單斗液壓挖掘機分工況節能控制系統

　　摘要：為了有效地控制單斗液壓挖掘機在工作過(guò)程中的能量損失、減少液壓系統的發(fā)熱、改善工作性能，設計了一種單斗液壓挖掘機分工況節能控制系統。該控制系統采用負荷傳感，由微機判斷挖掘機的工作狀態(tài)，并據此控制發(fā)動(dòng)機而達到節能的目的。該系統具有工況控制、短期超載控制、自動(dòng)怠速控制、溢流控制等功能。

　　單斗液壓挖掘機是重要的工程機械，具有作業(yè)靈活方便、適應范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但由于單斗液壓挖掘機作業(yè)工況復雜、作業(yè)過(guò)程中負荷變化頻繁、變化范圍大，因而存在著(zhù)不少環(huán)節的能量損失，其中主要有：發(fā)動(dòng)機—變量泵系統的非經(jīng)濟性匹配運行產(chǎn)生的損失、液壓系統壓力油的流量損失和壓力損失。這些損失不僅浪費了能量，而且引起液壓系統發(fā)熱，工作性能惡化。為此，節能控制已經(jīng)成為液壓挖掘機的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

　　隨著(zhù)電子技術(shù)及微型計算機(單片機)技術(shù)在控制領(lǐng)域中的廣泛應用，將液壓挖掘機與電子技術(shù)、信號處理、預警技術(shù)及微型計算機有機地結合起來(lái)，對液壓挖掘機實(shí)現在線(xiàn)工況檢測、自動(dòng)控制、故障診斷，可以達到節能和減輕司機勞動(dòng)強度、提高工作效率的目的。

　　目前國外各大公司的挖掘機產(chǎn)品均不同程度地配備了電子節能控制系統，，如德國O&K公司的PMS系統、Link-Belt的CAPS系統;美國卡特皮勒的EPC系統;日本日立的OHS系統、粘松的OLSS系統、加藤的APC系統、神鋼的ITCS系統;韓國大宇的EPOS系統等。

　　筆者針對上述挖掘機能量損失情況，采用單片機，以液壓系統的壓力為判斷信號，來(lái)判斷液壓挖掘機的工作狀態(tài)，進(jìn)而由步進(jìn)電機控制發(fā)動(dòng)機的油門(mén)，從而使油門(mén)的開(kāi)度始終處于適應負載的合適值上，達到節能的目的。

　　1 系統的組成

　　系統是在不改變液壓系統和發(fā)動(dòng)機內部結構的前提下進(jìn)行的，其硬件框圖如圖1所示。

　　本節能控制系統采用了負荷傳感，即以液壓系統壓力為判斷信號，判斷挖掘機的工作狀態(tài)，由微機根據挖掘機所處的不同狀態(tài)，通過(guò)控制步進(jìn)電機的輸入出，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機油門(mén)，使發(fā)動(dòng)機穩定在要求的轉速附近，以達到節能和實(shí)現其它功能的目的。

　　由硬件框圖可知，控制系統硬件的系統由單片機、I/O接口電路、A/D轉換電路、信號調理電路、驅動(dòng)電路、顯示報警和光電隔離電路等部分組成。

　　1.1 單片機系統

　　單片機采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機。該芯片不僅具有MCS51系列單片機的所有特性，而且片內集成有2K字節的電擦除閃存(Flash ROM)，價(jià)格低，目前性能價(jià)格比較高的單片機芯之一。

　　AT89C51的工作頻率為6～40MHz。本系統利用單片機的內部振蕩器外加石英晶體構成時(shí)鐘源，為了工作可靠，晶體振蕩頻率選為12MHz。

　　為了滿(mǎn)足控制接口的需要，本控制器又擴展了一片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(guò)設備其命令狀態(tài)寄存器中的控制字來(lái)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(mén)開(kāi)度傳感器、動(dòng)力模式選擇開(kāi)關(guān)和參數設定開(kāi)關(guān)等組成。

　　其中，壓力變送器(CYR-1A型)負責采樣液壓系統的壓力(兩路)，經(jīng)A/D轉換后輸入89C51，經(jīng)過(guò)分析處理，來(lái)判別挖掘機的工作狀況，發(fā)出相應的控制指令。

　　速度傳感器(磁電式)負責采樣發(fā)動(dòng)機的轉速，作為系統的反饋信號。由于磁電式傳感器的信號較弱，需要設計調理電路(轉換成標準的TTL)。另外傳感器安裝在挖掘機主軸齒輪(130齒)附近，如果直接接到89C51的中斷口(INT0)，會(huì )使系統頻繁中斷，89C51工作繁忙，因此需要分頻。本系統直接利用了81C55中的14位減數計數器進(jìn)行130分頻，相當于每轉來(lái)一個(gè)脈沖，避免了上述現象。

　　油門(mén)開(kāi)度傳感器檢測油門(mén)的位置，以便于發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火起動(dòng)。它與油門(mén)的調速拉桿轉動(dòng)的角度對應，將其轉換為電壓信號，與內部程序設定值進(jìn)行比較，打開(kāi)鑰匙開(kāi)關(guān)，控制系統驅動(dòng)步進(jìn)電機帶動(dòng)油門(mén)的調速拉桿從零位調到起動(dòng)位置。

　　系統設有高、中、低三個(gè)動(dòng)力模式選擇開(kāi)關(guān)，相應的發(fā)動(dòng)機功率為全功率的100%、88%和65%.當司機根據工作需要選定某一開(kāi)關(guān)，計算機即可控制發(fā)動(dòng)機使其穩定在相應的動(dòng)力模式下。其中，中檔是常用工作檔。同時(shí)也是經(jīng)濟動(dòng)力模式檔，用該檔工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機-液壓泵系統處于最經(jīng)濟的匹配工作狀態(tài)。

　　另外，系統還設計了對運行參數如液壓系統的報警壓力與極限壓力、系統的采集時(shí)間、PID控制參數等進(jìn)行在線(xiàn)修改的功能。利用EEPROM的存儲功能進(jìn)行保存，以便下次開(kāi)機時(shí)，系統仍按著(zhù)調節好的參數運行。操作者只要按下參數設置鍵與動(dòng)力模式選擇鍵的組合，即可完成修改。這種鍵盤(pán)的組合可以降低成本，減少面板的操作面積，提高系統的可靠性。

　　1.3 輸出電路

　　輸出電路的包括步進(jìn)電機、顯示器、工作指示燈與聲光報警等。其中，步進(jìn)電機控制發(fā)動(dòng)機油門(mén)的位置;顯示器顯示兩路液壓系統的壓力(3位，單位：MPa)與發(fā)動(dòng)機轉速(4位，單位：rpm);工作指示燈指示司機當前所選擇的動(dòng)力模式;聲光報警提示司機當前液壓系統的負荷已經(jīng)超過(guò)所設定工作壓力，要求采取相應的解決辦法。

　　2 系統的功能

　　2.1 分工況節能控制

　　挖掘機是一種多功能的機械，進(jìn)行的作業(yè)內容較多，如挖掘、裝土、挖溝、填埋、裝修、搬運、破碎和平地等;所遇到的作業(yè)對象——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)強調燃料經(jīng)濟性，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)行精細工作和微調作業(yè)。

　　為了適應不同作業(yè)和使用工況，需要進(jìn)行分工況控制，根據作用工況和使用要求來(lái)選擇不同動(dòng)力模式。本系統按以下4種工況控制發(fā)動(dòng)機：

　　(1)H工況：重負荷情況，追求最大作業(yè)量，發(fā)動(dòng)機設置在最大轉速，進(jìn)行高速強力掘削、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)濟動(dòng)力模式檔，用該檔工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機-液壓泵系統處理最經(jīng)濟的匹配工作狀態(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)行微調控制和精細作用，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。

　　本系統通過(guò)動(dòng)力模式選擇開(kāi)關(guān)，將選擇的工況輸入控制器，控制器控制發(fā)動(dòng)機，使其穩定在相應的動(dòng)力模式下。

　　2.2 短期超載控制

　　這是為提高挖掘機的工作效率而設置的。挖掘機液壓系統設定的最高壓力有一定的余量，當系統在短時(shí)間內超載工作時(shí)，一般不會(huì )對系統產(chǎn)生太大的影響，但不能長(cháng)時(shí)間地超載工作，否則有可能影響系統和其他無(wú)器件的壽命及產(chǎn)生不良的后果。當液壓系統壓力超過(guò)設定的最高壓力幾Mpa時(shí)(大于24Mpa，小于27MPa)，挖掘機仍然工作一段時(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。當超過(guò)設定的時(shí)間時(shí)，控制器自動(dòng)將發(fā)動(dòng)機轉速降低到怠速狀態(tài)，同時(shí)發(fā)出聲光報警，以使讓司機改變操作方式。當系統壓力降低到最高設計壓力以時(shí)，控制器自動(dòng)使發(fā)動(dòng)迅速恢復到原來(lái)的轉速。

　　2.3 自動(dòng)怠速控制

　　挖掘機在作業(yè)中，往往需要短暫停機，處于待命狀態(tài)，例如等待自卸卡車(chē)或需進(jìn)行某種準備工作等。這時(shí)所有操作桿在中位待命，發(fā)動(dòng)機的能量白白浪費，為此，希望發(fā)動(dòng)機轉速能自動(dòng)下降，處于低怠速狀態(tài)。減少燃耗、降低噪音，這對發(fā)動(dòng)機使用壽命也有好處。

　　控制的依據是：當各操縱閥均處于中位時(shí)，液壓系統壓力均小正常工作狀態(tài)時(shí)的壓力。為了確信挖掘機確實(shí)處于不工作狀態(tài)，在測得液壓系統壓力小于設定的最低閥值時(shí)，控制器延時(shí)幾秒鐘后(4秒)才向步進(jìn)電機出信號，使油門(mén)處于低怠速位置，以防系統脈動(dòng)。當需進(jìn)行工作時(shí)，只需操縱閥的閥標一動(dòng)，發(fā)動(dòng)機轉速就自動(dòng)復原，進(jìn)入工作狀態(tài)。

　　2.4 溢流控制

　　當液壓系統壓力接近或達到溢流閥開(kāi)啟壓力時(shí)，智能控制器自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)轉速，以消除或減少溢流量。當發(fā)動(dòng)機轉速降低到系統設定的最低轉速，如果還存在超載溢流時(shí)，發(fā)出超載報警。

　　通過(guò)前期的研究，已成功地開(kāi)發(fā)了單斗液壓挖掘機的分工況節能控制系統。本系統于1999年9月和11月兩次在洛陽(yáng)市中國一拖集團工程機械研究所WY-22型單斗液壓挖掘機上進(jìn)行試驗，獲得了成為滿(mǎn)意的控制效果�，F已安裝成樣機進(jìn)行工作。

　　該系統還兼有改善挖掘機的操作性能和提高作業(yè)效率的作用。在操作中，司機一旦選定工作模式后，不管挖掘機處于什么工作狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機均可由計算機控制，使之處于理想的工作狀態(tài)，改善了操作性能�？刂葡到y的短期超載功能既保證了系統的安全，又提高了挖掘機克服短時(shí)間超載的能力，使本來(lái)應該通過(guò)改變操作方式才能完成的某些消弱措施自動(dòng)完成，從而節省時(shí)間，提高了效率。

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