單斗液壓挖掘機(jī)分工況節(jié)能控制系統(tǒng)

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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(guò)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(lái)，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)、Link-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)等。 

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(lái)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)，由微機(jī)根據(jù)挖掘機(jī)所處的不同狀態(tài)，通過(guò)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。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(guò)設(shè)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89C51，經(jīng)過(guò)分析處理，來(lái)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(lái)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)，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(guò)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，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(lái)選擇不同動(dòng)力模式。分工況控制流程圖如圖2所示。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、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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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)，控制器自動(dòng)使發(fā)動(dòng)迅速恢復(fù)到原來(lái)的轉(zhuǎn)速。 

2.3 自動(dòng)怠速控制 

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)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(guò)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(yáng)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?？刂葡到y(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(lái)應(yīng)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(jié)省時(shí)間，提高了效率。

• 加藤