重型礦用自卸車(chē)電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡海龍

(中車(chē)大同電力機(jī)車(chē)有限公司，山西 大同 037006)

重型礦用自卸車(chē)作為露天礦生產(chǎn)的主要作業(yè)設(shè)備，在國(guó)外已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，其中日本小松、美國(guó)卡特彼勒、瑞士利勃海爾等公司，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟。目前國(guó)內(nèi)主要有北方股份、徐工集團(tuán)、三一重工等企業(yè)生產(chǎn)礦用自卸車(chē)，國(guó)內(nèi)廠家研發(fā)起步較晚，設(shè)計(jì)水平和制造能力還有一定的提升空間[1-3]。近年來(lái)全球各國(guó)礦業(yè)開(kāi)采規(guī)模都不斷擴(kuò)大，對(duì)重型自卸車(chē)的需求持續(xù)增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)露天礦依托價(jià)格高昂的進(jìn)口設(shè)備嚴(yán)重加劇礦產(chǎn)開(kāi)采的成本壓力，因此正值我國(guó)大力發(fā)展裝備制造業(yè)時(shí)期，加大對(duì)重型礦用自卸車(chē)的研發(fā)投入非常必要。

礦用自卸車(chē)主要有機(jī)械傳動(dòng)和電傳動(dòng)兩種型式，其中電傳動(dòng)又分為直流電傳動(dòng)和交流電傳動(dòng)兩種，直流傳動(dòng)調(diào)速性能好、傳動(dòng)效率高，但其體積龐大，電磁干擾嚴(yán)重；而交流傳動(dòng)采用大功率晶閘管和交流異步電機(jī)組合進(jìn)行拖動(dòng)和調(diào)速，IGBT更快的開(kāi)關(guān)速度和優(yōu)化的調(diào)速控制算法已經(jīng)在軌道交通行業(yè)交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)中得到廣泛應(yīng)用，總體體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速穩(wěn)定，因此，交流傳動(dòng)的電動(dòng)輪重型礦用自卸車(chē)將是未來(lái)重型礦車(chē)的發(fā)展方向[4，5]。交流傳動(dòng)電動(dòng)輪自卸車(chē)是復(fù)雜的大型機(jī)電液一體化設(shè)備，其整車(chē)主要功能的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)電液控制系統(tǒng)，本文主要根據(jù)礦用自卸車(chē)產(chǎn)品的功能需求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、油門(mén)踏板、制動(dòng)踏板、燈光等與行車(chē)相關(guān)的功能以及舉升液壓閥塊、電液聯(lián)合制動(dòng)的控制方法展開(kāi)研究。

1 礦用自卸車(chē)電控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整車(chē)電控系統(tǒng)包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)、變流調(diào)速控制系統(tǒng)、行車(chē)輔助控制系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、舉升液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向和冷卻液壓系統(tǒng)等眾多子系統(tǒng)[6]，車(chē)輛功能需要在各子系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和協(xié)同控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此整車(chē)控制系統(tǒng)采用基于CAN(Controller Area Network)總線的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。CAN總線是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，最早作為車(chē)載電子控制裝置之間交換信息的控制總線應(yīng)用于汽車(chē)控制系統(tǒng)。CAN總線傳輸速率快、容錯(cuò)能力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域。通過(guò)使用CAN總線使礦用自卸車(chē)電氣系統(tǒng)的線束大大減少，在各車(chē)輛控制器之間實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)共享，使車(chē)輛電子控制系統(tǒng)更加靈活可靠[7-11]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、變流器控制單元、人機(jī)界面、組合儀表盤(pán)、整車(chē)控制器、舉升手柄以及終端電阻幾個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，各控制器可以通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)實(shí)時(shí)共享。

車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力由車(chē)上裝載的總功率為1864kW的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)無(wú)刷交流發(fā)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)變流器控制后實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)現(xiàn)牽引和制動(dòng)工況的無(wú)縫切換。變流器采用交-直-交電路，牽引工況時(shí)主發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電壓首先整流為直流電壓，再逆變?yōu)閂VVF電壓，驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)工作，制動(dòng)工況時(shí)，牽引電機(jī)發(fā)出的三相交流電壓整流為直流電壓，通過(guò)外置的制動(dòng)電阻消耗制動(dòng)能量。

2 電液控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

礦用自卸車(chē)網(wǎng)路控制系統(tǒng)涵蓋的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元和變流器控制單元由供應(yīng)商配套提供，完成相應(yīng)的控制功能并提供數(shù)據(jù)接口，本文電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)為整車(chē)控制器單元的功能設(shè)計(jì)。

基于礦用自卸車(chē)總體功能要求，其整車(chē)控制功能主要包括以下四部分：柴油機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)控制、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與傳動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)同控制、照明信號(hào)設(shè)備及輔助用電設(shè)備的電氣控制、液壓系統(tǒng)舉升以及制動(dòng)相關(guān)閥塊的電氣控制。系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能框圖

整車(chē)控制根據(jù)功能需要設(shè)計(jì)兩大控制單元MCU1和MCU2，其中MCU1進(jìn)行與行車(chē)輔助相關(guān)的控制，MCU2進(jìn)行與舉升制動(dòng)相關(guān)的液壓控制，對(duì)車(chē)輛控制功能進(jìn)行合理分區(qū)控制，雙控制器對(duì)重要信號(hào)雙路采集互為冗余，提高系統(tǒng)安全性和可靠性。

2.1 行車(chē)輔助控制功能設(shè)計(jì)

MCU1(行車(chē)輔助控制單元)作為中央處理單元之一，主要實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)啟動(dòng)控制、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與傳動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的協(xié)同控制、車(chē)身輔助電器控制、行車(chē)邏輯控制以及發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。

MCU1采集來(lái)自司機(jī)室相應(yīng)的按鈕開(kāi)關(guān)信號(hào)通過(guò)數(shù)字量輸出通道驅(qū)動(dòng)相關(guān)負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)如下功能：近光燈、遠(yuǎn)光燈、前霧燈、左轉(zhuǎn)向燈、右轉(zhuǎn)向燈、雙閃燈、示寬燈、側(cè)照明燈、剎車(chē)燈、電制動(dòng)信號(hào)燈、液壓制動(dòng)信號(hào)燈、倒車(chē)燈、倒車(chē)?yán)鹊取?/p>

油門(mén)踏板電位器信號(hào)由勵(lì)磁控制器讀取，并由勵(lì)磁控制器輸出頻率信號(hào)，柴油機(jī)控制器可通過(guò)兩種方式接收給定轉(zhuǎn)速信號(hào)，一是通過(guò)總線方式傳輸信號(hào)，另外一種方式是通過(guò)模擬量接收頻率信號(hào)給定，在司機(jī)室弱電柜設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)，用來(lái)選擇哪種方式調(diào)速。

發(fā)動(dòng)機(jī)的電控單元掛接在動(dòng)力CAN總線上，作為總線上的一個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，MCU1對(duì)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行采集并甄別，發(fā)現(xiàn)故障第一時(shí)間對(duì)駕駛員發(fā)出警告。組合儀表獲取網(wǎng)絡(luò)總線中的報(bào)文，解析后將數(shù)據(jù)如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫油壓以及故障碼等在液晶屏上進(jìn)行顯示[12-13]。

2.2 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整車(chē)液壓系統(tǒng)由制動(dòng)液壓系統(tǒng)、車(chē)廂舉升液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向和冷卻液壓系統(tǒng)組成。其中轉(zhuǎn)向?yàn)槿簤恨D(zhuǎn)向系統(tǒng)，其部件包括全液壓轉(zhuǎn)向器、流量放大器、轉(zhuǎn)向蓄能器、高壓過(guò)濾器、液壓油箱、液壓管件等，液壓轉(zhuǎn)向的執(zhí)行元件為左右轉(zhuǎn)向液壓缸，通過(guò)活塞桿的伸縮直接驅(qū)動(dòng)左右轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)全液壓運(yùn)行，電控系統(tǒng)不參與控制，但對(duì)轉(zhuǎn)向液壓油位、轉(zhuǎn)向液溫度等轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵液壓參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)識(shí)別并報(bào)警。

2.2.1 電液聯(lián)合制動(dòng)

為了減輕液壓制動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，減緩液壓制動(dòng)時(shí)相關(guān)機(jī)械部件的磨損，同時(shí)發(fā)揮電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)礦車(chē)的優(yōu)勢(shì)，礦車(chē)在常規(guī)行駛時(shí)，可以通過(guò)TCU控制電機(jī)施加電制力來(lái)使礦車(chē)減速，避免液壓制動(dòng)缸的頻繁動(dòng)作，但發(fā)揮最大制動(dòng)力仍然依靠液壓制動(dòng)，因此制動(dòng)踏板是集成了電制動(dòng)和液壓制動(dòng)兩種模式的電液聯(lián)合制動(dòng)踏板，制動(dòng)踏板原理如圖3所示。

圖3 電液聯(lián)合制動(dòng)踏板

制動(dòng)踏板能夠?qū)崟r(shí)傳送其角度狀態(tài)給TCU控制單元，當(dāng)其角度模擬量電壓采樣值大于3.2V時(shí)認(rèn)定為電制動(dòng)，此時(shí)牽引電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，變流柜將電機(jī)發(fā)出的三相交流電壓整流為直流電壓，通過(guò)制動(dòng)電阻消耗制動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)功能；當(dāng)制動(dòng)踏板角度模擬量電壓采樣值大于10V時(shí)，認(rèn)定為液壓制動(dòng)，制動(dòng)踏板直接接入制動(dòng)系統(tǒng)液壓管路控制相應(yīng)制動(dòng)閥塊實(shí)現(xiàn)行車(chē)液壓制動(dòng)。

此外在司機(jī)室設(shè)置行車(chē)制動(dòng)、裝載制動(dòng)、緊急制動(dòng)、駐車(chē)制動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，分別控制前輪制動(dòng)閥、后輪制動(dòng)閥、駐車(chē)制動(dòng)閥、濕滑制動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)不同工況下的制動(dòng)功能。

2.2.2 舉升液壓閥塊控制

礦用自卸車(chē)的舉升液壓系統(tǒng)礦車(chē)的重要組成部分之一，其液壓缸工作壓力大，舉升時(shí)間短，為了滿足其大流量的特點(diǎn)該系統(tǒng)采用雙聯(lián)葉片泵和單泵組合作為供液設(shè)備[14，15]，整個(gè)系統(tǒng)由液壓油箱、供液泵、舉升分配閥組、舉升閥組、旁通閥。舉升油缸及相關(guān)管路組成，其舉升液壓原理如圖4所示。

圖4 舉升液壓原理圖

舉升系統(tǒng)由一個(gè)四位方向閥先導(dǎo)控制兩個(gè)三位三通閥實(shí)現(xiàn)舉升功能。舉升分配閥組由液控四位六通先導(dǎo)閥加兩個(gè)電控?fù)Q向閥組成，電控系統(tǒng)控制兩個(gè)換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)油路的通斷，從而控制先導(dǎo)閥給出不同的先導(dǎo)油到舉升閥組；舉升閥組由流量控制閥、舉升電磁閥、下降電磁閥、溢流閥、單向節(jié)流閥組成，由分配閥組給出的先導(dǎo)油控制舉升閥組中的三位三通閥，從而實(shí)現(xiàn)液壓缸的舉升和下降，閥塊中的節(jié)流閥控制車(chē)廂下落的速度。

除此之外，為防止舉升時(shí)車(chē)斗重心發(fā)生變化，在重力的作用下對(duì)液壓缸產(chǎn)生“拔缸”現(xiàn)象，在舉升油缸處設(shè)計(jì)平衡閥，添加一個(gè)背壓回路在油缸的有桿腔回路上。在下降先導(dǎo)回路里設(shè)置溢流閥控制車(chē)廂迫降時(shí)的壓力。

舉升手柄有浮動(dòng)、保持、舉升、下降四種模式，其可以通過(guò)CAN總線發(fā)送固定數(shù)值表征其狀態(tài)值，也可以發(fā)送PWM信號(hào)給MPU2來(lái)區(qū)分其工作狀態(tài)，兩種讀取模式互為冗余，降低手柄故障對(duì)舉升系統(tǒng)影響的概率。

MPU2讀取手柄的位置，分別控制HA電磁閥、HB電磁閥、舉升旁通閥來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)舉升液壓系統(tǒng)四種不同工況，其閥塊的控制動(dòng)作表見(jiàn)表1。

表1中，“+”表示得電，“-”表示失電或者驅(qū)動(dòng)電流為0mA，數(shù)字代表比例電磁閥控制電流。

表1 電磁閥工作情況表 mA

舉升工況：HA電磁閥動(dòng)作，接通先導(dǎo)油使四位六通電磁閥換向至右位，舉升雙聯(lián)泵和舉升單泵部分流量通過(guò)節(jié)流閥由四位換向閥換向形成舉升閥組中三位三通舉升閥的先導(dǎo)油，繼而控制三位三通控制主流量進(jìn)入舉升油缸的無(wú)桿腔之中，完成舉升功能。

鎖止工況：HA、HB電磁閥失電，四位六通保持在右二位，舉升閥組中三位三通丟失先導(dǎo)油處于中位，繼而鎖止舉升油缸中液壓油的流動(dòng)，完成鎖止功能。

壓力迫降：HB電磁閥施加大電流動(dòng)作，接通先導(dǎo)油使四位六通電磁閥換向至左位，HC電磁閥動(dòng)作，舉升雙聯(lián)泵流量經(jīng)HC直接回流至油箱卸荷，舉升單泵部分流量通過(guò)節(jié)流閥由四位換向閥換向形成舉升閥組中三位三通下降閥的先導(dǎo)油，繼而控制三位三通控制主流量進(jìn)入舉升油缸的有桿腔，完成壓力迫降功能。

浮動(dòng)工況：HB電磁閥施加小電流動(dòng)作，接通先導(dǎo)油使四位六通電磁閥換向至左二位，舉升閥組中三位三通先導(dǎo)油接入油箱，油缸中的液壓油經(jīng)車(chē)廂自重作用，回流至油箱，完成車(chē)廂浮動(dòng)功能。

3 礦用自卸車(chē)電控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件選型

整車(chē)控制單元是礦車(chē)控制系統(tǒng)核心子部件，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出、PWM輸出、高速計(jì)數(shù)器通道以及通信接口數(shù)量的核算且能夠在惡劣環(huán)境下持續(xù)工作滿足礦車(chē)抗震動(dòng)特性等功能需求，最終選擇易福門(mén)(德國(guó))移動(dòng)車(chē)輛系列控制器，其產(chǎn)品具有眾多多功能、可配置的輸入和輸出通道，有多個(gè)高性能CAN接口，可根據(jù)IEC61131-3利用CODESYS進(jìn)行編程，由德國(guó)汽車(chē)交通聯(lián)邦辦事處進(jìn)行了E1型式認(rèn)證，防塵抗震性能優(yōu)良，可用于較困難的條件。

3.2 程序框架

根據(jù)各控制對(duì)象及功能劃分，電控系統(tǒng)程序分為CAN總線監(jiān)測(cè)子程序、舉升子程序、制動(dòng)子程序、調(diào)速控制子程序、發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)子程序、車(chē)身電器控制子程序。程序框架如圖5所示。

圖5 控制程序框架

3.3 人機(jī)交互

人機(jī)交互包括多功能儀表盤(pán)和觸摸屏，都掛接在CAN總線上，分別讀取各控制器的信息。其中儀表盤(pán)包括：速度、油位等6個(gè)模擬量?jī)x表，超速、霧燈等22個(gè)指示燈以及2個(gè)LED顯示屏。觸摸屏界面包括主界面、柴油機(jī)信息、電傳信息、液壓信息、視頻監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警等若干子界面，顯示與行車(chē)相關(guān)的全部信息。觸摸屏主界面如圖6所示。

圖6 觸摸屏界面

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的重型礦用自卸車(chē)電液控制系統(tǒng)是基于CAN總線的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，整車(chē)控制設(shè)計(jì)兩個(gè)中央控制單元，分別作為行車(chē)輔助控制單元和液壓舉升控制單元實(shí)現(xiàn)其特定的功能，各控制單元通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的協(xié)同控制，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，同時(shí)還具備發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)和故障實(shí)時(shí)呈現(xiàn)給司機(jī)，人機(jī)交互體驗(yàn)優(yōu)良，滿足客戶對(duì)交流傳動(dòng)電動(dòng)輪自卸車(chē)產(chǎn)品的多樣化功能需求。