推土機(jī)鏟刀升降微機(jī)控制系統(tǒng)探析

蔡孝敏

（鞍鋼建設(shè)集團(tuán)有限公司，遼寧 鞍山 114002）

1 引言

采用先進(jìn)的微機(jī)控制技術(shù)提高工程機(jī)械的工作效率和作業(yè)質(zhì)量，己成為我國(guó)工程機(jī)械技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)系統(tǒng)在傳統(tǒng)機(jī)械自動(dòng)化改造中起到了重大的作用。同樣，采用單片機(jī)為控制器的先進(jìn)控制技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的推土機(jī)進(jìn)行改造，使之在傳統(tǒng)的機(jī)械操縱的基礎(chǔ)上，能夠根據(jù)具體工況自動(dòng)控制鏟刀的升降，有效的解決了推土機(jī)作業(yè)過(guò)程中存在的問(wèn)題。

2 推土機(jī)鏟刀升降控制系統(tǒng)工作原理

推土機(jī)在進(jìn)行鏟掘工作時(shí)，操作人員手動(dòng)控制鏟刀強(qiáng)制切入土壤后，切換到自動(dòng)控制位置。當(dāng)切土深度發(fā)生變化時(shí)，推土機(jī)鏟刀受到的阻力也隨之發(fā)生變化，阻力變化的信號(hào)通過(guò)力傳感器傳給單片機(jī)組成的控制器，控制器控制電液比例換向閥，操縱鏟刀升降，適應(yīng)外界載荷的變化。工作中，需根據(jù)推土機(jī)極限工況確定其工作阻力的上下極限值即確定鏟刀升降的臨界值，系統(tǒng)還需要根據(jù)這兩個(gè)極限值設(shè)定一個(gè)中間值中間區(qū)域來(lái)確定比例換向閥的開關(guān)和流量。當(dāng)推土機(jī)受到的阻力大于等于上限值時(shí)，控制器控制電液換向閥打開，鏟刀上升。在鏟刀上升過(guò)程中，阻力不斷減小，當(dāng)阻力減小到系統(tǒng)設(shè)定的中間值時(shí)，控制器控制比例換向閥切斷供油，使鏟刀提升油缸閉鎖，繼續(xù)鏟掘作業(yè)。同理，若推土機(jī)入土太淺使推土機(jī)受力小于下限值時(shí)，控制器則控制電液換向閥向反方向供油，實(shí)現(xiàn)鏟刀的下降，這樣即可實(shí)現(xiàn)鏟刀升降的自動(dòng)控制。

3 推土機(jī)鏟刀升降微機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制信號(hào)

推土機(jī)在一定的工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率一定時(shí)，鏟刀負(fù)荷增加，轉(zhuǎn)速下降反之，鏟刀負(fù)荷減小，轉(zhuǎn)速上升。所以選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制鏟刀升降的控制信號(hào)是一個(gè)可行方案，而且轉(zhuǎn)速信號(hào)具有易測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際工作中轉(zhuǎn)速測(cè)量可用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器采用計(jì)算形式測(cè)量，簡(jiǎn)單、方便、快捷、實(shí)用。

3.2 推土機(jī)所受阻力作為控制信號(hào)

推土機(jī)在鏟掘作業(yè)中，鏟刀受到的推土阻力與鏟刀切土深度成正比，切土越深，阻力越大，故可以通過(guò)直接或間接測(cè)量推土機(jī)所受阻力的變化來(lái)控制推土機(jī)鏟刀升降。但是推土機(jī)在作業(yè)時(shí)受到的阻力相當(dāng)復(fù)雜，有切削阻力、推土板前土堆運(yùn)移阻力、鏟刀切削刃與地面摩擦阻力、土屑沿推土板面上升阻力、土屑沿推土板面?zhèn)纫谱枇Α⒆鳂I(yè)阻力中行走阻力、坡道阻力、慣性阻力等。因此要選用推土機(jī)受力作為控制信號(hào)，對(duì)于選擇推土機(jī)的受力點(diǎn)，確定傳感器的安裝位置有較嚴(yán)格的要求。一、以推土機(jī)鏟刀作業(yè)部分受力作為控制信號(hào)推土機(jī)作業(yè)過(guò)程中，鏟刀直接與土壤作用，受力是最直接的，但由于推土機(jī)作業(yè)環(huán)境十分惡劣，常常伴有劇烈的振動(dòng)，偶爾還會(huì)遇到石塊等硬物的沖擊，受力不穩(wěn)定，給傳感器的選擇帶來(lái)不便，而且鏟刀的工作面是一條線切削刃，使傳感器的安裝也不方便，故這個(gè)方案不可行。二、以推土機(jī)頂推架支點(diǎn)受力作為控制信號(hào)推土機(jī)進(jìn)行推土以及鏟掘作業(yè)時(shí)，主要靠頂推架提供推力行進(jìn)，在頂推架支點(diǎn)受到的力相對(duì)于其他分力較大，這個(gè)力能夠真實(shí)的反映推土機(jī)鏟刀的受力變化情況，可以作為控制信號(hào)。但是由于頂推架支點(diǎn)是一個(gè)球鉸連接，若要在這個(gè)位置安裝力傳感器，必須在球鉸連接處進(jìn)行特定的加工，而且傳感器的耐沖擊性要求很高，因此，這個(gè)方案也不是最好的。三、以推土機(jī)鏟刀升降油缸內(nèi)油液壓力作為控制信號(hào)鏟掘作業(yè)時(shí)，推土機(jī)主要是靠鏟刀自重和提升油缸的切入力將鏟刀強(qiáng)制壓入土壤，在鏟刀入土一定深度后，推土機(jī)的液壓控制系統(tǒng)將提升油缸的油路閉鎖，從而提供較大的鏟掘力。當(dāng)鏟刀受的到外力發(fā)生變化時(shí)，必然通過(guò)提升油缸的活塞傳遞給缸內(nèi)的液壓油，使液壓油所受的壓力發(fā)生變化。雖然液壓油的壓力變化受到很多情況影響比如供油泵供油的脈動(dòng)、遇到硬物時(shí)受到的沖擊，但是在油路閉鎖時(shí)，并無(wú)供油脈動(dòng)的影響，而在鏟刀升降時(shí)，供油的脈動(dòng)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合適的濾波器來(lái)進(jìn)行濾波，同樣外界較大的沖擊也可以進(jìn)行濾波處理，因此鏟刀提升油缸內(nèi)液壓油的壓力變化真實(shí)的反映了鏟刀受力的變化情況。而且測(cè)量該油液壓力的變化，只需在油缸壁專門的測(cè)壓口安裝壓力傳感器，安裝和測(cè)量都很方便。這個(gè)方案相對(duì)于以上兩個(gè)方案是最方便可行的，故選用推土機(jī)鏟刀升降油缸內(nèi)油液壓力作為控制信號(hào)。

4 鏟刀升降的微機(jī)控制原理及液壓系統(tǒng)控制

4.1 鏟刀升降的微機(jī)控制原理

鏟刀升降在鏟掘過(guò)程中，以裝在推土機(jī)鏟刀升降油缸上的壓力傳感器測(cè)的油液壓力信號(hào)作為控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、川轉(zhuǎn)換等一系列的信號(hào)處理之后，送入由單片機(jī)組成的控制器?？刂破麟S即進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將得到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，然后將控制信號(hào)傳遞到執(zhí)行器，執(zhí)行器通過(guò)控制推土機(jī)液壓系統(tǒng)比例換向閥的的換向來(lái)實(shí)現(xiàn)鏟刀的升降。鏟刀升降微機(jī)控制系統(tǒng)的具體控制過(guò)程推土機(jī)鏟刀在強(qiáng)制力入土后，切換到自動(dòng)控制系統(tǒng)，鏟刀在頂推架的推力作用下將土推移。當(dāng)切土深度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起推土機(jī)推土阻力的變化，這一變化又會(huì)引起鏟刀提升油缸內(nèi)油壓的波動(dòng)，通過(guò)測(cè)量提升油缸內(nèi)油壓的變化便可間接得到鏟刀負(fù)荷變化情況，壓力傳感器將壓力變化信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)電壓值，控制器將這一電壓值與系統(tǒng)設(shè)定的電壓值不斷的進(jìn)行比較并把，并根據(jù)采樣定理將比較結(jié)果轉(zhuǎn)化為一系列的寬度可調(diào)制的脈沖信號(hào)。當(dāng)實(shí)際電壓超出設(shè)定值較多時(shí)，脈沖高電平的時(shí)間與低電平的時(shí)間比較大占空比較大，此時(shí)控制換向閥的電流較大，換向閥的流量較大，鏟刀提升較快隨著鏟刀的提升，阻力不斷減小，傳感器測(cè)得的電壓值與系統(tǒng)設(shè)定值之差也不斷減小，占空比變小，控制比例換向閥的電流也變小，換向閥流量變小，鏟刀提升速度逐漸變慢，使實(shí)際壓力值緩慢的向設(shè)定的中間值逼近。同理，當(dāng)實(shí)際的電壓值小于系統(tǒng)設(shè)定的壓力值時(shí)，控制器將比較結(jié)果轉(zhuǎn)化為一系列的負(fù)脈沖，此時(shí)便控制換向閥向相反方向移動(dòng)，控制鏟刀下降。由于自動(dòng)控制系統(tǒng)要根據(jù)外界阻力的變化情況，不斷的控制電液比例換向閥的流量和方向來(lái)調(diào)節(jié)鏟刀的高低位置，因此壓力傳感器需要對(duì)鏟刀升降油缸內(nèi)油壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。在工作中難免有各種各樣的干擾，特別是油泵本身供油也會(huì)存在壓力波動(dòng)，這樣采集得到的信號(hào)中就會(huì)混雜一些干擾信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)做出錯(cuò)誤的判斷，從而影響系統(tǒng)的執(zhí)行精度，因此系統(tǒng)中必須裝有相應(yīng)的濾波器。經(jīng)過(guò)濾波的信號(hào)為模擬信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)川轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)組成的控制器，控制器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，控制電液比例換向閥，操縱鏟刀升降。同時(shí)，控制器還將壓力傳感器采集的電壓值根據(jù)一定的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際壓力值，通過(guò)顯示器顯示顯示。

4.2 鏟刀升降液壓系統(tǒng)的微機(jī)控制

推土機(jī)鏟刀升降系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)是在原液壓控制裝置的基礎(chǔ)上，在主控閥上并接電液比例換向閥，以及與之連接的背壓閥。該換向閥的開啟和關(guān)閉以及流量大小和方向由控制器控制。其工作過(guò)程如下在手動(dòng)控制鏟刀強(qiáng)制入土后，原有主控閥處在“中立”位置，鏟刀升降油缸的油路被切斷此時(shí)將工作狀態(tài)切換到“自動(dòng)”位置，控制器通過(guò)將測(cè)得的壓力信號(hào)不斷的與設(shè)定的中間值進(jìn)行分析比較并轉(zhuǎn)化為一系列的方波脈沖，通過(guò)脈沖的占空比和極性來(lái)控制電液比例換向閥的流量和方向。當(dāng)推土機(jī)外載荷增大使鏟刀提升油缸內(nèi)的油壓超過(guò)壓力上限值時(shí)，系統(tǒng)向有桿腔供油，無(wú)桿腔中的油推開單向閥向油箱回油，提升鏟刀。隨著鏟刀的提升，鏟刀提升油缸內(nèi)的壓力減小，控制電液比例換向閥的電流也逐漸變小，電液比例換向閥控制通向有桿腔中的油量變小，鏟刀上升速度逐漸減慢，使油缸內(nèi)壓力值逐漸逼近系統(tǒng)設(shè)定的中間值，直到鏟刀提升油缸內(nèi)油壓等于或低于這一設(shè)定值時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)比例換向閥回到中位，停止向有桿腔供油。鏟刀下降過(guò)程同理。由于鏟刀是逐漸上升和下降，因此可以避免由于快速升降而帶來(lái)的鏟刀不平穩(wěn)的問(wèn)題。

[1]盧和銘，劉良臣.現(xiàn)代鏟土運(yùn)輸機(jī)械[M].人民交通出版社,2003.

[2]周粵秋，鄧愛(ài)民等.現(xiàn)代工程機(jī)械[M].人民交通出版社,2004.