液壓挖掘機功率優(yōu)化電控系統(tǒng)的設計

為提高液壓[color=rgb(68, 68, 68) !important]挖掘機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)對發(fā)動機和液壓油泵系統(tǒng)進行綜合控制，使二者達到最佳匹配。該系統(tǒng)主要由單片機、傳感器、直流伺服電動機和電磁比例閥組成，其中電機可帶動油門拉桿進退以調(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，可通過對比例閥閥芯開度的調(diào)節(jié)來改變斜盤傾角，以達到控制油泵吸收功率的目的。該系統(tǒng)在控制機工作時，可通過對油門和油泵吸收功率的控制使發(fā)動機始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近，發(fā)揮最大有效功率，達到功率優(yōu)化目的。
    液壓挖掘機能量的總利用率一般僅為20%左右，能量損失巨大，因而節(jié)能技術便成為衡量液壓挖掘機先進性的重要指標。目前國外的技術大多是采用電子功率優(yōu)化系統(tǒng)，對發(fā)動和液壓油泵系統(tǒng)進行綜合控制，使二者達到最佳匹配以獲得節(jié)能效果。該系統(tǒng)由單片機控制的無級調(diào)速的電控油門和電磁比例閥使挖掘機的機電一體化程度大大提高。可以根據(jù)發(fā)動機負荷的變化，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)動機始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近以全功率投入工作；同時電控油門還可以使發(fā)動機轉(zhuǎn)速在很大的范圍內(nèi)任意設定。由此電控系統(tǒng)控制的挖掘機工作性能將會更穩(wěn)定，操作起來更加精細，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，還可實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)控及自動怠速、自動升速和自動穩(wěn)速等的控制功能。
    1．電控系統(tǒng)主控對象
    液壓挖掘機主要由工作裝置、轉(zhuǎn)臺和行走裝置三部分組成，它的半臂鏟挖動作、駕駛室轉(zhuǎn)動動作和行走動作部是在液壓系統(tǒng)的油缸和馬達的驅(qū)動下完成的。而液壓系統(tǒng)的油源又是由發(fā)動機帶動的液壓油泵提供的，因此發(fā)動機和液壓油泵就是液壓挖掘機整車的動力源，功率優(yōu)化控制系統(tǒng)的主控對象也就是發(fā)動機和液壓油泵。這里配置的發(fā)動機是康明斯柴油發(fā)動機；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圓弧導軌上，斜盤可以耳軸中心線為軸心擺動，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)。當變量活塞頂部的負載變大超過彈簧彈力時，變量活塞會向下移動，使斜盤傾角變大，泵的流量就會變大，液壓泵吸收的發(fā)動機的功率也會跟著變大。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)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制：柴油機基本上是恒扭矩調(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應著不同的柴油機輸出轉(zhuǎn)速，也就是說我們可以通過對油門開度大小的控制來實現(xiàn)對發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速的控制。門開度大時，噴油泵有效供油行程大，循環(huán)供油量大，發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高：反之，轉(zhuǎn)速就低。只要我們能使油門開度微動調(diào)節(jié)，供油行程一點一點變化，就可對發(fā)動機進行無級調(diào)速。
    (2)對液壓油泵的控制：由柴油機的外特性曲線還可以看出，當噴油泵的油門拉桿處于某一位置時，柴油機的輸出扭矩隨轉(zhuǎn)速變化的特性曲線很平坦。這種特性對柴油機的工作是很不利的，當柴油機的負荷有較小變化時，其轉(zhuǎn)速就會發(fā)生很大的變化。因而發(fā)動機在驅(qū)動工作機械時，只有當它的輸出扭矩與工作機械的阻力相等時，發(fā)動機才可以穩(wěn)定工作。如阻力矩超過發(fā)動機的輸出扭矩時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速將下降：反之，則升高。
    1)對超負荷運行狀態(tài)的控制液壓挖掘機在施工作業(yè)中，如遇到堅硬結實的地面時，鏟挖阻力大，工作負載變大，執(zhí)行元件動作變緩，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)動機的輸出扭矩已小于這時的工作阻力，因此，發(fā)動機開始超負荷運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速迅速下降，甚至導致“熄火”。這時單靠拉大油門，硬性地使發(fā)動機轉(zhuǎn)速升上去，溢流損失會很大，甚至會使油路因壓力過大而漏油；還有一種情況是負荷特別重，油門已在最大位置，而我們已無法再通過調(diào)節(jié)油門來升速。這時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，減少油泵對發(fā)動機功率的吸收，從而降低油泵的輸出扭矩。這樣一來，即使回油變慢，泵油量也會同時減小，油缸內(nèi)的油壓就不會太大，系統(tǒng)的壓力也將減輕，從而降低了發(fā)動機的負載，這時發(fā)動機就不會再“熄火”，仍然可以保持額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，發(fā)揮最大的有效功率，只是挖掘動作變得慢了些。
    2)對正常負荷運行狀態(tài)的控制挖掘機正常工作負載時，我們也可以通過調(diào)節(jié)液壓油泵對發(fā)動機功率吸收量的大小使發(fā)動機始終能保持在額定轉(zhuǎn)速附近，發(fā)揮最大的功率；同時，防止發(fā)動機多余的能量進入液壓系統(tǒng)，使系統(tǒng)壓力過高和液壓油過熱。而且對應著工作負載大小的不同，發(fā)動機保持額定轉(zhuǎn)速的油門位置也會不同，負荷越小，油門就越小，油料消耗也越小。另外，當挖掘機工作負載很輕時，為降低油耗，我們還可以將發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)小，相應地降低油泵的吸收功率，使發(fā)動機在較低轉(zhuǎn)速下仍能穩(wěn)定工作，同時又降低了油門，減少了油料的消耗，達到更好的節(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)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)對發(fā)動機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機。該電機將從控制系統(tǒng)過來的直流電信號快速轉(zhuǎn)變?yōu)檩S上的角位移輸出，從而通過與電機軸相連的擺桿來帶動油門拉桿運動。
    對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控制油路前增加一個電磁比例閥來實現(xiàn)的。電磁比例閥是將手動調(diào)節(jié)壓力、流量等參數(shù)的壓力閥、流量閥改為電動調(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，由此可以實現(xiàn)對液壓油泵的變量調(diào)節(jié)。
    (2)系統(tǒng)檢測器件的選用：為對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行實時監(jiān)控，需在發(fā)動機飛輪處加一個轉(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)動機轉(zhuǎn)速值。
    在發(fā)動機升降速調(diào)整時，為協(xié)調(diào)好油門開度和液壓油泵斜盤傾角之間的關系，我們在油門拉桿的最大位置和最小位置處分別裝了兩個電感式位置傳感器，每當油門拉桿到達這兩個極限位置，電感線圈的磁通量就會發(fā)生相應的變化，檢測到油門此時的位置并向控制器發(fā)出信號。
    另外，為使控制系統(tǒng)能完成自動怠速、自動升速等功能，我們在挖掘機駕駛室內(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，可檢測任何金屬物體。這樣，只要挖掘機的操作人員將手握住手柄或踏下腳踏板，傳感器就會向控制器提供有液壓操作的信號。
    (3)系統(tǒng)主要元件的選用：該控制系統(tǒng)是液壓挖掘機功率優(yōu)化的中樞，其基本組成部分有中央處理單元、存儲器、I/O接口、人機界面及系統(tǒng)支持單元等。
    1)控制核心CPU的選擇。將中央處理單元、隨機存儲器、只讀存儲器、定時／計數(shù)器和I/O接口部集成在一個芯片上的單片機，是專為工業(yè)控制和智能儀器設計的集成度很高的微型計算機。其簡單可靠，小巧便宜的優(yōu)點恰能滿足我們的設計需求，非常適合做電控系統(tǒng)的核心。為防止軟件程序過大，所選用的單片機只讀存儲器內(nèi)存應該大一些。AT89C52型單片機是一種低功耗、高性能的CMOS八位機，它帶有可編程和擦除的只讀存儲器，還提供了256字節(jié)的隨機存儲器，32線u0口，三個16位定時器／計數(shù)器，八個中斷源，并且還具有三級程序存儲器加密功能，條件比較適合，因此，我們就選用了這種單片機。
    2)顯示器件的選擇。在所設計的控制系統(tǒng)中我們使用了兩片SAA1064驅(qū)動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字母以表明顯示速度值是實際轉(zhuǎn)速還是設定轉(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，單片機89552發(fā)出的控制信號是數(shù)字量的，這樣的控制信號還不能實現(xiàn)對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)字量的控制信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，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，被耦合的兩個部分可以自成系統(tǒng)，使強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。在進行電路設計時，為避免干擾使電路工作更可靠、穩(wěn)定，我們在控制器與輸出信號的放大電路和輸入信號的整形電路之間部使用了光電耦合TLP521A。
    4．電控系統(tǒng)的軟件設計
    該挖掘機功率優(yōu)化電控系統(tǒng)的程序設計主要由主程序、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部分組成，程序中使用了四個中斷，其中TO做計數(shù)器，Tl做通用延時定時器，T2做閘門定時器讀TO，INTO判斷按鍵。
    5．結語
    實踐證明，該液壓挖掘機全程功率優(yōu)化電控系統(tǒng)的設計，大大提高了液壓挖掘機的能量利用率，既節(jié)約了燃料，又節(jié)省了人力。并且，經(jīng)優(yōu)化改進的液壓挖掘機工作性能更加穩(wěn)定，操作起來更加精細，平滑可靠。完全達到了預期目的，即：實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)換的實時監(jiān)控及自動怠速、自動升速和自動穩(wěn)速等的控制功能。該技術若進一步得以推廣應用，必將為我國挖掘市場帶來重大經(jīng)濟效益。


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