單斗液壓挖掘機分工況節(jié)能控制系統(tǒng)
摘要：為了有效地控制單斗液壓挖掘機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)計了一種單斗液壓挖掘機分工況節(jié)能控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用負(fù)荷傳感，由微機判斷挖掘機的工作狀態(tài)，并據(jù)此控制發(fā)動機而達到節(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(yīng)范圍廣等優(yōu)點。但由于單斗液壓挖掘機作業(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，其中主要有：發(fā)動機—變量泵系統(tǒng)的非經(jīng)濟性匹配運行產(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)成為液壓挖掘機的重點發(fā)展方向之一。
隨著電子技術(shù)及微型計算機(單片機)技術(shù)在控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，將液壓挖掘機與電子技術(shù)、信號處理、預(yù)警技術(shù)及微型計算機有機地結(jié)合起來，對液壓挖掘機實現(xiàn)在線工況檢測、自動控制、故障診斷，可以達到節(jié)能和減輕司機勞動強度、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(jié)能控制系統(tǒng)，，如德國O&K公司的PMS系統(tǒng)、Link-Belt的CAPS系統(tǒng);美國卡特皮勒的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);韓國大宇的EPOS系統(tǒng)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(tǒng)的壓力為判斷信號，來判斷液壓挖掘機的工作狀態(tài)，進而由步進電機控制發(fā)動機的油門，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)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下進行的，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，判斷挖掘機的工作狀態(tài)，由微機根據(jù)挖掘機所處的不同狀態(tài)，通過控制步進電機的輸入出，進而控制發(fā)動機油門，使發(fā)動機穩(wěn)定在要求的轉(zhuǎn)速附近，以達到節(jié)能和實現(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、I/O接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路、驅(qū)動電路、顯示報警和光電隔離電路等部分組成。
1.1 單片機系統(tǒng)
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(nèi)集成有2K字節(jié)的電擦除閃存(Flash ROM)，價格低，目前性能價格比較高的單片機芯之一。
AT89C51的工作頻率為6～40MHz。本系統(tǒng)利用單片機的內(nèi)部振蕩器外加石英晶體構(gòu)成時鐘源，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，這有兩個可編程的8位并行I/O口PA和PB、一個可編程的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)過分析處理，來判別挖掘機的工作狀況，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)動機的轉(zhuǎn)速，作為系統(tǒng)的反饋信號。由于磁電式傳感器的信號較弱，需要設(shè)計調(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主軸齒輪(130齒)附近，如果直接接到89C51的中斷口(INT0)，會使系統(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)計數(shù)器進行130分頻，相當(dāng)于每轉(zhuǎn)來一個脈沖，避免了上述現(xiàn)象。
油門開度傳感器檢測油門的位置，以便于發(fā)動機點火起動。它與油門的調(diào)速拉桿轉(zhuǎn)動的角度對應(yīng)，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，與內(nèi)部程序設(shè)定值進行比較，打開鑰匙開關(guān)，控制系統(tǒng)驅(qū)動步進電機帶動油門的調(diào)速拉桿從零位調(diào)到起動位置。
系統(tǒng)設(shè)有高、中、低三個動力模式選擇開關(guān)，相應(yīng)的發(fā)動機功率為全功率的100%、88%和65%.當(dāng)司機根據(jù)工作需要選定某一開關(guān)，計算機即可控制發(fā)動機使其穩(wěn)定在相應(yīng)的動力模式下。其中，中檔是常用工作檔。同時也是經(jīng)濟動力模式檔，用該檔工作時，發(fā)動機-液壓泵系統(tǒng)處于最經(jīng)濟的匹配工作狀態(tài)。
另外，系統(tǒng)還設(shè)計了對運行參數(shù)如液壓系統(tǒng)的報警壓力與極限壓力、系統(tǒng)的采集時間、PID控制參數(shù)等進行在線修改的功能。利用EEPROM的存儲功能進行保存，以便下次開機時，系統(tǒng)仍按著調(diào)節(jié)好的參數(shù)運行。操作者只要按下參數(shù)設(shè)置鍵與動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電機、顯示器、工作指示燈與聲光報警等。其中，步進電機控制發(fā)動機油門的位置;顯示器顯示兩路液壓系統(tǒng)的.壓力(3位，單位：MPa)與發(fā)動機轉(zhuǎn)速(4位，單位：rpm);工作指示燈指示司機當(dāng)前所選擇的動力模式;聲光報警提示司機當(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
挖掘機是一種多功能的機械，進行的作業(yè)內(nèi)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，有時強調(diào)燃料經(jīng)濟性，生產(chǎn)率要求不突出，進行一般性的挖掘和裝土作業(yè);有時則重視精度和安全，在狹小場地進行操作，進行精細工作和微調(diào)作業(yè)。
為了適應(yīng)不同作業(yè)和使用工況，需要進行分工況控制，根據(jù)作用工況和使用要求來選擇不同動力模式。本系統(tǒng)按以下4種工況控制發(fā)動機：
(1)H工況：重負(fù)荷情況，追求最大作業(yè)量，發(fā)動機設(shè)置在最大轉(zhuǎn)速，進行高速強力掘削、高速行走時使用。
(2)S工況：一般作業(yè)情況，要求發(fā)動機發(fā)揮88%最大功率，此時工作速率稍慢，此工況主要為了降低油耗和減少噪音。這也是常用工作檔，同時也是經(jīng)濟動力模式檔，用該檔工作時，發(fā)動機-液壓泵系統(tǒng)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、進行微調(diào)控制和精細作用，在狹小場地工作時可保證安全性，噪音進一步降低。
(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)動機，使其穩(wěn)定在相應(yīng)的動力模式下。
2.2 短期超載控制
這是為提高挖掘機的工作效率而設(shè)置的。挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)定的最高壓力有一定的余量，當(dāng)系統(tǒng)在短時間內(nèi)超載工作時，一般不會對系統(tǒng)產(chǎn)生太大的影響，但不能長時間地超載工作，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(大于24Mpa，小于27MPa)，挖掘機仍然工作一段時間(8秒)，以便工作裝置能克服臨時較大的阻力，提高效率。當(dāng)超過設(shè)定的時間時，控制器自動將發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低到怠速狀態(tài)，同時發(fā)出聲光報警，以使讓司機改變操作方式。當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到最高設(shè)計壓力以時，控制器自動使發(fā)動迅速恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速。
2.3 自動怠速控制
挖掘機在作業(yè)中，往往需要短暫停機，處于待命狀態(tài)，例如等待自卸卡車或需進行某種準(zhǔn)備工作等。這時所有操作桿在中位待命，發(fā)動機的能量白白浪費，為此，希望發(fā)動機轉(zhuǎn)速能自動下降，處于低怠速狀態(tài)。減少燃耗、降低噪音，這對發(fā)動機使用壽命也有好處。
控制的依據(jù)是：當(dāng)各操縱閥均處于中位時，液壓系統(tǒng)壓力均小正常工作狀態(tài)時的壓力。為了確信挖掘機確實處于不工作狀態(tài)，在測得液壓系統(tǒng)壓力小于設(shè)定的最低閥值時，控制器延時幾秒鐘后(4秒)才向步進電機出信號，使油門處于低怠速位置，以防系統(tǒng)脈動。當(dāng)需進行工作時，只需操縱閥的閥標(biāo)一動，發(fā)動機轉(zhuǎn)速就自動復(fù)原，進入工作狀態(tài)。
2.4 溢流控制
當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力接近或達到溢流閥開啟壓力時，智能控制器自動降低發(fā)動轉(zhuǎn)速，以消除或減少溢流量。當(dāng)發(fā)動機轉(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，發(fā)出超載報警。
通過前期的研究，已成功地開發(fā)了單斗液壓挖掘機的分工況節(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一拖集團工程機械研究所WY-22型單斗液壓挖掘機上進行試驗，獲得了成為滿意的控制效果。現(xiàn)已安裝成樣機進行工作。
該系統(tǒng)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(tǒng)的短期超載功能既保證了系統(tǒng)的安全，又提高了挖掘機克服短時間超載的能力，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完成，從而節(jié)省時間，提高了效率。
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