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湘潭大學興湘學院 畢業(yè)設計說明書 題 目：R210LC-7挖掘機液壓系統(tǒng)測試系統(tǒng)設計 學 院： 興湘學院 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 學 號： 2010963136 姓 名： 張 陳 指導教師： 劉金剛 完成日期: 2014.5.28 湘 潭 大 學 畢業(yè)論文（設計）任務書 論文（設計）題目：R210LC-7挖掘機液壓系統(tǒng)測試系統(tǒng)設計 學號： 2010963136 姓名： 張陳 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 劉金剛 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 本設計的主要內(nèi)容為： 1、擬熟悉液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理。 2、根據(jù)液壓系統(tǒng)工作原理，確定所需測量參數(shù)，選好合適的傳感器。 3、搭建基于計算機的測試系統(tǒng) 。 4、完成數(shù)據(jù)的顯示和存儲。 5、完成設計說明書。 本設計的技術指標及基本要求： 1、液壓系統(tǒng)工作原理圖； 2、測試系統(tǒng)工作原理圖； 3、掌握液壓系統(tǒng)的工作原理； 4、掌握利用接線圖表達自己的設計意圖。 二、重點研究的問題 重點研究的問題主要有： 1、挖掘機液壓工作裝置的液壓系統(tǒng)。 2、液壓挖掘機液壓測試系統(tǒng)的軟硬件。 三、進度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間 1 查閱相關資料 第1周 2 方案論證、制訂設計方案 第2~3周 3 主要完成硬件設計 第6~8周 4 繪制接線圖 第9~12周 5 撰寫畢業(yè)設計說明書 第13~14周 6 最后修改整理準備答辯 第15~16周 四、應收集的資料及主要參考文獻 [1]陳桂、盛黨紅、汪木蘭，LabVIEW與MATLAB在伺服系統(tǒng)中的應用研究.現(xiàn)代雷達，2005(11) [2]陳溯，王思華，采用LabVIEW圖形程式設計構(gòu)成虛擬儀控設備，INTERNET [3]關建和，唐露新，李偉東.基于LabVIEW平臺的電液控制系統(tǒng)的研究與應用。機電工技術，2003(6) [4]顧友華，基于虛擬儀器的綜合測試系統(tǒng)開發(fā)。西北工業(yè)大學碩士學位論文，2004.3 [5]劉君華，基于LabVIEW的虛擬儀器設計。北京：電子工業(yè)出版社，2003 [6]陳正利，我國液壓挖掘機發(fā)展的幾個重要階段及其前景展望。建筑機械，1999 [7]孫秋野、柳昂、王云爽，LabVIEW8.5快速入門與提高。西安交通大學出版社，2009 [8]廖彥，LabVIEW環(huán)境下的實時控制案設計與研究，西北工業(yè)大學碩士學位論文，2002 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）評閱表 學號 2010963136 姓名 張陳 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計）題目 R210LC-7挖掘機液壓系統(tǒng)測試系統(tǒng)設計 評價項目 評 價 內(nèi) 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的； 2.難度、份量是否適當； 3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。 能力 1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。 論文（設計）質(zhì)量 1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或?qū)嶋H應用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 張陳同學畢業(yè)設計立論正確，論述充分，結(jié)構(gòu)嚴謹；具有較強的的文獻查閱、資料綜合歸納整理能力，能在設計中熟練運用所學知識，設計方案合理可行，論文質(zhì)量一般，圖紙完整。 同意參加答辯。 評閱人： 2014年5月 日 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）鑒定意見 學號： 2010963136 姓名： 張陳 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 70 頁 圖 表 8 張 論文（設計）題目： R210LC-7挖掘機液壓系統(tǒng)測試系統(tǒng)設計 內(nèi)容提要：液壓挖掘機技術的發(fā)展是和液壓技術的發(fā)展相輔相成的，其一是液壓系統(tǒng)是液壓挖掘機的技術基礎和重要的關鍵組成部分，其二是挖掘機技術的發(fā)展要求又液壓技術的進步和提高 指導教師評語 張陳同學在本次畢業(yè)設計過程中，態(tài)度端正，并對畢業(yè)設計任務作了深刻的理解與分析，查閱了非開挖水平鉆機的相關資料，能夠清楚了解工作裝置主要構(gòu)件的種類與連接方式，并對其進行了分析，繪制了二維三維圖紙，具備一個機械專業(yè)學生所應該有的的機械設計知識。設計說明書書寫認真，條理清晰，觀點明確，具有一定的文本撰寫能力與外文文獻翻譯能力。 建議成績評定為： 同意答辯。 指導教師： 年 月 日 答辯簡要情況及評語 根據(jù)答辯情況，答辯小組同意其成績評定為： 。 答辯小組組長： 年 月 日 答辯委員會意見 根據(jù)答辯情況，答辯小組同意其成績評定為： 。 答辯委員會主任： 年 月 日 目 錄 摘 要 1 第一章 緒論 2 1.1本課題研究的背景和意義 2 1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 4 1.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 4 1.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀 7 1.3本課題主要技術的研究方法 9 1.3.1 傳感器技術 9 1.3.2信號采集與處理技術 10 1.3.3數(shù)據(jù)通訊技術 12 第二章 液壓挖掘機工作裝置的液壓系統(tǒng) 14 2.1液壓挖掘機工作裝置的結(jié)構(gòu)組 14 2.2液壓挖掘機工作裝置的工作特點 14 2.3液壓挖掘機的液壓系統(tǒng) 16 2.3.1液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)的要求 16 2.3.2 液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)的類型 17 2.3.3液壓挖掘機的液壓系統(tǒng) 17 第三章 液壓挖掘機測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 21 3.1測控系統(tǒng)的硬件總體構(gòu)架 21 3.2測試裝置具體實現(xiàn)方式及元器件選型 21 3.3測試系統(tǒng)的信號調(diào)理 25 3.4數(shù)據(jù)采集及控制輸出 26 第四章 基于虛擬儀器的測試系統(tǒng) 28 4.1虛擬器概述 28 4.1.1虛擬器簡介 28 4.1.2虛擬器的硬件系統(tǒng) 29 4.1.3虛擬器的軟件系統(tǒng) 30 4.2 LabVIEW介紹 31 4.3虛擬儀器及LabVIEW在控制中的應用 32 4.4基于虛擬儀器的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 34 4.5控制回路的定時 35 第五章 液壓挖掘機測控系統(tǒng)的軟件設計 36 5.1應用軟件的模塊設計 36 5.2液壓測試系統(tǒng)軟件的編程 39 結(jié) 論 40 致 謝 41 參考文獻 42 外文資料原文 43 外文資料譯文 51 摘 要 液壓挖掘機工作裝置的控制是實現(xiàn)自動挖掘的關鍵技術，由于挖掘機工作裝置的結(jié)構(gòu)存在時變性、液壓系統(tǒng)的非線性，增加了工作裝置理論建模的難度，加之工作環(huán)境惡劣，工況多變，挖掘時土壤的不確定性，使得很難得到完善的控制策略，對挖掘機工作裝置的控制成為挖掘機機器人化，實現(xiàn)自動挖掘研究的熱點。液壓挖掘機工作裝置存在的非線性、時變性、工況的復雜性，其控制難度大，目前的研究都還處于實驗室階段，對各種的理論建模、控制策略需要進行進一步的實驗研究。本文針對實驗用挖掘機工作裝置控制的測試系統(tǒng)，首次引入虛擬控制儀的手段來構(gòu)建液壓挖掘機的實驗測控系統(tǒng)，通過虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW開發(fā)虛擬控制儀實現(xiàn)測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制運算、控制輸出;利用LabVIEW開發(fā)友好的用戶界面實現(xiàn)對工作裝置液壓系統(tǒng)的壓力，液壓缸的位置，溫度，流量直觀顯示，直觀的觀察到液壓挖掘機工作裝置測控系統(tǒng)的運行情況，改變虛擬控制儀的軟件即可對各種建模和控制策略進行實驗研究。 關鍵詞：液壓挖掘機 工作裝置 LabVIEW 測試系統(tǒng) Abstract Develop excavator control and measure system based on LabVIEW. The control of an excavator is difficult from the standpoint of the following problems: parameter variations in mechanical structures, various nonlinearities in hydraulic actuatous and disturbance due to the contact with the ground.Apply NI LabVIEW to control and measure excavator hydraulic system, and monitor flaw,pressure,temperature and position of actor cylinders.The control strategy and algorithm are simulate using MATLAB control system toolboxes, MATLAB Script is directly transplanted into LabVIEW,and the physical simulation of excavator is accomplished. Key words: excavator;working device;LabVIEW;Measurement and control 71 第一章 緒論 1.1本課題研究的背景和意義 隨著近年來我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展以及實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的機遇，工程機械在各種工程建設領域中所起的作用越來越明顯，液壓挖掘機作為主流的工程機械產(chǎn)品，以其應用廣泛、使用靈活、工作效率高而愈來愈被人們所重視。液壓挖掘機是目前土方開挖的最主要施工機械，在交通、建筑、能源、礦山、水利、港口等工程領域發(fā)揮重要作用，一臺1液壓挖掘機挖掘級土壤時，每班生產(chǎn)率大約相當于300-400 工人一天的勞動生產(chǎn)率。由于液壓挖掘機具有多品種，多功能。最近幾年的統(tǒng)計表明，液壓挖掘機是整個工程機械行業(yè)中產(chǎn)銷量最大、增長率最高的產(chǎn)品之一。到2006 年國內(nèi)挖掘機生產(chǎn)企業(yè)包括合資和外資企業(yè)銷量總和接近5 萬臺，同時我國進口挖掘機數(shù)量也極為龐大，據(jù)統(tǒng)計，2006 年1～11月，僅廣州口岸就累計進口挖掘機17，000 臺（近幾年挖掘機銷量統(tǒng)計見表1.1） 年份 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 銷量（臺） 6114 8111 12397 19710 33982 33614 33862 49625 68791 76898 表1.1 挖掘機年銷售統(tǒng)計 液壓挖掘機是功能最典型、結(jié)構(gòu)最復雜、用途最廣泛的工程機械之一。作為工程機械的主流產(chǎn)品，它在工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利電力工程、礦山采掘以及軍事工程等施工中起著極為重要的作用。然而，隨著人類活動領域的拓展，對作業(yè)質(zhì)量的提高和對人的工作環(huán)境的挑剔，這些領域存在的一些問題愈來愈不容忽視：作業(yè)的勞動強度較大，在進行挖掘操作時，操作者需要在視覺和聽覺的基礎上，依靠經(jīng)驗知識進行推理以對挖掘過程進行控制和監(jiān)視，體力和腦力消耗極大；工作環(huán)境惡劣，常常伴隨有強烈的振動、噪音和塵埃，有時甚至面臨塌方、輻射、爆炸以及化學物等威脅。 液壓挖掘機技術的發(fā)展是和液壓技術的發(fā)展相輔相成的，其一是液壓系統(tǒng)是液壓挖掘機的技術基礎和重要的關鍵組成部分，其二是挖掘機技術的發(fā)展要求又液壓技術的進步和提高。液壓挖掘機是結(jié)構(gòu)復雜、功能強大、用途廣泛的工程機械，它的典型工作過程基本是模仿人類動作，其鏟斗、斗桿、動臂和回轉(zhuǎn)動作，極象人的手腕、小臂、大臂和扭腰動作。如此復雜的機械手式的動作的實現(xiàn)是和液壓傳動的技術密切相關的，現(xiàn)代挖掘機的液壓系統(tǒng)非常復雜，除了基本傳遞功率的功能外，還負責很多的操縱控制。液壓系統(tǒng)性能的優(yōu)劣決定著挖掘工作性能的高低，目前液壓傳動與控制的許多先進技術都體現(xiàn)在挖掘機上。因此對其液壓系統(tǒng)的設計既可以學習到更先進的液壓技術鞏固所學的知識，又符合時代的步伐。 液壓挖掘機的狀態(tài)測試技術經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)產(chǎn)生了一些較為成熟的理論方法和研究成果，根據(jù)測試邏輯和診斷算法形式的變化，我們可以將其發(fā)展過程分為三個階段： 一、 電子—液壓單元測試模式 80年代初，液壓挖掘機的發(fā)展趨向于電子液壓單元監(jiān)控，其顯著標志是采用傳感器—電子控制單元與液壓驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)相結(jié)合的模式，取代傳統(tǒng)的液壓——機械控制的模式，大大提高了整機的性能。例如CAT公司在其200E以上的液壓挖掘機上采用了電子監(jiān)控報警系統(tǒng)，在機器原有結(jié)構(gòu)不變的情況下，使其綜合工作效率、維護成本、運行周期以及使用壽命等產(chǎn)生了顯著變化，而這種模式的成本較傳統(tǒng)模式?jīng)]有大的變化，從而使液壓挖掘機的性能價格比明顯提高。該模式下的電子監(jiān)控系統(tǒng)采用的是開關量傳感器配合專用大規(guī)模集成電路，監(jiān)控邏輯與故障診斷邏輯以并行的形式集成在大規(guī)模集成電路芯片中。該形式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、監(jiān)控結(jié)果直觀及抗干擾能力強，缺點是使用的線束較多，涉及各部件之間的復合控制難以進行，傳感器資源沒有充分利用。 二、電子—液壓集成測試模式 90年代以來，液壓挖掘機的電子監(jiān)控程度進一步提高，逐漸演變到集成電子—液壓監(jiān)控模式，使操作者的勞動強度和機器的效率及能耗得到進一步改善。例如各大公司在新產(chǎn)品系列上普遍采用的微電腦集中監(jiān)測控制系統(tǒng)，是在大型挖掘機全液壓控制的基礎上嵌入了雙微處理器單元，簡化了原有的液壓控制機構(gòu)和控制邏輯，使操作穩(wěn)定性、準確性達到更高的水平。該模式下的電子監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)采用的是連續(xù)量傳感器配合通用微處理器和專用電子電路，監(jiān)控邏輯與故障診斷邏輯以程序的形式串行的存儲在程序存儲器中。運行時監(jiān)控參數(shù)反映的狀態(tài)信息量大，監(jiān)控與故障診斷可以定量進行，故障分析辨識較全面，可以自動存儲數(shù)據(jù)，以備聯(lián)機通訊，進行深人的數(shù)據(jù)分析。 三、全新的電子液壓測試模式 隨著電子、計算機及通訊技術的飛速發(fā)展和融合，以及現(xiàn)代化施工管理現(xiàn)場的要求，希望以最佳的設備、物料和人員配置來實現(xiàn)工程的質(zhì)量和工期。因此，對液壓挖掘機的運行、維護、保養(yǎng)和狀態(tài)等參數(shù)要實時管理，實施的有利技術手段就是在集成電子液壓模式的基礎上嵌入衛(wèi)星通訊管理模塊（衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸、GPS定位管理）和自動操縱模塊（VR控制）。從而引領液壓挖掘機監(jiān)控模式進人集管理、監(jiān)控和自動操縱為一體的全新電子液壓監(jiān)控模式，它是新世紀液壓挖掘機的發(fā)展方向。在該模式下，電子監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)采用的是完備的開關量和連續(xù)量傳感器組配合雙處理器中央處理控制單元。監(jiān)控數(shù)據(jù)、故障特征信息及控制信號由主處理器進行管理，通訊、顯示和數(shù)據(jù)存儲由輔處理器管理。此外，兩個處理器相互協(xié)調(diào)，可以在其中某一個出現(xiàn)問題的情況下，備份數(shù)據(jù)并接替該處理器的部分工作，使整個系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及抗沖擊能力極強，從而使系統(tǒng)可以長時間運行。 1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)在液壓挖掘機的狀態(tài)測試系統(tǒng)方面的研究起步較晚，90年代以來，國內(nèi)的一些挖掘機生產(chǎn)廠家通過合資或引進國外先進技術的方式，經(jīng)過消化吸收，逐漸開發(fā)出自己的檢測系統(tǒng)，雖然在性能上與國外相比還有一定的差距，但仍具有較高的技術含量。如長江挖掘機廠已將電子監(jiān)測技術用于WY160B挖掘機，還與浙江大學合作制成便攜/固定兩用式液壓挖掘機系統(tǒng)監(jiān)測故障查找裝置。該裝置以MCS—51系列單片機為核心，能實時監(jiān)測液壓、動力、電氣及其他部分的共計16路運行狀態(tài)參數(shù)，在液晶顯示屏上顯示出10路模擬量和頻率量參數(shù)具體值，當檢測到故障信息時，根據(jù)裝置內(nèi)的故障經(jīng)驗庫即可大致推出故障部位，并有聲、光、圖同時報警能力。貴州詹陽開發(fā)的具有90年代先進水平的WDKX電子監(jiān)控系統(tǒng)，借鑒了國外先進挖掘機電子監(jiān)控系統(tǒng)的技術，可在線監(jiān)控挖掘機系統(tǒng)的工作狀況，系統(tǒng)的主要技術參數(shù)在大屏幕液晶顯示屏上一目了然。當挖掘機出現(xiàn)異常狀況時，WDKX電子監(jiān)控系統(tǒng)可向操作者發(fā)出聲光報警，以使挖掘機操作者和維修人員動態(tài)的掌握挖掘機的技術狀況，及時準確地排除故障，進而合理、正確、安全地使用挖掘機。上海建筑機械廠和上海同濟大學聯(lián)合開發(fā)研制了電子監(jiān)控裝置，它主要是對液壓挖掘機的發(fā)動機和故障率較高的液壓系統(tǒng)進行監(jiān)測，還可對運行中的十二個重要參數(shù)進行檢測，以液晶屏幕顯示檢測結(jié)果，對異常運行狀態(tài)進行簡易故障診斷，以十六位漢字形式顯示診斷結(jié)果，并設八個報警頁，分為三個等級進行報警，該裝置在作隨機試驗基礎上將投人使用。總而言之，國內(nèi)的挖掘機液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測處于研發(fā)階段，離實際的應用還有一定的距離，而要實現(xiàn)這些系統(tǒng)的產(chǎn)品化還必須解決一些技術上的問題。 所以，雖然目前中國已經(jīng)成為世界上最大的挖掘機市場和產(chǎn)地之一，但是同時我國挖掘機行業(yè)整體水平相對落后，制造工藝水平較低，技術條件差，沒有形成關鍵國產(chǎn)元件的配套體系，目前國內(nèi)挖掘機行業(yè)，從產(chǎn)品技術水平、可靠性、壽命、制造質(zhì)量與國外挖掘機有較大差距，配套件的質(zhì)量和可靠性差、使用壽命短，液壓元件極少、沒有關鍵元件，系統(tǒng)不能配套。特別是液壓元件，還遠遠沒有達到國產(chǎn)配套水平。 我國當前液壓挖掘機的研制和改進應該主要著眼于： (1)發(fā)動機功率的充分有效利用，通過各種途徑使機械多做有效的功，其中包括動力裝置與液壓系統(tǒng)的最佳匹配，傳動效率的提高，回轉(zhuǎn)機構(gòu)功率的回收，高效液壓系統(tǒng)的研究等。 (2)鏟斗挖掘力的充分發(fā)揮，挖掘力大小和有效作用范圍是衡量各種液壓挖掘機工作能力的重要指標。 (3）注重人機工程學的研究，將操控性能的提升和操作舒適性提升作為重要發(fā)展目標。 (4）重視安全和環(huán)保，隨著各國法規(guī)的不斷要求，噪音、排放、安全等指標也越來越重要。 此外，加快換裝置的多功能化如吊、夾、推、刮、松、挖、裝、銑削、拆除、清除和壓實等作業(yè)也成為方向發(fā)展方向。國內(nèi)挖掘機行業(yè)整體發(fā)展水平較國外緩慢，在挖掘機液壓技術方面的理論還比較薄弱。我國從20 世紀60 年代開始研制液壓挖掘機，但到70 年代末，大部分產(chǎn)品與發(fā)達國家相比性能仍較落后。在這種情況下，我國通過引進技術(主要是德國和日本挖掘機制造技術)[5]，使我國挖掘機產(chǎn)品性能得到了一定的提高。但經(jīng)過將近20 年的發(fā)展，與國外相比在技術上仍然落后，產(chǎn)品質(zhì)量也不穩(wěn)定，影響了整機的可靠性。進入90 年代以來，國內(nèi)一些科研院所、大專院校紛紛與挖掘機廠家合作研究機電一體化挖掘機[6][7][8]，如天津工程機械研究所，同濟大學浙江大學等分別與合肥礦山機器廠、長江挖掘機廠、廣西玉林柴油機廠合作，取得了一些成果。但隨著國外先進的挖掘機越來越多地進入國內(nèi)市場，國產(chǎn)挖掘機與進口挖掘機的性能差別越來越明顯。在這種情況下，國內(nèi)一些挖掘機生產(chǎn)廠除了采取與國外合資的形式外，還積極引進國外先進的液壓元件，使國內(nèi)生產(chǎn)的一些挖掘機技術水平迅速得到提高，但在最新技術研究和應用上與國外相比還存在較大的差距。與國外挖掘機生產(chǎn)商相比較，國內(nèi)生產(chǎn)廠家技術和研究開發(fā)實力還處于弱勢地位，為了盡快適應國內(nèi)挖掘機市場的發(fā)展形勢，國內(nèi)挖掘機液壓的開發(fā)應重點。 考慮以下幾個方面： 1、加快專用液壓元件的設計開發(fā)，形成自己的配套體系。適應目前行業(yè)快速發(fā)展的需求。 2、提高產(chǎn)品可靠性和壽命，提高整機平均無故障時間，延長維修周期。 3、著眼于液壓系統(tǒng)與發(fā)動機的動力匹配，提高能源利用率。 4、著眼于整個系統(tǒng)的研究， 5、考慮人機工程學問題，提高操縱舒適性，改善司機工作條件。 各個廠家在這個過程中都有一個共同的原因，那就是整個仿制消化過程簡單化，僅僅時拆樣機，照抄零件，對引進和仿制的產(chǎn)品缺乏系統(tǒng)的領會，沒有真正吃透本質(zhì)。無論是整機、系統(tǒng)還是元件引進，都是急于求成的做出仿制品后就輕易滿足，缺乏進一步的技術消化吸收，沒有能夠轉(zhuǎn)化成自己的技術，不能真正組建自己的引進技術平臺，然后繼續(xù)開發(fā)和發(fā)展。目前我國的挖掘機企業(yè)和其配套元件企業(yè)，基本都是低水平的重復生產(chǎn)，基本沒有真正的核心技術。在仿制的基礎上系統(tǒng)的開發(fā)是我們重點的內(nèi)容，在選用通用元件，搭建成系統(tǒng)之后的后期測試、調(diào)試，整改及提出自己系統(tǒng)對元件的專用要求，甚至形成自己的專用元件是非常重要的環(huán)節(jié)，它甚至可以整整提高一個技術臺階。 1.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀 80年代以后，國外逐漸開展了對液壓挖掘機狀態(tài)檢測系統(tǒng)的開發(fā)研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了較為成熟和完善的技術成果，其中美國、德國、日本和韓國在這方面處于較為領先的地位。 美國卡特彼勒公司1978年就研制出用于挖掘機的電子測試系統(tǒng)，目前該公司已有60%以上的產(chǎn)品都配置了該系統(tǒng)，能對機器運行情況進行連續(xù)監(jiān)測。在其近年開發(fā)的E系列挖掘機上，還安裝了三級報警電子檢測系統(tǒng)、功率方式控制器和發(fā)動機轉(zhuǎn)速自動控制裝置等機電一體化部件，在發(fā)動機起動前，該系統(tǒng)可檢查設備狀況，若有潛在故障則立即向司機報警。在機器運行過程中，可根據(jù)不同工況進行三級報警：一級報警時面板上發(fā)光二極管閃爍提示故障部位；二級報警時面板上大燈同時亮；三級報警時蜂鳴器同時響，要求司機立刻停車檢查。 德國O&K公司微電子技術的檢測、監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)在同行業(yè)中是較先進的，該公司開發(fā)了應用于液壓挖掘機的BCS(Board Control System)，即狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，其具體功能如下： 1）挖掘機工作期間，各部件參數(shù)的顯示。該系統(tǒng)的藍測項目包括發(fā)動機燃油油位、機油壓力和冷卻水溫等，而其檢測值用數(shù)字量或模擬量顯示。 2）設定參數(shù)與實際數(shù)值的比較，參數(shù)不匹配時報警。若某參數(shù)異?；虺蓿瑫⒓窗l(fā)出音響信號并向司機示出故障信息，同時顯示可能引起該故障的原因及可采取的必要措施。提供了在管理方面的6個保養(yǎng)程序，其中4個程序涉及到液壓系統(tǒng)、馬達、整機以及一般的故障儲存記錄。用這些程序可以得到正在運行的數(shù)值，當出現(xiàn)極限值時發(fā)出報警信號和相應的處理文字說明，當將要超出極限值時，也會發(fā)出故障報警，該系統(tǒng)可在停機前找出故障源，用計算機提示排除故障，維修人員在故障信號儲存記錄的幫助下，可知故障源的嚴重程度及其排除順序。這種預普系統(tǒng)可對挖掘機采取預防性措施，可在停機前排除故障，因此采取這種總控制系統(tǒng)的電子監(jiān)測系統(tǒng)可將意外的停機事件減到極少，確保挖掘機正常地進行有效的作業(yè)。 3）數(shù)據(jù)傳輸功能。從BCS監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可根據(jù)需要通過無線電波傳送到中央控制室，中控室可調(diào)人每臺挖掘機的數(shù)據(jù)，集中安排每臺機器的停機時間及需要采取的措施。BCS另一功能是通過衛(wèi)星與O&K總部進行遠程數(shù)據(jù)傳遞，這樣O&K的液壓挖掘機技術將全面向用戶開放，及時進行故障檢查并完成故障排除。 德國德馬克公司提供兩種不同標準的故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)。在中小型挖掘機上配備了一套簡單的故障診斷系統(tǒng)ETM，這一系統(tǒng)采用數(shù)字顯示在駕駛室的監(jiān)控器上向司機顯示設備的主要運行狀況。安裝在設備重要部位上的傳感器向監(jiān)控系統(tǒng)提供30種左右的輸人信號，包括故障信號和常規(guī)信息。當需要在屏幕上顯示正常作業(yè)狀態(tài)下的信息時，可以將常規(guī)信息調(diào)出。然而當設備一旦發(fā)生故障時，故障信息將會立即顯示出來并觸發(fā)聲音報警。故障信息可存貯起來便于維修人員存取，并且也可用便攜式打印機將故障記錄和其它數(shù)據(jù)打印出來。而在較大型的礦用挖掘機上配備了ECS系統(tǒng)（電子檢測系統(tǒng)），ECS系統(tǒng)的監(jiān)探器可顯示設備的常規(guī)信息，也能使司機坐在駕駛室內(nèi)就能對設備的所有性能進行徹底檢查，它還允許維修人員進人系統(tǒng)將上次維修以后所出現(xiàn)的所有故障信息記錄打印出來進行分析。 德國利渤海爾公司開發(fā)了液壓挖掘機的Litronic系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個由智能化電子元件和功能性液壓系統(tǒng)組成的整套系統(tǒng)，具有監(jiān)測、記錄、對比、顯示和調(diào)節(jié)液壓挖掘機上所有關鍵系統(tǒng)的功能，它把柴油機、泵、液壓油箱和先導控制系統(tǒng)的傳感器的有關工作狀態(tài)的全部參數(shù)傳達給監(jiān)控和控制臺，所出現(xiàn)的干擾和與理論狀態(tài)的偏差及電子系統(tǒng)中的錯誤作為錯誤代碼在顯示器上顯示并儲存下來，它通過光學和聲響顯示工作狀態(tài)，將自動保護裝置在到達超載狀態(tài)時斷開傳動機構(gòu)。 日本小松公司在PC—5系列挖掘機上采用了電子監(jiān)測系統(tǒng)，可監(jiān)視發(fā)動機機油壓力、冷卻水溫度、充電、冷卻水液面高度及燃油油面高度等，發(fā)現(xiàn)異常時可進行聲光報警。同時該公司在PC—7系列挖掘機上內(nèi)置車輛自診斷的高質(zhì)量健康診斷系統(tǒng)EMMS，該系統(tǒng)具有異常檢查功能、保養(yǎng)履歷記憶功能和故障履歷記憶功能，并采用多功能彩色監(jiān)控器進行顯示和操作。 日本日立公司在EX系列液壓挖掘機上安裝了電子監(jiān)測系統(tǒng)，可對挖掘機40種以上的作業(yè)狀態(tài)進行瞬時檢測，包括發(fā)動機機油壓力、冷卻水溫度、燃油油位、液壓油油位、空濾器堵塞、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、液壓流量和所有電氣系統(tǒng)，并具備報警功能。日立ZAXIS系列挖掘機將前所未有的功能與尖端IT技術融為一體，引導工程領域的發(fā)展趨勢。新開發(fā)的信息控制器可以記錄和存儲機器的工作情況（操作記錄、柱狀圖、報警記錄、故障記錄、累積記錄等），并由服務人員通過專用掌上電腦PALM從信息控制器ICX中讀取數(shù)據(jù)，這種方式可以降低成本，并進行復雜的故障分析，也便于進行維修及備件管理、打印、報表等。 韓國大宇DH型挖掘機的電子監(jiān)控與報警系統(tǒng)由儀表盤、儀表、報警燈、蜂鳴器以及傳感器等組成。挖掘機工作過程中，該系統(tǒng)通過各種傳感器獲取設備的各種運行狀態(tài)信息，經(jīng)快速信息處理后在儀表盤上顯示出結(jié)果來，在設備工作不正常的情況下，通過儀表盤上的報警燈和蜂鳴器及時通知駕駛員，從而避免了事故的發(fā)生。 1.3本課題主要技術的研究方法 作為以多任務實時處理為應用背景的液壓挖掘機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)研究，是一個相當復雜的過程，其中涉及到各學科理論的交叉以及各相關技術的融合問題，下面將介紹其關鍵技術的研究現(xiàn)狀。 1.3.1 傳感器技術 隨著社會的進步，科學技術的發(fā)展，特別是近20年來，電子技術日新月異，計算機的普及和應用把人類帶到了信息時代，各種電器設備充滿了人們生產(chǎn)和生活的各個領域，相當大一部分的電器設備都應用到了傳感器件，傳感器技術是現(xiàn)代信息技術中主要技術之一，在國民經(jīng)濟建設中占據(jù)有極其重要的地位。 人是通過視覺、嗅覺、聽覺及觸覺等感官來感知外界的信息，感知的信息輸入大腦進行分析判斷（即人的思維）和處理，再指揮人作出相應的動作，這是人類認識世界和改造世界具有的最基本的本能。利用電子儀器特別象計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，那么計算機類似于人的大腦，而僅有大腦而沒有感知外界信息的“五官”顯然是不足夠的，中央處理系統(tǒng)也還需要它們的“五官”——即傳感器。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域，工廠的自動流水生產(chǎn)線，全自動加工設備，許多智能化的檢測儀器設備，都大量地采用了各種各樣的傳感器，它們在合理化地進行生產(chǎn)，減輕人們的勞動強度，避免有害的作業(yè)發(fā)揮了巨大的作用。在家用電器領域，象全自動洗衣機、電飯褒和微波爐都離不開傳感器。醫(yī)療衛(wèi)生領域，電子脈博儀、體溫計、醫(yī)用呼吸機、超聲波診斷儀、斷層掃描（CT）及核磁共振診斷設備，都大量地使用了各種各樣的傳感技術。這些對改善人們的生活水平，提高生活質(zhì)量和健康水平起到了重要的作用。在軍事國防領域，各種偵測設備，紅外夜視探測，雷達跟蹤、武器的精確制導，沒有傳感器是難以實現(xiàn)的。在航空航天領域，空中管制、導航、飛機的飛行管理和自動駕駛，儀表著陸盲降系統(tǒng)，都需要傳感器。人造衛(wèi)星的遙感遙測都與傳感器緊密相關。沒有傳感器，要實現(xiàn)這樣的功能那是不可能的。 此外，在礦產(chǎn)資源、海洋開發(fā)、生命科學、生物工程等領域傳感器都有著廣泛的用途，傳感器技術已受到各國的高度重視，并已發(fā)展成為一種專門的技術學科。 1.3.2信號采集與處理技術 在測試系統(tǒng)中，把被檢測對象的信號送入微機中進行處理，或者將微處理器中的控制信號輸出，對受控對象進行控制，被測量的信號要經(jīng)過多次的變換或反變換，每次變換都具有一定的目的。傳感器是被測信號的第一次變換，它是將非電量信號變換為電信號，為了將它輸人到微機中進行實時處理，需要再進行濾波、放大、變換成標準的電平信號送給A/D轉(zhuǎn)換器進行第二次變換，模擬的電信號量就轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送人微型機中，以便對其作進一步的處理。信號采集與處理系統(tǒng)的功能就是完成信號的變換和反變換，它又包括輸人信號處理電路和輸出信號處理電路兩部分。 1.輸入信號處理電路 輸入信號處理電路是微處理器與外界聯(lián)系的通道。輸入信號處理電路的一部分（數(shù)字信號輸入通道）用于接收數(shù)字信號；輸入信號處理電路的另一部分（模擬信號輸入通道）用于接收和轉(zhuǎn)換各種傳感器輸入的模擬信號；輸入信號處理電路的第三部分用于與其它計算機控制系統(tǒng)進行通訊聯(lián)系，信號形式為脈沖數(shù)字信 號；輸入信號處理電路的第四部分用于接收診斷觸發(fā)信號，也是脈沖數(shù)字信號。 圖1-1 模擬信號輸入通道 模擬信號輸入通道 （圖1-1 ）的作用是將傳感器產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入單片機，其組成部分包括濾波器、放大器、采樣保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。硬件濾波器往往設置在放大器之前，其作用是預先抑制部分干擾噪聲，以免和有用信號一起被放大，可以有效地提高信噪比。經(jīng)過濾波處理的電壓或電流信號較低(電壓為0~40mv)，因而使用放大器將這些信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理的標準信號，即電壓輸出為0~5V，電流輸出為4-20mA，以提高模擬信號測試精度。由于各傳感器產(chǎn)生電壓或電流的滿量程是不相等的，既可以對每個傳感器配以不同增益的放大器，也可以采用可編程放大器，將預先確定的對于不同信號的增益以數(shù)字量的形式存儲于存儲器中，當微處理器輸入某一路信號時，將對應的放大器增益從存儲器中取出，經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入可編程放大器相應的端節(jié)點，使該路信號按照設定的增益進行放大。在進行多路模擬量輸入時，不必對每個模擬輸入量都單獨配置一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以使多個模擬輸入量共用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多路選擇開關的作用就是將每一路模擬輸入量輪流與模數(shù)轉(zhuǎn)換器接通。 測試系統(tǒng)輸入的數(shù)字信號并不能直接由單片機進行處理，還需要通過數(shù)字信號輸入通道進行電平轉(zhuǎn)換和抗干擾等處理，即將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為低電平以及經(jīng)過光電隔離后，才能被單片機接受。 2.輸出信號處理電路 輸出信號處理電路的作用是聯(lián)系協(xié)調(diào)單片機和執(zhí)行器，執(zhí)行器控制信號既有模擬信號，也有數(shù)字信號，而由微處理器產(chǎn)生的控制信號都是數(shù)字信號，因此輸出信號處理電路分為模擬信號輸出通道和數(shù)字信號輸出通道。 模擬信號輸出通道的作用是將微處理器產(chǎn)生的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚩刂颇M執(zhí)行器的模擬控制信號。模擬信號輸出通道主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器、多路選擇開關和采樣保持器等組成。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是將微處理器產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，它有并行和串行兩種轉(zhuǎn)換方式。并行轉(zhuǎn)換方式就是將處理器產(chǎn)生的控制信號同時送人模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并行轉(zhuǎn)換具有轉(zhuǎn)換速度快的優(yōu)點；串行轉(zhuǎn)換就是將微處理器產(chǎn)生的控制信號以一系列脈沖信號順序送人模數(shù)轉(zhuǎn)換器，串行轉(zhuǎn)換方式的速度較慢。 數(shù)字信號輸出通道的作用是將微處理器產(chǎn)生的數(shù)字控制信號傳輸給由數(shù)字信號控制的執(zhí)行器。數(shù)字信號輸出通道有由微處理器輸出接口直接控制執(zhí)行器、通過半導體開關管控制執(zhí)行器和通過繼電器控制執(zhí)行器等方式。 1.3.3數(shù)據(jù)通訊技術 智能儀器與智能儀器之間，智能儀器與計算機之間在實際的測量和控制過程中，需要不斷地進行各種信息的交換和傳播(即數(shù)據(jù)通訊)。數(shù)據(jù)的通訊一般都采用標準總線的形式，如GP-IB，RS-232，RS-422等。 GP-IB又稱為通用目的接口總線或儀表總線。GP-IB標準定義，16線連接系 統(tǒng)，允許連接15臺裝置相互通訊，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為位—并行/字節(jié)—串行方式，最高速率為1M字節(jié)，實際使用為1~10K字節(jié)。由于GP-IB在抗干擾能力及傳輸距離等方面的限制，它只適用于試驗室環(huán)境。 RS-232是個人計算機上的通訊接口之一，由電子工業(yè)協(xié)會所制定的異步傳輸標準接口。通常 RS-232 接口以9個引腳 (DB-9) 或是25個引腳 (DB-25) 的型態(tài)出現(xiàn)，一般個人計算機上會有兩組 RS-232 接口，分別稱為 COM1 和 COM2。其示意圖如圖1-2所示： 圖1-2 RS-232串行通信標準 當通信對象之間相距很遠時，通常采用串行數(shù)據(jù)傳送方式，它不僅節(jié)省硬件，而且可使用現(xiàn)在存在的通道(如電話、電報等)。故在分散型監(jiān)控系統(tǒng)、計算機終端中廣泛使用了串行數(shù)據(jù)傳送，如智能儀表與上位機、微型化儀表與CRT間的數(shù)據(jù)通訊均可采用這種方式。RS-232用得最多的一種串行通訊標準。 隨著信息技術的發(fā)展，在電子監(jiān)控網(wǎng)絡不同層次間傳遞的數(shù)據(jù)信息已變得越來越復雜，對于系統(tǒng)網(wǎng)絡在開放性、互連性等方面提出了更高的要求。目前發(fā)展起來的現(xiàn)場總線技術和以太網(wǎng)用于電子監(jiān)控技術是系統(tǒng)網(wǎng)絡新的焦點，將會給現(xiàn)代電子監(jiān)控帶來新的活力和重大變革?，F(xiàn)場總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設備之間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。而作為計算機網(wǎng)絡主流技術的以太網(wǎng)雖然實時性和抗干擾性能較差，但在技術上可以滿足帶寬、性能通信協(xié)議等方面更高的要求，所以必將成為電子監(jiān)控網(wǎng)絡發(fā)展的又一熱點。 第二章 液壓挖掘機工作裝置的液壓系統(tǒng) 2.1液壓挖掘機工作裝置的結(jié)構(gòu)組 液壓挖掘機的作業(yè)過程是以鏟斗的切削刃（通常裝有斗齒）切削土壤并將土裝入斗內(nèi)。斗裝滿后提升，回轉(zhuǎn)到卸土位置進行卸土。卸完后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到挖掘面進行下次挖掘。當挖完一段土后，機械移位，以便繼續(xù)工作。挖掘機為了實現(xiàn)上述周期性作業(yè)動作部分：工作裝置、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動力裝置、傳動操作機構(gòu)，行走裝置和輔助設備。這里主要對工作裝置的反鏟裝置進行分析。反鏟裝置是中小型液壓挖掘機的主要工作裝置。目前廣泛應用的斗容量在1.6m3以下。它由斗桿油缸、斗桿、動臂、鏟斗油缸、動臂油缸、搖桿、連桿和鏟斗組成圖2-1，其構(gòu)造特點是各部件之間的聯(lián)系全部采用鉸接，動臂下鉸點鉸接在轉(zhuǎn)臺上，利用動臂油缸的伸縮，使動臂繞動臂下鉸點轉(zhuǎn)動，依靠斗桿油缸使斗桿繞動臂的上鉸點擺動。而鏟斗鉸接于斗桿前端，并通過鏟斗油缸和連桿使鏟斗繞斗桿前鉸點轉(zhuǎn)動。為增大鏟斗轉(zhuǎn)角，通常以連桿機構(gòu)與鏟斗連接。從而通過油缸的伸縮來實現(xiàn)挖掘過程中的各種動作。 圖2-1液壓挖掘機工作裝置的結(jié)構(gòu)圖 2.2液壓挖掘機工作裝置的工作特點 反鏟工作裝置是液壓挖掘機的一種主要工作裝置，如圖2.1所示。液壓反鏟工作裝置一般由動臂c.動臂液壓缸h.斗桿液壓缸g.斗桿b.鏟斗液壓缸f.鏟斗a.連桿i.和搖桿j等組成。其構(gòu)造特點是各機構(gòu)之間全部采用鉸鏈連接，并通過改變各液壓缸行程來實現(xiàn)挖掘過程中的各種動作。動臂1得下鉸點與回轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)平臺鉸接，并以動臂液壓缸h來支撐動臂，通過改變動臂液壓缸的行程即可改變動臂傾角，實現(xiàn)動臂的升降。斗桿4鉸接于動臂的上端，可繞鉸點轉(zhuǎn)動，斗桿與動臂的相對轉(zhuǎn)角由鏟斗液壓缸f控制，當斗桿液壓缸伸縮時，斗桿即可繞動臂上鉸點轉(zhuǎn)動。鏟斗a則鉸接于斗桿b的末端，通過鏟斗液壓缸f伸縮來使鏟斗繞鉸點轉(zhuǎn)動。為了增大鏟斗轉(zhuǎn)角，鏟斗液壓缸一般通過連桿機構(gòu)（即連桿i和搖桿j）與鏟斗連接。液壓挖掘機反鏟工作裝置主要應用于挖掘停機面以下的土壤，如挖掘溝壕.基坑等，其挖掘軌跡取決于個液壓缸的運動及其組合。動臂液壓缸主要應用于調(diào)整工作裝置的挖掘位置，一般不單獨直接挖掘土壤；斗桿挖掘可挖掘較大的行程，但挖掘力小一些。轉(zhuǎn)斗挖掘的行程較短為使鏟斗在轉(zhuǎn)斗挖掘結(jié)束時裝滿鏟斗，需要較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，以此挖掘機的最大挖掘力一般是由鏟斗液壓缸實現(xiàn)的。由于挖掘力大且挖掘行程短，以此轉(zhuǎn)斗挖掘可用于清除障礙或提高生產(chǎn)率。在實際工作中，熟練的液壓挖掘機操作人員可根據(jù)實際情況，合理操作各個液壓缸，往往是各個液壓缸聯(lián)合工作，實現(xiàn)最有效的挖掘作業(yè)。例如，挖掘基坑是由于挖掘深度較大，并要求有較陡而平整的基坑壁，則采用動臂和斗桿同時工作；當挖掘基坑底時，挖掘行程將結(jié)束，為加速裝滿鏟斗，或挖掘過程中調(diào)整切削角時，則需鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸同時工作。 i j b h e g f a c d 圖2. 1液壓挖掘機的結(jié)構(gòu)及運動示意 a—鏟斗；b—斗桿；c—動臂；d—回轉(zhuǎn)機構(gòu)；e—行走機構(gòu)； f—鏟斗液壓缸； g—斗桿液壓缸；h—動臂液壓缸;i—連桿； j—搖桿; l一動臂升降;2一斗桿收放:3一鏟斗裝卸;4一轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn):5一整機行走 2.3液壓挖掘機的液壓系統(tǒng) 2.3.1液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)的要求 按照挖掘機工作裝置和各個機構(gòu)的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機地連接起來的組合體，稱為挖掘機的液壓系統(tǒng)。其功能是，以油液為工作介質(zhì)，利用液壓泵將發(fā)動機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗懿⑦M行傳送，然后通過液壓缸和液壓馬達等將液壓能轉(zhuǎn)返為機械能，實現(xiàn)挖掘機的各種動作。液壓挖掘機的動作復雜，需要機構(gòu)經(jīng)常啟動、制動、換向、負載變化大，沖擊和振動頻繁，而且野外作業(yè)，溫度和地理位置變化大，因此根據(jù)挖掘機的工作特點和環(huán)境特點，液壓系統(tǒng)應滿足如下要求： 1）要保證挖掘機動臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨動作，也可以互相配合實現(xiàn)復合動作。 2）工作裝置的動作和轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)既能單獨進行，又能作復合動作，以提高挖掘機的生產(chǎn)率。 3）履帶式挖掘機的左、右履帶分別驅(qū)動，使挖掘機行走方便、轉(zhuǎn)向靈活，并且可就地轉(zhuǎn)向，以提高挖掘機的靈活性。 4）保證挖掘機的一切動作可逆，且無級變速。 5）保證挖掘機工作安全可靠，且各執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達等）有良好的過載保護；回轉(zhuǎn)機構(gòu)和行走裝置有可靠的制動和限速；防止動臂因本身的自重而過快下降和整機超速溜坡。因此，挖掘機液壓系統(tǒng)應做到： 1）有高的傳動效率，以充分發(fā)揮發(fā)動機的動力性和燃料使用經(jīng)濟性。 2）液壓系統(tǒng)和液壓元件在負載變化大、急劇的振動沖擊作用下，具有足夠的可靠性。 3）調(diào)協(xié)輕便耐振的冷卻器，減少系統(tǒng)總發(fā)熱量，使主機持續(xù)工作時液壓油溫不超過80度，或溫升不超過45度。 4）由于挖掘機作業(yè)現(xiàn)場塵土多，液壓油容易被污染，因此液壓系統(tǒng)的密封性能要好，液壓元件對油液污染的敏感性低，整個液壓系統(tǒng)要設置濾油器和防塵裝置。 5）采用液壓或電液伺服操縱裝置，以便挖掘機設置自動控制系統(tǒng)，進而提高挖掘機技術性能和減輕駕駛員的勞動強度。 2.3.2 液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)的類型 按液壓泵特性，液壓挖掘機采用的液壓系統(tǒng)大致上有定量系統(tǒng)、變量系統(tǒng)兩種類型。 1）定量系統(tǒng) 在液壓挖掘機采用的定量系統(tǒng)中，其流量不變，即流量不隨負載而變化，通常依靠節(jié)流來調(diào)節(jié)速度。根據(jù)定量系統(tǒng)中油泵和回路的數(shù)量及組合形式，分為單泵單回路、雙泵單回路定量系統(tǒng)、雙泵雙回路定量系統(tǒng)及多泵多回路定量系統(tǒng)等。 2）變量系統(tǒng) 在液壓挖掘機采用的變量系統(tǒng)中，是通過容積變量來實現(xiàn)無級調(diào)速的，其調(diào)節(jié)方式有三種：變量泵—定量馬達調(diào)速、定量泵—變量馬達調(diào)速、變量泵—變量馬達調(diào)速。 液壓挖掘機采用的變量系統(tǒng)多采用變量泵—定量馬達的組合方式實現(xiàn)無級變量，且都是雙泵雙回路。根據(jù)兩個回路的變量有無關聯(lián)，分為分功率變量系統(tǒng)和全功率變量系統(tǒng)兩種。其中的分功率變量系統(tǒng)的每個油泵各有一個功率調(diào)節(jié)機械，油泵的流量變化只受自身所在回路壓力變化的影響，與另一回路的壓力變化無關，即兩個回路的油泵各自獨立地進行恒功率調(diào)節(jié)變量，兩個油泵各擁有一個發(fā)動機輸出功率；全功率變量系統(tǒng)中的兩個油泵由一個總功率調(diào)節(jié)機構(gòu)進行平衡調(diào)節(jié)，使兩個油泵的擺角始終相同，同步變量、流量相等。決定流量變化的是系統(tǒng)的總壓力，兩個油泵的功率在變量范圍內(nèi)是不相同的。其調(diào)節(jié)機構(gòu)有機械聯(lián)動式和液壓聯(lián)動式兩種形式。 2.3.3液壓挖掘機的液壓系統(tǒng) 單斗液壓挖掘機的工作裝置、行走機構(gòu)、回轉(zhuǎn)裝置等均采用液壓驅(qū)動，其液壓系統(tǒng)如圖2-3所示。 圖2-3單斗履帶式挖掘機液壓系統(tǒng) 挖掘機液壓系統(tǒng)采用雙泵雙向回路定量系統(tǒng)，由兩個獨立的回路組成。所用的油泵為雙聯(lián)泵，分為A、B兩泵。八聯(lián)多路換向閥分為兩組，每組中的四聯(lián)換向閥組為串聯(lián)油路。油泵A輸?shù)膲毫M入第一組多路換向閥，驅(qū)動回轉(zhuǎn)馬達、鏟斗油缸、輔助油缸，并經(jīng)中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動右行走馬達。該組執(zhí)行元件不工作時油泵A輸出的壓力油經(jīng)第一組多路換向閥中的合流閥進入第二組多路換向閥，以加快動臂或斗桿的工作速度。油泵B輸出的壓力油進入第二組多路換向閥，驅(qū)動動臂油缸、斗桿油缸，并經(jīng)中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動左行走馬達和推土板油缸。 液壓系統(tǒng)中兩組多種換向閥均采用串聯(lián)油路，其回油路并聯(lián)，油液通過第二組多路換向閥中的限速閥流向油箱。限速閥的液控口作用著由梭閥提供的A、B兩油泵的最大壓力，當挖掘機下坡行走出現(xiàn)超速情況時，油泵出口壓力下降，限速閥自動對回油進行節(jié)流，防止溜坡現(xiàn)象，保證挖掘機行駛安全。 在左、右行走馬達內(nèi)部除設有補油閥外，還設有雙速電磁閥，當雙速電磁閥在圖示位置時馬達內(nèi)部的兩排柱塞構(gòu)成串聯(lián)油路，此時為高速;當雙速電磁閥通電后，馬達內(nèi)部的兩排柱塞呈并聯(lián)狀態(tài)，馬達排量大、轉(zhuǎn)速降低，使挖掘機的驅(qū)動力增大。 為了防止動臂、斗桿、鏟斗等因自重而超速降落，其回路中均設有單向節(jié)流閥。另外，兩組多路換向閥的進油路中設有安全閥，以限制系統(tǒng)的最大壓力，在各執(zhí)行元件的分支油路中均設有過載閥，吸收工作裝置的沖擊:油路中還設有單向閥，以防止油液的倒流、阻斷執(zhí)行元件的沖擊振動向油泵的傳遞。 單斗液壓挖掘機除了主油路外，還有如下低壓油路： 1、排灌油路。將背壓油路中的低壓油，經(jīng)節(jié)流降壓后供給液壓馬達殼體內(nèi)部，使其保持一定的循環(huán)油量，及時沖洗磨損產(chǎn)物。同時回油溫度較高，可對液壓馬達進行預熱，避免環(huán)境溫度較低時工作液體對液壓馬達形成“熱沖擊”。 2、泄油回路。將多路換向閥和液壓馬達的泄漏油液用油管集中起來，通過五通接頭和濾油器流回油箱。該回路無背壓以減少外漏。液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可通過檢查泄漏油路濾油器，判定是否屬于液壓馬達磨損引起的故障。 3、補油油路。該液壓系統(tǒng)中的回油經(jīng)背壓閥流回油箱，并產(chǎn)生0.8-1.0MPa的補油壓力，形成背壓油路，以便在液壓馬達制動或出現(xiàn)超速時，背壓油路中的油液經(jīng)補油閥向液壓馬達補油，以防止液壓馬達內(nèi)部的柱塞滾輪脫離導軌表面。 該液壓系統(tǒng)采用定量泵，效率較低、發(fā)熱量大，為了防止液壓系統(tǒng)過大的溫升，在回油路中設置強制風冷式散熱器，將油溫控制在80℃以下。 實現(xiàn)自動控制的液壓系統(tǒng)包括油泵、電磁比例先導閥、多路換向閥和液壓缸等如圖2-4所示。電磁比例閥控制多路換向閥中閥芯的位移，從而推動動臂、斗桿和鏟斗液壓缸動作，使整個工作裝置運動。 圖2-4挖掘機工作裝置液壓系統(tǒng)的原理圖 第三章 液壓挖掘機測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 3.1測控系統(tǒng)的硬件總體構(gòu)架 液壓挖掘機綜合測試系統(tǒng)主要測試數(shù)據(jù)有：10路溫度信號（泵進油口、泵出油口、泵回油口、主閥出油口、主閥回油口、主閥殼體、油箱、散熱器進油口、散熱器出油口、散熱器保護閥回油口）；9路壓力信號（2路主泵壓力、2路主閥工作油口、2路負流量反饋壓力、1路先導泵出口、1路先導手柄輸出壓力、1路散熱器背壓）；4路低壓流量信號（1路主閥回油總流量、1路散熱器保護閥回油流量、1路散熱器冷卻流量、1路泵回油流量）。 3.2測試裝置具體實現(xiàn)方式及元器件選型 傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器。分別對液壓系統(tǒng)的流量、溫度以及驅(qū)動液壓缸的壓力進行檢測，并通過信號調(diào)理后送入數(shù)據(jù)采集卡進行D/A轉(zhuǎn)化將信息傳遞給控制控制計算機。壓力傳感器能提供與壓力成比例的電壓信號，經(jīng)采樣后送入測控計算機。各流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器的數(shù)據(jù)送入測控計算機進行實時顯示檢測系統(tǒng)的工作。 傳感器是攝取信息的關鍵器件，它與通信技術和計算機技術構(gòu)成了信息技術的三大支柱，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集手段，也