与减速机之间加装液力换挡变速器，通过控制换挡器的液压电磁阀与负载相互配合，在工作过程中实现轻载/空钩高速、重载低速，可有效提高起重机的速度，提高工作效率。

1 液力换挡变速器

1.1 结构及工作原理

液力换挡变速器一般是由一个液力变矩器和一个整体箱体式多挡动力换挡变速箱组成，能实现前、后驱动。根据内部结构形式不同，有前四倒三、前三倒三、只有前进挡等不同速度挡位的变速器可供选配。由于在变速箱中有若干个液压控制的多片湿式离合器，能在带负荷的状态下接合和脱开，从而实现动力换挡。其特点是各传动轴呈平行布置，变速器中的齿轮均为常啮合传动，相对于行星齿轮变速器，具有齿轮模数大，单齿面承受载荷大的特点。

图1为变速器各挡位相应离合器接合传动原理路线图。

图1 变速器各挡位相应离合器接合传动原理路线图

从图1可以看出，一般液力换挡变速器有几个或多个多片湿式摩擦离合器。换挡时，相应挡位的离合器摩擦片被受轴向作用的油压所推动的活塞压紧。离合器摩擦片的松开是靠复位弹簧的作用力将活塞返回，通过上述过程的循环往复运动，从而实现增挡及减挡的换挡过程。

1.2 控制方式

采用电液一体化控制，动力换挡时，通过手动操作挡位选择器，控制与选择器相连的各个电磁阀，操纵变速箱上的控制阀，油液经油路内的吸油滤清器（粗滤）和旋转滤清器（精滤）后，经控制压力阀（主调压阀）限制其工作压力，再通过压力控制阀进入操纵阀。经操纵阀的压力油直接进入离合器，推动相应活塞动作，完成动力换挡。

2 塔机起升机构配置及控制方案

为满足超高层建筑及大型火电塔式炉钢结构施工需要，笔者公司研制了FHTT420～FHTT3200型系列平臂塔式起重机，额定起重量从12～160t，吊臂长度分为60m、70m、80m，起升速度为0～60m/m in。

下面就以笔者公司研制的FHTT2800型平臂塔式起重机起升机构为例，详细阐述液力换挡变速器的实际应用。此FHTT2800型平臂塔式起重机最大起重量为125t，起升速度为0～60m/m in，吊臂长度为60m、70m、80m可互换，最高附着高度为200m，内爬工况时高度可达650m。

2.1 起升机构各部分介绍

塔机起升机构各部件布置图如图2所示。常规的塔式起重机起升机构采用的是“电机-联轴器-制动器-减速器-卷筒-行程限位器”的配置方案。图2中的塔机起升机构采用平行轴线布置方式，配置方案中引进了液力换挡变速器，将其安装在电动机与减速机之间进行换挡。在液力换挡变速器附近安装有变速器的液压泵站、控制电磁阀及冷却系统。采用国内某齿轮箱厂家生产的只有4个前进挡的液力换挡变速器，四挡速比分别为5.18/2.63/1.21/0.66。

电动机选用6极110k W，额定转速995r/m in的起重专用交流变频电动机。

减速器选用的是双输入轴的减速器形式，减速器输入轴的一端连接液力换挡变速器，另一端连接安全制动器，制动器采用的是液压盘式双制动。

在卷筒尾端安装有安全保护装置（DXZ型行程限位器），此限位器有双向的减速及停止功能，可以提供四路开关量信号输出，根据需要也可以增加模拟量传感器。

2.2 电液控制系统设计

液力换挡变速器在油泵控制站上布置有4个电磁阀，通过布置在操作台上的挡位选择器连接并控制4个电磁阀的组合，在实现各个挡位功能时，4个电磁阀通过组合控制相应的离合器工作，从而实现不同的挡位，电磁阀具体组合见表1。

表1 换挡电磁阀M 1～M 4组合表

2.2.1 操作台面板布置图

将挡位选择器（换挡开关）采用内嵌安装方式布置在操作台面板上，面板上还包括起升机构控制手柄、各种按钮指示灯等元器件，具体面板布置见图3。

图3 起升机构操作台面板布置示意图

2.2.2 PLC控制系统设计

因液力换挡变速器只允许在机构停止工作的时候才可以换挡，并且必须保证起升机构为轻载或空载的情况下方可选择高速挡。因此在PLC程序设计时，将挡位选择器的挡位信号、主令开关的挡位信号以及重量传感器采集的重量信号全部经过编制的PLC程序进行运算处理，输出控制小型中间继电器和换挡阀M 1～M 4，从而实现重量和挡位的协调配合。塔式起重机安装有力矩限制器（以下简称力限器），力限器采集到的重量信号包括（Q代表起重量)：空钩信号、0＜Q≤10t轻载信号、10t＜Q≤25t轻载信号、25t＜Q≤60t重载信号、60t＜Q≤125t重载信号和超力矩信号，在司机室内装有重量显示装置。图4为起升机构PLC控制系统接线图。

具体的控制程序设计原则如下。

1）空钩/轻载高速 当起升机构空钩或轻载（即0＜Q≤10t）时，在机构停止运行状态下先将挡位选择器选择至1～4挡的任意挡位；选择挡位选择器后，启动机构动作，操作起升主令手柄可打至1～4挡，进行相应操作，实现空钩/轻载高速运行。

图4 起升机构PLC控制系统接线图

2）重载低速 当起升机构重载或满载（即60t＜Q≤125t）时，在机构停止运行状态下先将挡位选择器选择至低速挡（1～2挡）；选择挡位选择器后，启动机构动作，操作起升主令手柄可打至1～2挡，进行相应操作，实现重载低速运行。

3 液力换挡变速器使用注意事项

液力换挡变速器在实际使用过程中必须注意以下几点。

1）基于安全考虑，在起升机构吊载或运行过程中，严禁拨动液力变速器的换挡开关进行换挡操作。

2）必须严格遵循PLC预设的程序以及各挡位对应的最大起重量来操作换挡开关进行换挡，不能随意更换某挡位，否则起升机构不能工作。

3）应配油压表，换挡前（尤其是整机刚开机时），必须观察液力换挡器的操纵油压，必须达到换挡器的工作油压方可换挡，否则换挡器不能正常工作。

4）使用过程中必须实时对变速器进行冷却，确保换挡器油的温度不宜过高。

4 结 论

在塔机起升机构中引进液力换挡变速器可有效的提升塔机的速度，相比于常规的提速方式具有配置经济、操作简单等优点。应用液力换挡变速器技术的FHTT2800型平臂塔式起重机已成功用于河南某火电公司施工项目，经过实际应用，提速效果及控制性能良好。

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