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1、單斗液壓挖掘機(jī)分工況節(jié)能控制系統(tǒng) 2009-3-11 6:37:41 國(guó)際工程機(jī)械網(wǎng) 摘要： 為了有效地控制單斗液壓挖掘機(jī)在工作過程中的能量損失、 減少液壓系統(tǒng)的發(fā)熱、 改善工作性能， 設(shè)計(jì)了一種單斗液壓挖掘機(jī)分工況節(jié)能控制系統(tǒng)。 該控制系統(tǒng)采用負(fù)荷傳感， 由微機(jī)判斷挖掘機(jī)的工作狀態(tài)， 并據(jù)此控制發(fā)動(dòng)機(jī)而達(dá)到節(jié)能的目的。 該系統(tǒng)具有工況控制、 短期超載控制、自動(dòng)怠速控制、溢流控制等功能。 單斗液壓挖掘機(jī)是重要的工程機(jī)械， 具有作業(yè)靈活方便、 適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。 但由于單 斗液壓挖掘機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜、 作業(yè)過程中負(fù)荷變化頻繁、 變化范圍大， 因而存在著不少環(huán)節(jié) 的能量損失， 其中主

2、要有： 發(fā)動(dòng)機(jī) — 變量泵系統(tǒng)的非經(jīng)濟(jì)性匹配運(yùn)行產(chǎn)生的損失、 液壓系統(tǒng) 壓力油的流量損失和壓力損失。 這些損失不僅浪費(fèi)了能量， 而且引起液壓系統(tǒng)發(fā)熱， 工作性 能惡化。為此，節(jié)能控制已經(jīng)成為液壓挖掘機(jī)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。 隨著電子技術(shù)及微型計(jì)算機(jī) （單片機(jī)） 技術(shù)在控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用， 將液壓挖掘機(jī)與 電子技術(shù)、 信號(hào)處理、 預(yù)警技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)有機(jī)地結(jié)合起來， 對(duì)液壓挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)在線工況 檢測(cè)、自動(dòng)控制、故障診斷，可以達(dá)到節(jié)能和減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率的目的。 目前國(guó)外各大公司的挖掘機(jī)產(chǎn)品均不同程度地配備了電子節(jié)能控制系統(tǒng)， ， 如德國(guó) O&K 公司的 PMS 系統(tǒng)、 L

3、ink-Belt 的 CAPS 系統(tǒng)； 美國(guó)卡特皮勒的 EPC 系統(tǒng)； 日本日立的 OHS 系統(tǒng)、粘松的 OLSS 系統(tǒng)、加藤的 APC 系統(tǒng)、神鋼的 ITCS 系統(tǒng)；韓國(guó)大宇的 EPOS 系統(tǒng) 筆者針對(duì)上述挖掘機(jī)能量損失情況， 采用單片機(jī)， 以液壓系統(tǒng)的壓力為判斷信號(hào)， 來判 斷液壓挖掘機(jī)的工作狀態(tài)， 進(jìn)而由步進(jìn)電機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的油門， 從而使油門的開度始終處于 適應(yīng)負(fù)載的合適值上，達(dá)到節(jié)能的目的。 1 系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)是在不改變液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行的，其硬件框圖如圖 1 所示。 本節(jié)能控制系統(tǒng)采用了負(fù)荷傳感， 即以液壓系統(tǒng)壓力為判斷信號(hào)， 判斷挖掘機(jī)的工作狀 態(tài)，

4、 由微機(jī)根據(jù)挖掘機(jī)所處的不同狀態(tài)， 通過控制步進(jìn)電機(jī)的輸入出， 進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門， 使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在要求的轉(zhuǎn)速附近，以達(dá)到節(jié)能和實(shí)現(xiàn)其它功能的目的。 由硬件框圖可知，控制系統(tǒng)硬件的系統(tǒng)由單片機(jī)、 I/O 接口電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、信號(hào) 調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)電路、顯示報(bào)警和光電隔離電路等部分組成。 1.1 單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)采用美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機(jī)。該芯片不僅具有 MCS51 系列 單片機(jī)的所有特性，而且片內(nèi)集成有 2K 字節(jié)的電擦除閃存（ Flash ROM ），價(jià)格低，目前 性能價(jià)格比較高的單片機(jī)芯之一。 AT89C51的工作頻率為6?40MHz。

5、本系統(tǒng)利用單片機(jī)的內(nèi)部振蕩器外加石英晶體構(gòu) 成時(shí)鐘源，為了工作可靠，晶體振蕩頻率選為 12MHz 。 為了滿足控制接口的需要，本控制器又?jǐn)U展了一片 I/O 口芯片，選有 1C55 ，這有兩個(gè) 可編程的 8 位并行 I/O 口 PA 和 PB 、 一個(gè)可編程的 6 位并行 I/O 口 PC ， 通過設(shè)備其命令狀 態(tài)寄存器中的控制字來將它們分別定義成輸入 /輸出口。 1.2 輸入電路 輸入電路由壓力變送器、 速度傳感器、 油門開度傳感器、 動(dòng)力模式選擇開關(guān)和參數(shù)設(shè)定 開關(guān)等組成。 其中，壓力變送器（ CYR-1A 型）負(fù)責(zé)采樣液壓系統(tǒng)的壓力（兩路） ，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后輸 入 89C

6、51 ，經(jīng)過分析處理，來判別挖掘機(jī)的工作狀況，發(fā)出相應(yīng)的控制指令。 速度傳感器 （磁電式）負(fù)責(zé)采樣發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，作為系統(tǒng)的反饋信號(hào)。 由于磁電式傳感 器的信號(hào)較弱，需要設(shè)計(jì)調(diào)理電路（轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 TTL ） 。另外傳感器安裝在挖掘機(jī)主軸齒 輪（ 130 齒）附近，如果直接接到 89C51 的中斷口（ INT0 ） ，會(huì)使系統(tǒng)頻繁中斷， 89C51 工 作繁忙，因此需要分頻。本系統(tǒng)直接利用了 81C55 中的 14 位減數(shù)計(jì)數(shù)器進(jìn)行 130 分頻，相 當(dāng)于每轉(zhuǎn)來一個(gè)脈沖，避免了上述現(xiàn)象。 油門開度傳感器檢測(cè)油門的位置， 以便于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起動(dòng)。 它與油門的調(diào)速拉桿轉(zhuǎn)動(dòng)的 角度對(duì)應(yīng)，

7、將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，與內(nèi)部程序設(shè)定值進(jìn)行比較，打開鑰匙開關(guān)，控制系統(tǒng)驅(qū) 動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)油門的調(diào)速拉桿從零位調(diào)到起動(dòng)位置。 系統(tǒng)設(shè)有高、 中、 低三個(gè)動(dòng)力模式選擇開關(guān)， 相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為全功率的 100% 、 88% 和 65%. 當(dāng)司機(jī)根據(jù)工作需要選定某一開關(guān)，計(jì)算機(jī)即可控制發(fā)動(dòng)機(jī)使其穩(wěn)定在相應(yīng)的動(dòng)力 模式下。其中，中檔是常用工作檔。同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)動(dòng)力模式檔，用該檔工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī) -液 壓泵系統(tǒng)處于最經(jīng)濟(jì)的匹配工作狀態(tài)。 另外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了對(duì)運(yùn)行參數(shù)如液壓系統(tǒng)的報(bào)警壓力與極限壓力、系統(tǒng)的采集時(shí)間、 PID 控制參數(shù)等進(jìn)行在線修改的功能。利用 EEPROM 的存儲(chǔ)功能進(jìn)行保存，以便

8、下次開機(jī) 時(shí)，系統(tǒng)仍按著調(diào)節(jié)好的參數(shù)運(yùn)行。操作者只要按下參數(shù)設(shè)置鍵與動(dòng)力模式選擇鍵的組合， 即可完成修改。這種鍵盤的組合可以降低成本，減少面板的操作面積，提高系統(tǒng)的可靠性。 1.3 輸出電路 輸出電路的包括步進(jìn)電機(jī)、 顯示器、 工作指示燈與聲光報(bào)警等。其中， 步進(jìn)電機(jī)控制發(fā) 動(dòng)機(jī)油門的位置；顯示器顯示兩路液壓系統(tǒng)的壓力（ 3位，單位：MPa）與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（4 位，單位： rpm ） ；工作指示燈指示司機(jī)當(dāng)前所選擇的動(dòng)力模式；聲光報(bào)警提示司機(jī)當(dāng)前液 壓系統(tǒng)的負(fù)荷已經(jīng)超過所設(shè)定工作壓力，要求采取相應(yīng)的解決辦法。 2 系統(tǒng)的功能 2.1 分工況節(jié)能控制 挖掘機(jī)是一種多功能的機(jī)械，

9、 進(jìn)行的作業(yè)內(nèi)容較多， 如挖掘、 裝土、 挖溝、 填埋、 裝修、 搬運(yùn)、破碎和平地等；所遇到的作業(yè)對(duì)象 —— 土質(zhì)變化較大，如軟性粘土、松砂質(zhì)土、緊密 沙質(zhì)土、較緊密砂礫混合土、砂礫原石和軟巖等；另外，使用方式和要求也不同，有時(shí)強(qiáng)調(diào) 燃料經(jīng)濟(jì)性，生產(chǎn)率要求不突出，進(jìn)行一般性的挖掘和裝土作業(yè)；有時(shí)則重視精度和安全， 在狹小場(chǎng)地進(jìn)行操作，進(jìn)行精細(xì)工作和微調(diào)作業(yè)。 為了適應(yīng)不同作業(yè)和使用工況， 需要進(jìn)行分工況控制， 根據(jù)作用工況和使用要求來選擇不同 動(dòng)力模式。本系統(tǒng)按以下 4 種工況控制發(fā)動(dòng)機(jī)： （ 1） H 工況：重負(fù)荷情況，追求最大作業(yè)量，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置在最大轉(zhuǎn)速，進(jìn)行高速?gòu)?qiáng)力 掘削、

10、高速行走時(shí)使用。 （ 2） S 工況：一般作業(yè)情況，要求發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮 88%最大功率，此時(shí)工作速率稍慢，此 工況主要為了降低油耗和減少噪音。 這也是常用工作檔， 同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)動(dòng)力模式檔， 用該檔 工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī) -液壓泵系統(tǒng)處理最經(jīng)濟(jì)的匹配工作狀態(tài)。 （ 3） L工況：輕作業(yè)飛速，要求發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮 50%?70%的最大功率，此工況主要用于 提高作業(yè)精度、 進(jìn)行微調(diào)控制和精細(xì)作用， 在狹小場(chǎng)地工作時(shí)可保證安全性， 噪音進(jìn)一步降 低。 （ 4） I 工況：此為低怠速工況，主要用于暫停作用。 本系統(tǒng)通過動(dòng)力模式選擇開關(guān)， 將選擇的工況輸入控制器， 控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)， 使其穩(wěn) 定在相應(yīng)的動(dòng)力

11、模式下。 2.2 短期超載控制 這是為提高挖掘機(jī)的工作效率而設(shè)置的。挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)定的最高壓力有一定的余 量， 當(dāng)系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)超載工作時(shí)， 一般不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生太大的影響， 但不能長(zhǎng)時(shí)間地超載 工作， 否則有可能影響系統(tǒng)和其他無器件的壽命及產(chǎn)生不良的后果。 當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力超過設(shè) 定的最高壓力幾 Mpa 時(shí)（大于 24Mpa ，小于 27MPa） ，挖掘機(jī)仍然工作一段時(shí)間（ 8 秒） ， 以便工作裝置能克服臨時(shí)較大的阻力， 提高效率。 當(dāng)超過設(shè)定的時(shí)間時(shí)， 控制器自動(dòng)將發(fā)動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速降低到怠速狀態(tài)， 同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警， 以使讓司機(jī)改變操作方式。 當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到 最高設(shè)計(jì)壓力以時(shí)

12、，控制器自動(dòng)使發(fā)動(dòng)迅速恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速。 挖掘機(jī)在作業(yè)中， 往往需要短暫停機(jī)， 處于待命狀態(tài)， 例如等待自卸卡車或需進(jìn)行某種 準(zhǔn)備工作等。這時(shí)所有操作桿在中位待命，發(fā)動(dòng)機(jī)的能量白白浪費(fèi)，為此， 希望發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 能自動(dòng)下降，處于低怠速狀態(tài)。減少燃耗、降低噪音，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命也有好處。 控制的依據(jù)是：當(dāng)各操縱閥均處于中位時(shí)，液壓系統(tǒng)壓力均小正常工作狀態(tài)時(shí)的壓力。 為了確信挖掘機(jī)確實(shí)處于不工作狀態(tài)， 在測(cè)得液壓系統(tǒng)壓力小于設(shè)定的最低閥值時(shí)， 控制器 延時(shí)幾秒鐘后（ 4 秒）才向步進(jìn)電機(jī)出信號(hào)，使油門處于低怠速位置，以防系統(tǒng)脈動(dòng)。當(dāng)需 進(jìn)行工作時(shí)，只需操縱閥的閥標(biāo)一動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就自動(dòng)

13、復(fù)原，進(jìn)入工作狀態(tài)。 2.4 溢流控制 當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力接近或達(dá)到溢流閥開啟壓力時(shí)， 智能控制器自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)速， 以消除 或減少溢流量。 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低到系統(tǒng)設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速， 如果還存在超載溢流時(shí)， 發(fā)出超 載報(bào)警。 通過前期的研究，已成功地開發(fā)了單斗液壓挖掘機(jī)的分工況節(jié)能控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)于 1999 年 9 月和 11 月兩次在洛陽市中國(guó)一拖集團(tuán)工程機(jī)械研究所 WY-22 型單斗液壓挖掘機(jī) 上進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了成為滿意的控制效果?，F(xiàn)已安裝成樣機(jī)進(jìn)行工作。 該系統(tǒng)還兼有改善挖掘機(jī)的操作性能和提高作業(yè)效率的作用。 在操作中， 司機(jī)一旦選定 工作模式后， 不管挖掘機(jī)處于什么工作狀態(tài)， 發(fā)動(dòng)機(jī)均可由計(jì)算機(jī)控制， 使之處于理想的工 作狀態(tài)， 改善了操作性能。 控制系統(tǒng)的短期超載功能既保證了系統(tǒng)的安全， 又提高了挖掘機(jī) 克服短時(shí)間超載的能力，使本來應(yīng)該通過改變操作方式才能完成的某些消弱措施自動(dòng)完成， 從而節(jié)省時(shí)間，提高了效率。 2.3 自動(dòng)怠速控制