液壓挖掘機(jī)功率優(yōu)化電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為提高液壓[color=rgb(68, 68, 68) !important]挖掘機(jī)的能量利用率并更好地節(jié)省燃料，采用功率優(yōu)化電子控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓油泵系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制，使二者達(dá)到最佳匹配。該系統(tǒng)主要由單片機(jī)、傳感器、直流伺服電動(dòng)機(jī)和電磁比例閥組成，其中電機(jī)可帶動(dòng)油門拉桿進(jìn)退以調(diào)節(jié)油門的大??；電磁比例閥的開度又與油泵斜盤的變量活塞所受的控制壓力有關(guān)，可通過對(duì)比例閥閥芯開度的調(diào)節(jié)來改變斜盤傾角，以達(dá)到控制油泵吸收功率的目的。該系統(tǒng)在控制機(jī)工作時(shí)，可通過對(duì)油門和油泵吸收功率的控制使發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近，發(fā)揮最大有效功率，達(dá)到功率優(yōu)化目的。
    液壓挖掘機(jī)能量的總利用率一般僅為20%左右，能量損失巨大，因而節(jié)能技術(shù)便成為衡量液壓挖掘機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。目前國(guó)外的技術(shù)大多是采用電子功率優(yōu)化系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)和液壓油泵系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制，使二者達(dá)到最佳匹配以獲得節(jié)能效果。該系統(tǒng)由單片機(jī)控制的無(wú)級(jí)調(diào)速的電控油門和電磁比例閥使挖掘機(jī)的機(jī)電一體化程度大大提高。可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化，由微處理器控制調(diào)節(jié)液壓泵所吸收的功率和油門的開啟度，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近以全功率投入工作；同時(shí)電控油門還可以使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在很大的范圍內(nèi)任意設(shè)定。由此電控系統(tǒng)控制的挖掘機(jī)工作性能將會(huì)更穩(wěn)定，操作起來更加精細(xì)，平滑可靠，沒有沖擊感，能量利用率更高，更節(jié)省燃料，節(jié)能效果自然更明顯。另外，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)控及自動(dòng)怠速、自動(dòng)升速和自動(dòng)穩(wěn)速等的控制功能。
    1．電控系統(tǒng)主控對(duì)象
    液壓挖掘機(jī)主要由工作裝置、轉(zhuǎn)臺(tái)和行走裝置三部分組成，它的半臂鏟挖動(dòng)作、駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作和行走動(dòng)作部是在液壓系統(tǒng)的油缸和馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下完成的。而液壓系統(tǒng)的油源又是由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的液壓油泵提供的，因此發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓油泵就是液壓挖掘機(jī)整車的動(dòng)力源，功率優(yōu)化控制系統(tǒng)的主控對(duì)象也就是發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓油泵。這里配置的發(fā)動(dòng)機(jī)是康明斯柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；而液壓油泵則是斜盤式柱塞變量泵。
    斜盤式柱塞變量泵的排量和流量可以通過改變斜盤傾角來改變。柱塞泵的斜盤前后有兩根耳軸支承在變量殼體的兩個(gè)圓弧導(dǎo)軌上，斜盤可以耳軸中心線為軸心擺動(dòng)，使傾角改變。斜盤中部裝有銷軸，其左側(cè)球形端部插入變量活塞的孔內(nèi)。當(dāng)變量活塞頂部的負(fù)載變大超過彈簧彈力時(shí)，變量活塞會(huì)向下移動(dòng)，使斜盤傾角變大，泵的流量就會(huì)變大，液壓泵吸收的發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也會(huì)跟著變大。只要能控制好液壓油泵變量活塞所受壓力的大小就可以控制液壓油泵的吸收功率。
    2．電控系統(tǒng)控制原理
    (1)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制：柴油機(jī)基本上是恒扭矩調(diào)節(jié)的，其輸出功率的變化表現(xiàn)為輸出轉(zhuǎn)速的變化，即不同的油門開度對(duì)應(yīng)著不同的柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，也就是說我們可以通過對(duì)油門開度大小的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制。門開度大時(shí)，噴油泵有效供油行程大，循環(huán)供油量大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高：反之，轉(zhuǎn)速就低。只要我們能使油門開度微動(dòng)調(diào)節(jié)，供油行程一點(diǎn)一點(diǎn)變化，就可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。
    (2)對(duì)液壓油泵的控制：由柴油機(jī)的外特性曲線還可以看出，當(dāng)噴油泵的油門拉桿處于某一位置時(shí)，柴油機(jī)的輸出扭矩隨轉(zhuǎn)速變化的特性曲線很平坦。這種特性對(duì)柴油機(jī)的工作是很不利的，當(dāng)柴油機(jī)的負(fù)荷有較小變化時(shí)，其轉(zhuǎn)速就會(huì)發(fā)生很大的變化。因而發(fā)動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)工作機(jī)械時(shí)，只有當(dāng)它的輸出扭矩與工作機(jī)械的阻力相等時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)才可以穩(wěn)定工作。如阻力矩超過發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將下降：反之，則升高。
    1)對(duì)超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的控制液壓挖掘機(jī)在施工作業(yè)中，如遇到堅(jiān)硬結(jié)實(shí)的地面時(shí)，鏟挖阻力大，工作負(fù)載變大，執(zhí)行元件動(dòng)作變緩，回油變慢，而油泵仍繼續(xù)向系統(tǒng)供油，油缸內(nèi)的油壓急增，使系統(tǒng)壓力過大，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩已小于這時(shí)的工作阻力，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)開始超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速迅速下降，甚至導(dǎo)致“熄火”。這時(shí)單靠拉大油門，硬性地使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升上去，溢流損失會(huì)很大，甚至?xí)褂吐芬驂毫^大而漏油；還有一種情況是負(fù)荷特別重，油門已在最大位置，而我們已無(wú)法再通過調(diào)節(jié)油門來升速。這時(shí)我們可以通過降低液壓油泵向系統(tǒng)提供的液壓油量來降低系統(tǒng)的壓力，減少油泵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的吸收，從而降低油泵的輸出扭矩。這樣一來，即使回油變慢，泵油量也會(huì)同時(shí)減小，油缸內(nèi)的油壓就不會(huì)太大，系統(tǒng)的壓力也將減輕，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)就不會(huì)再“熄火”，仍然可以保持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)揮最大的有效功率，只是挖掘動(dòng)作變得慢了些。
    2)對(duì)正常負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的控制挖掘機(jī)正常工作負(fù)載時(shí)，我們也可以通過調(diào)節(jié)液壓油泵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率吸收量的大小使發(fā)動(dòng)機(jī)始終能保持在額定轉(zhuǎn)速附近，發(fā)揮最大的功率；同時(shí)，防止發(fā)動(dòng)機(jī)多余的能量進(jìn)入液壓系統(tǒng)，使系統(tǒng)壓力過高和液壓油過熱。而且對(duì)應(yīng)著工作負(fù)載大小的不同，發(fā)動(dòng)機(jī)保持額定轉(zhuǎn)速的油門位置也會(huì)不同，負(fù)荷越小，油門就越小，油料消耗也越小。另外，當(dāng)挖掘機(jī)工作負(fù)載很輕時(shí)，為降低油耗，我們還可以將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)小，相應(yīng)地降低油泵的吸收功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)在較低轉(zhuǎn)速下仍能穩(wěn)定工作，同時(shí)又降低了油門，減少了油料的消耗，達(dá)到更好的節(jié)能效果。
    3．電控系統(tǒng)硬件配置
    (1)系統(tǒng)執(zhí)行部件的選用：伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度大小的控制，我們選用額定工作電壓為12V、功率為30W的永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)將從控制系統(tǒng)過來的直流電信號(hào)快速轉(zhuǎn)變?yōu)檩S上的角位移輸出，從而通過與電機(jī)軸相連的擺桿來帶動(dòng)油門拉桿運(yùn)動(dòng)。
    對(duì)于液壓油泵斜盤傾角的調(diào)節(jié)和控制，我們是通過在液壓油泵的先導(dǎo)控制油路前增加一個(gè)電磁比例閥來實(shí)現(xiàn)的。電磁比例閥是將手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力、流量等參數(shù)的壓力閥、流量閥改為電動(dòng)調(diào)節(jié)，并使被調(diào)整參數(shù)和給定的電量成比例。改變電磁鐵線圈上的電流就可調(diào)整閥芯的開度，進(jìn)而改變作用在液壓油泵變量活塞上的壓力以及活塞的位置，由此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油泵的變量調(diào)節(jié)。
    (2)系統(tǒng)檢測(cè)器件的選用：為對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，需在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪處加一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器。這里配置的是磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。它可以直接給出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值。
    在發(fā)動(dòng)機(jī)升降速調(diào)整時(shí)，為協(xié)調(diào)好油門開度和液壓油泵斜盤傾角之間的關(guān)系，我們?cè)谟烷T拉桿的最大位置和最小位置處分別裝了兩個(gè)電感式位置傳感器，每當(dāng)油門拉桿到達(dá)這兩個(gè)極限位置，電感線圈的磁通量就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，檢測(cè)到油門此時(shí)的位置并向控制器發(fā)出信號(hào)。
    另外，為使控制系統(tǒng)能完成自動(dòng)怠速、自動(dòng)升速等功能，我們?cè)谕诰驒C(jī)駕駛室內(nèi)的操作手柄內(nèi)部和腳踏板的底部也安裝了傳感器。手柄內(nèi)裝的傳感器是電容式的，可以檢測(cè)任何非金屬物體：腳踏板下的傳感器與油門位置傳感器相同部是電感式的，可檢測(cè)任何金屬物體。這樣，只要挖掘機(jī)的操作人員將手握住手柄或踏下腳踏板，傳感器就會(huì)向控制器提供有液壓操作的信號(hào)。
    (3)系統(tǒng)主要元件的選用：該控制系統(tǒng)是液壓挖掘機(jī)功率優(yōu)化的中樞，其基本組成部分有中央處理單元、存儲(chǔ)器、I/O接口、人機(jī)界面及系統(tǒng)支持單元等。
    1)控制核心CPU的選擇。將中央處理單元、隨機(jī)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、定時(shí)／計(jì)數(shù)器和I/O接口部集成在一個(gè)芯片上的單片機(jī)，是專為工業(yè)控制和智能儀器設(shè)計(jì)的集成度很高的微型計(jì)算機(jī)。其簡(jiǎn)單可靠，小巧便宜的優(yōu)點(diǎn)恰能滿足我們的設(shè)計(jì)需求，非常適合做電控系統(tǒng)的核心。為防止軟件程序過大，所選用的單片機(jī)只讀存儲(chǔ)器內(nèi)存應(yīng)該大一些。AT89C52型單片機(jī)是一種低功耗、高性能的CMOS八位機(jī)，它帶有可編程和擦除的只讀存儲(chǔ)器，還提供了256字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器，32線u0口，三個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，八個(gè)中斷源，并且還具有三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密功能，條件比較適合，因此，我們就選用了這種單片機(jī)。
    2)顯示器件的選擇。在所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中我們使用了兩片SAA1064驅(qū)動(dòng)8位LED顯示數(shù)碼管，4位LED用來顯示4位轉(zhuǎn)速值，還有一位分別顯示不同的兩個(gè)字母以表明顯示速度值是實(shí)際轉(zhuǎn)速還是設(shè)定轉(zhuǎn)速。
    3)模，數(shù)、數(shù)，模轉(zhuǎn)換器的選擇。在控制電磁比例閥時(shí)，單片機(jī)89552發(fā)出的控制信號(hào)是數(shù)字量的，這樣的控制信號(hào)還不能實(shí)現(xiàn)對(duì)比例閥電磁線圈通電電流大小的改變，還需要D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，在此我們選用了帶nc總線接口的PCF8591A/D、D/A轉(zhuǎn)換器。
    4)光電隔離器的選擇。由于光電耦合的信號(hào)傳遞采取電?光?電形式，發(fā)光部分和受光部分不直接接觸，被耦合的兩個(gè)部分可以自成系統(tǒng)，使強(qiáng)電部分與弱電部分隔離，因而可有效地避免干擾由輸出或輸入通道竄入控制器，從而保證電路工作的可靠性。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，為避免干擾使電路工作更可靠、穩(wěn)定，我們?cè)诳刂破髋c輸出信號(hào)的放大電路和輸入信號(hào)的整形電路之間部使用了光電耦合TLP521A。
    4．電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    該挖掘機(jī)功率優(yōu)化電控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要由主程序、調(diào)速子程序、怠速子程序、穩(wěn)速子程序和按鍵程序等幾個(gè)部分組成，程序中使用了四個(gè)中斷，其中TO做計(jì)數(shù)器，Tl做通用延時(shí)定時(shí)器，T2做閘門定時(shí)器讀TO，INTO判斷按鍵。
    5．結(jié)語(yǔ)
    實(shí)踐證明，該液壓挖掘機(jī)全程功率優(yōu)化電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，大大提高了液壓挖掘機(jī)的能量利用率，既節(jié)約了燃料，又節(jié)省了人力。并且，經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)的液壓挖掘機(jī)工作性能更加穩(wěn)定，操作起來更加精細(xì)，平滑可靠。完全達(dá)到了預(yù)期目的，即：實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)監(jiān)控及自動(dòng)怠速、自動(dòng)升速和自動(dòng)穩(wěn)速等的控制功能。該技術(shù)若進(jìn)一步得以推廣應(yīng)用，必將為我國(guó)挖掘市場(chǎng)帶來重大經(jīng)濟(jì)效益。


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