基于伺服電動缸的新型裝載機(jī)工作系統(tǒng)研究

李松 董雯雯 侯卓磊

【摘? 要】論文介紹了一種新型的裝載機(jī)工作系統(tǒng)，其采用伺服電動缸代替現(xiàn)有液壓油缸，該技術(shù)不僅解決現(xiàn)有裝載機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)所帶來的系統(tǒng)復(fù)雜、傳動效率低、整機(jī)振動大等問題，還可以精準(zhǔn)快速控制工作裝置，且對后續(xù)的新能源裝載機(jī)的研發(fā)具有重要的意義。

【Abstract】This paper introduces the new-type loader working system， which uses servo electric cylinder to replace the existing hydraulic cylinder. This technology not only solves the complex system， low transmission efficiency， high vibration of the whole machine and other problems caused by the existing hydraulic drive system of the loader， but also can accurately and quickly control the working device， and has important significance for the follow-up research and development of the new energy loader.

【關(guān)鍵詞】裝載機(jī);工作系統(tǒng);伺服電動缸

【Keywords】loader; working system; servo electric cylinder

【中圖分類號】TH243? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）09-0178-02

1 裝載機(jī)工作系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展

裝載機(jī)主要用于土壤、砂石、煤炭等散裝物料的裝卸、推運(yùn)以及施工等作業(yè)，其廣泛應(yīng)用于各類施工場所。當(dāng)前，裝載機(jī)的工作系統(tǒng)主要由液壓泵、液壓閥組、液壓油及相關(guān)管路等組成，通過機(jī)械能和液壓能的相互轉(zhuǎn)變驅(qū)動液壓油缸做伸縮運(yùn)動，實現(xiàn)動臂的舉升、下降，鏟斗的翻轉(zhuǎn)。在目前的技術(shù)領(lǐng)域中，亦有通過角度傳感器及控制模塊等實現(xiàn)電液比例控制，無論是傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)還是電液比例控制系統(tǒng)，由于液壓系統(tǒng)本身的特點，存在液壓管路連接復(fù)雜、易產(chǎn)生漏油、系統(tǒng)安裝不方便以及傳動效率低造成的能源浪費(fèi)等問題，同時，液壓系統(tǒng)引起裝載機(jī)整機(jī)振動大、控制精度不高，導(dǎo)致裝載機(jī)可靠性降低、能耗增加，使用成本高。

本文介紹一種新型基于伺服電動缸的裝載機(jī)工作系統(tǒng)，具有響應(yīng)速度快、工作效率高、能量利用率高等優(yōu)點。

2 基于伺服電動缸的新型裝載機(jī)工作系統(tǒng)方案

2.1 基于伺服電動缸的工作系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)主要是通過操作電控手柄產(chǎn)生電比例信號輸入整車控制器VCU，VCU與伺服電動缸控制模塊通過CAN總線通訊，從而控制伺服電動缸的工作方向、速度和工作精度。由于伺服缸控制模塊支持CAN通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)工作裝置的電子定位，完成任意位置記憶，實現(xiàn)自動回位及自動放平的邏輯控制功能，使裝載機(jī)具有一定的智能化特性，從而減輕了操作者的體力勞動，同時，由于伺服電動缸噪音及振動很小，提高了整車作業(yè)時的可靠性和操縱性。各元件相關(guān)連接關(guān)系如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)的組成及工作原理

基于伺服電動缸的新型裝載機(jī)工作系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，伺服電動缸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

注：1為鏟斗，2為搖臂拉桿，3為鏟斗伺服電動缸，4為動臂，5為動臂伺服電動缸，6為裝載機(jī)機(jī)體，7為電控手柄，8為整車控制器，9為電池組，10為搖臂。

在現(xiàn)有裝載機(jī)工作裝置系統(tǒng)中以伺服電動缸替代液壓油缸，電池組為電動缸供電，伺服電動缸包括行星滾柱絲杠和帶動行星滾柱絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過電纜接口連接電池組。伺服電機(jī)內(nèi)部含有控制模塊，控制模塊與整車控制器CAN連接，整車控制器連接有電比例控制式的電控手柄。行星滾柱絲杠上安裝有位置傳感器，位置傳感器可將位置信號輸入控制模塊，便于整車控制器根據(jù)實際的工況精確控制伺服電機(jī)，不再需要外接角度傳感器，控制方便的同時，集成度也更高，簡化了安裝結(jié)構(gòu)。同時，電動缸外側(cè)外置限位機(jī)構(gòu)（見圖4），安裝在絲杠上的限位塊，用于實現(xiàn)裝載機(jī)行程的精準(zhǔn)控制和雙重保護(hù)的極限控制。

一個完整的電動缸應(yīng)包括動力控制機(jī)構(gòu)、位置反饋機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。動力控制機(jī)構(gòu)包括電機(jī)及電機(jī)控制系統(tǒng)。位置反饋機(jī)構(gòu)包括與電機(jī)軸同軸設(shè)置的磁感應(yīng)傳感器，磁感應(yīng)傳感器的輸出信號送入電機(jī)控制系統(tǒng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)動組件和平移組件，轉(zhuǎn)動組件包括軸承室、絲杠、設(shè)置在軸承室內(nèi)的兩個壓力軸承，絲杠的一端設(shè)置有外螺紋，其另一端與齒輪副中的一個齒輪軸同軸固連，其中部圓周側(cè)面上設(shè)置與絲杠軸心方向垂直的限位軸臺。限位軸臺設(shè)置在軸承室內(nèi)，兩個軸承分別設(shè)置在限位軸臺的軸向兩邊。平移組件包括限位座、設(shè)置在限位座內(nèi)的執(zhí)行桿、可與絲杠組合成滾珠絲杠副或滑動絲杠副的法蘭。如果執(zhí)行桿的伸出端沒有被限制轉(zhuǎn)動，則需要在執(zhí)行桿的圓周側(cè)面設(shè)置兩個外凸的限位塊。同時，在限位座上設(shè)置可供兩個限位塊沿軸向滑動的兩個限位槽，此時限位座還需要設(shè)置兩個用于密閉限位槽的蓋板，實現(xiàn)電動缸的行程保護(hù)。

以鏟斗伺服電動缸為例，電控手柄通過CAN總線和伺服電機(jī)通訊，電池組通過整車控制器發(fā)送指令給伺服電機(jī)供電，電控手柄控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實現(xiàn)行星滾柱絲杠的啟動、停止、伸出、縮回，使鏟斗完成收斗和翻斗。同理，通過電控手柄可以實現(xiàn)動臂的舉升和下降。

伺服電缸是將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，同時，將伺服電機(jī)最佳優(yōu)點——將精確轉(zhuǎn)速控制，精確轉(zhuǎn)數(shù)控制，精確扭矩控制轉(zhuǎn)變成精確速度控制，精確位置控制，精確推力控制，實現(xiàn)高精度直線運(yùn)動。伺服電動缸噪音低，節(jié)能環(huán)保，高剛性，抗沖擊力，超長壽命，操作維護(hù)簡單。伺服電缸可以在惡劣環(huán)境下無故障，防護(hù)等級可以達(dá)到IP66，可以有效提高裝載機(jī)的可靠性。

3 結(jié)論

①本文介紹的整個驅(qū)動系統(tǒng)采用電比例控制式的電控手柄，通過CAN總線信號傳輸實現(xiàn)伺服電動缸驅(qū)動和控制，使得系統(tǒng)效率提高，且系統(tǒng)在不提升時幾乎不消耗能量。

②伺服電動缸具有工作行程與工作速度精確可控、可靠性高、不會產(chǎn)生漏油、系統(tǒng)安裝方便的優(yōu)點，采用行星滾柱絲杠進(jìn)行運(yùn)動轉(zhuǎn)換，具有轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長的優(yōu)點。

③伺服電動缸能滿足更大扭矩、更大推力的控制需求，運(yùn)行噪音低，對環(huán)境無污染，制造成本低。伺服電動缸集成度高，方便整車安裝。

④本系統(tǒng)為純電控系統(tǒng)，對后續(xù)智能化、無人化、新能源裝載機(jī)的研究有重要的意義。

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