裝載機(jī)智能減阻鏟裝控制策略及實(shí)驗(yàn)研究

盧一鳴， 劉昕暉， 曹丙偉， 陳 偉， 李昊旻

(吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

引言

裝載機(jī)鏟裝過程中會(huì)因鏟裝阻力過高而出現(xiàn)失速打滑的現(xiàn)象[1]，引起輪胎磨損嚴(yán)重、油耗增加等問題[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在20世紀(jì)就已對(duì)鏟裝阻力進(jìn)行分析，其中姚踐謙等[3]在多系數(shù)法鏟斗插入阻力計(jì)算方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入研究，提出了適用于小顆粒直徑的插入阻力計(jì)算方法。COETZEE C J等[4]建立DEM模型，通過模擬裝載機(jī)鏟裝過程，對(duì)鏟裝阻力進(jìn)行預(yù)測(cè)。HELGESSON J等[5]基于EDEM軟件分析了鏟斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)作業(yè)阻力的影響。

同時(shí)針對(duì)裝載機(jī)鏟裝阻力過高影響工作效率的問題，國(guó)內(nèi)外目前主要是從振動(dòng)工作裝置、改變鏟斗結(jié)構(gòu)和調(diào)整工作裝置鏟裝時(shí)作業(yè)姿態(tài)三方面去解決。其中在振動(dòng)工作裝置方面，范德強(qiáng)等[6]通過將轉(zhuǎn)斗油缸作為鏟斗激振元件，振動(dòng)油缸來振動(dòng)鏟斗，產(chǎn)生沖擊力，進(jìn)而破壞物料來解決此問題。高國(guó)棟等[7]設(shè)計(jì)了振動(dòng)掘削液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了減阻鏟裝的功能。許星等[8]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了振動(dòng)參數(shù)對(duì)挖掘阻力的影響。然而上述研究均是對(duì)鏟斗振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，需單獨(dú)增加一套系統(tǒng)，無疑會(huì)帶來成本上的增加，同時(shí)工作裝置持續(xù)振動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的壽命和駕駛者的舒適度有一定影響。在改變鏟斗結(jié)構(gòu)方面，SHMULEVICH等[9]基于離散元法分析了鏟斗形狀對(duì)插入阻力的影響，并對(duì)裝載機(jī)鏟斗進(jìn)行了改進(jìn)。李茹等[10]基于EDEM對(duì)導(dǎo)入的鏟斗模型進(jìn)行鏟裝分析，通過改變物料的形狀和大小對(duì)鏟斗受力進(jìn)行分析，并對(duì)鏟斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。然而鏟斗經(jīng)多年設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為成熟，通過改進(jìn)鏟斗進(jìn)一步減阻鏟裝難度較大。在通過調(diào)整工作裝置作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行減阻鏟裝方面，CAO Bingwei等[11]基于電液比例控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于扭矩差值的減阻插入，降低了功率損耗，但考慮到電液比例控制系統(tǒng)的成本較高，使得在現(xiàn)有液壓系統(tǒng)上的改進(jìn)來降低成本變得更為合理。

針對(duì)上述問題，本研究通過對(duì)裝載機(jī)鏟裝過程中的作業(yè)阻力進(jìn)行分析后，對(duì)現(xiàn)有裝載機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)根據(jù)液壓系統(tǒng)控制需求，以打滑時(shí)車速與輪速關(guān)系為基礎(chǔ)，提出基于輪速差值的裝載機(jī)智能減阻鏟裝控制策略，以改變鏟斗作業(yè)時(shí)姿態(tài)來降低作業(yè)阻力。

1 減阻鏟裝理論分析

裝載機(jī)鏟裝工作時(shí)，鏟斗在增加斗內(nèi)物料的同時(shí)其齒尖附近處會(huì)對(duì)前方料堆施加向前的載荷，從而增加鏟斗前方物料的致密性(即密實(shí)核形成)[12]，如圖1所示，其中密實(shí)核長(zhǎng)度Lt與裝載機(jī)鏟斗在堆料中水平插入深度Lc的關(guān)系為：

(1)

式中,da—— 堆料顆粒直徑

Kf—— 鏟斗形狀系數(shù)

Kg—— 鏟斗斗底與地面夾角間影響系數(shù)

當(dāng)裝載機(jī)鏟斗在堆料中插入深度增加時(shí)，鏟斗前方物料的致密性增高(密實(shí)核的長(zhǎng)度增長(zhǎng))，其中密實(shí)核上方的面積會(huì)以指數(shù)大于1的函數(shù)遞增。當(dāng)密實(shí)核長(zhǎng)度增大到一定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)提供的扭矩?zé)o法達(dá)到前行的要求，會(huì)導(dǎo)致裝載機(jī)輪胎打滑，造成功率浪費(fèi)[13]。通過多系數(shù)法對(duì)裝載機(jī)工作時(shí)的鏟斗受力分析發(fā)現(xiàn)，

鏟斗所受阻力主要受物料塊度、料塊種類、插入深度、鏟斗類型和尺寸等多種因素影響[14]，其中插入阻力為：

(2)

式中，K1—— 物料塊度和松散度影響系數(shù)

K2—— 物料種類影響系數(shù)

Lc—— 鏟斗插入料堆深度

Bg—— 鏟斗寬度

K3—— 料堆高度影響系數(shù)

圖1 鏟斗分析圖Fig.1 Bucket analysis diagram

鏟起阻力為：

FZ=22LcBgτ

(3)

式中，τ—— 提升鏟斗時(shí)物料的剪切應(yīng)力

轉(zhuǎn)斗阻力為：

FY=Me+(QH+Ge)lB

(4)

式中,Me—— 開始轉(zhuǎn)斗時(shí)靜阻力矩

QH—— 裝載機(jī)額定載重量

Ge—— 鏟斗自重

lB—— 鏟斗重心到鏟斗回轉(zhuǎn)中心水平距離

其中轉(zhuǎn)斗時(shí)靜阻力矩為：

Me=11FX[0.4(x-0.25lc)+y]

(5)

式中,x—— 鏟斗回轉(zhuǎn)中心與斗刃的水平距離

lc—— 鏟斗回轉(zhuǎn)中心至作用在轉(zhuǎn)斗連桿上的力的垂直距離

y—— 鏟斗回轉(zhuǎn)中心與地面的垂直距離

若想在不降低裝載機(jī)滿斗率的前提下降低作業(yè)阻力，增大物料堆的松散度，即降低物料致密性，可以通過降低松散度影響系數(shù)K1，來降低鏟裝物料時(shí)的剪切力和一系列作業(yè)阻力。物料種類及松散度與影響系數(shù)K1關(guān)系如表1所示，無論在何種堆料下，松散度好時(shí)K1值小于松散度差，進(jìn)而驗(yàn)證了破壞堆料致密性在一定程度上能降低作業(yè)阻力，從而有可能解決牽引力不足的打滑問題。由此可以通過自動(dòng)提升動(dòng)臂的方式，改變鏟斗在物料中的姿態(tài)來破壞物料的密實(shí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低作業(yè)阻力，使裝載機(jī)的動(dòng)力能夠繼續(xù)維持鏟裝前行。

表1 物料種類、松散度與影響系數(shù)K1關(guān)系Tab.1 Relationship between material type, looseness and K1

2 液壓系統(tǒng)改進(jìn)

基于上述理論分析得到了本研究的減阻鏟裝控制方式，為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需對(duì)現(xiàn)有裝載機(jī)的工作裝置液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到控制成本的目的。如圖2是對(duì)現(xiàn)有裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)圖，改進(jìn)后液壓系統(tǒng)基本組件包括：操控手柄模塊、控制模塊、多路閥(液控?fù)Q向閥、減壓閥、單向閥)、溢流閥、液壓缸模塊、動(dòng)力源等，其中控制手柄由先導(dǎo)泵供油，主閥采用定量泵供油。

(1) 打滑時(shí)：智能減阻鏟裝功能開啟，裝載機(jī)打滑自檢檢測(cè)到輪胎打滑時(shí)，控制器會(huì)向液壓系統(tǒng)中輸入控制信號(hào)，此時(shí)液壓系統(tǒng)中的二位三通閥F1電磁鐵通電，控制油路推動(dòng)動(dòng)臂聯(lián)F2閥芯向下移動(dòng)，系統(tǒng)中高壓油流入動(dòng)臂油缸無桿腔，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂提升，進(jìn)而破壞鏟斗附近物料的致密性；

(2) 未打滑時(shí)：表明裝載機(jī)提供的動(dòng)力足以克服前行的阻力，此時(shí)二位三通閥F1電磁鐵斷電，動(dòng)臂聯(lián)F2關(guān)閉，定量泵停止向動(dòng)臂油缸無桿腔供油，裝載機(jī)恢復(fù)正常前行鏟裝工作。若裝載機(jī)再次出現(xiàn)打滑狀況，液壓系統(tǒng)將重復(fù)智能減阻鏟裝功能，再次破壞物料致密性，保障裝載機(jī)恢復(fù)正常工作；

(3) 其他情況：當(dāng)裝載機(jī)工作手柄的動(dòng)臂開關(guān)開啟后，通過控制手柄運(yùn)動(dòng)，控制動(dòng)臂聯(lián)F2閥芯動(dòng)作，進(jìn)而控制動(dòng)臂液壓缸，完成動(dòng)臂下降和舉升工作；當(dāng)裝載機(jī)工作手柄的鏟斗開關(guān)開啟后，通過控制手柄運(yùn)動(dòng)，控制鏟斗聯(lián)F3閥芯動(dòng)作，進(jìn)而控制鏟斗液壓缸，完成鏟斗的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.先導(dǎo)泵 2.油箱 3.工作泵 4.多路閥 5.液壓缸模塊6.手柄控制模塊 F1.二位三通閥 F2.動(dòng)臂聯(lián) F3.鏟斗聯(lián) F4.減壓閥圖2 液壓原理圖Fig.2 Hydraulic schematic

如圖3所示，由駕駛熟練者手動(dòng)提升動(dòng)臂進(jìn)行鏟裝測(cè)試，當(dāng)裝載機(jī)鏟裝過程形成密實(shí)核后，駕駛者操控手柄提升動(dòng)臂盤破壞密實(shí)核。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)得，駕駛者向二位三通閥F1輸入0.8～1.3 MPa左右控制信號(hào)，動(dòng)臂油缸會(huì)產(chǎn)生46 mm 左右位移， 工作裝置能夠通過舉升姿態(tài)破壞密實(shí)核，所以本研究選擇二位三通閥F1控制信號(hào)為0.8 MPa。

圖3 常規(guī)鏟裝階段裝載機(jī)液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)曲線Fig.3 Experiment curve of hydraulic system of loader in conventional shovel loading stage

此外，由圖2可知，本研究提出的智能減阻控制策略，只需在原有液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加二位三通閥F1和減壓閥F4即可實(shí)現(xiàn)。圖4為裝載機(jī)基于減阻插入的電控系統(tǒng)與本研究的改進(jìn)液控系統(tǒng)對(duì)比圖， 相比于電控系統(tǒng)，在同樣完成智能減阻插入的前提下，本研究改進(jìn)的液控系統(tǒng)其控制過程更為簡(jiǎn)便。電液比例控制系統(tǒng)需要通過控制手柄輸出連續(xù)的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)控制器校正處理后變成電流信號(hào)控制電液比例閥塊，控制液壓缸完成相應(yīng)動(dòng)作[15]。液控裝載機(jī)在不影響正常的工作功能下摒棄了電液比例閥塊，直接采用液控閥塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能夠降低實(shí)際使用成本。

1.液控手柄 2.液控系統(tǒng)控制器 3.二位三通閥F1 4.液控系統(tǒng)多路閥 5.工作裝置 6.電控手柄 7.電控系統(tǒng)控制器 8.電控系統(tǒng)多路閥圖4 控制系統(tǒng)對(duì)比Fig.4 Control system comparison

3 智能減阻鏟裝控制策略

根據(jù)液壓系統(tǒng)控制要求，智能減阻鏟裝功能應(yīng)在裝載機(jī)鏟裝功能開啟后自動(dòng)開啟，避免駕駛者重復(fù)操控手柄來提升動(dòng)臂破壞密實(shí)核，以達(dá)到降低作業(yè)強(qiáng)度的目的。此外裝載機(jī)智能減阻鏟裝功能可以同其他鏟裝功能同時(shí)使用，不會(huì)因智能減阻鏟裝功能開啟而降低鏟裝作業(yè)效率。然而傳統(tǒng)的裝載機(jī)只能通過駕駛者經(jīng)驗(yàn)來判別裝載機(jī)是否打滑，無法實(shí)現(xiàn)智能化的自我檢測(cè)[16]。結(jié)合上述理論分析及鏟裝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可將鏟裝時(shí)的輪胎轉(zhuǎn)速與實(shí)際車速進(jìn)行對(duì)比，兩者之間的差值作為鏟裝工況下輪胎滑轉(zhuǎn)與否的判定條件。此外，出現(xiàn)的差值可能是因?yàn)轳{駛者突然踩油門造成的地面附著力不足出現(xiàn)短時(shí)間失速打滑，只有當(dāng)裝載機(jī)輪速和車速出現(xiàn)差值且維持一定的時(shí)間以上，才可以判別出裝載機(jī)是因?yàn)殓P裝時(shí)物料致密性過大引起牽引力不足出現(xiàn)失速打滑?；魻柺睫D(zhuǎn)速傳感器技術(shù)成熟，價(jià)格便宜且便于安裝，本研究通過霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器完成對(duì)輪速的測(cè)量，并以此為基礎(chǔ)提出智能減阻鏟裝控制流程，如圖5所示。

1.液壓系統(tǒng)控制器 2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖5 控制流程Fig.5 Control process

智能減阻鏟裝控制策略如圖6所示。在前后傳動(dòng)軸合適的位置安裝的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器讀取出傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，并將該數(shù)字信號(hào)輸入至液壓系統(tǒng)的控制器中，控制器根據(jù)裝載機(jī)一擋減速比換算得到裝載機(jī)的車速。同時(shí)裝載機(jī)的真實(shí)速度則通過CAN總線獲取，獲取的車速真實(shí)值輸入到液壓系統(tǒng)的控制器中。液壓系統(tǒng)控制器通過比較兩者的差值及差值維持時(shí)間判別裝載機(jī)是否打滑。當(dāng)二者速度差值大于0.5 km/h，且差值維持時(shí)間超過2 s后，液壓系統(tǒng)控制器識(shí)別出輪胎滑轉(zhuǎn)，控制器只向二位三通閥F1輸出電壓，并不向其他閥塊輸入控制信號(hào)，不影響裝載機(jī)其他功能使用。此時(shí)二位三通閥F1產(chǎn)生0.8 MPa先導(dǎo)壓力，從而完成動(dòng)臂的自動(dòng)提升，調(diào)整裝載機(jī)工作裝置作業(yè)姿態(tài)，降低作業(yè)阻力。

圖6 控制策略Fig.6 Control strategy

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在完成液壓系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)后，對(duì)裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際改造。在完善智能減阻鏟裝控制策略后，在前后傳動(dòng)軸上各安裝了一個(gè)霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，如圖7所示。

1.二位三通閥F1 2.液壓系統(tǒng)控制器3.液控手柄 4.霍爾式速度傳感器 5.傳動(dòng)軸圖7 液壓系統(tǒng)改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝Fig.7 Hydraulic system optimization and experimental equipment installation

連接數(shù)據(jù)采集設(shè)備后，對(duì)鏟裝過程中的工作泵壓力p3、動(dòng)臂無桿腔壓力p2、動(dòng)臂無桿腔先導(dǎo)壓力p1、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩T和發(fā)動(dòng)機(jī)功率P進(jìn)行了采集，得到的數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

由圖8可知，0～6 s為前行插入階段，隨著鏟斗插入深度的增加，裝載機(jī)前行所受阻力也在持續(xù)增加；第6秒時(shí)系統(tǒng)判別出裝載機(jī)因鏟裝阻力過大出現(xiàn)打滑，裝載機(jī)智能減阻功能啟動(dòng)，液壓系統(tǒng)控制器向二位三通閥F1發(fā)出信號(hào)，動(dòng)臂無桿腔先導(dǎo)壓力自動(dòng)升為0.8 MPa 左右，工作泵和動(dòng)臂無桿腔壓力均持續(xù)升高，動(dòng)臂舉升對(duì)堆料密實(shí)核進(jìn)行破壞，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和功率也相應(yīng)的上升，第17秒時(shí)達(dá)到峰值，轉(zhuǎn)速為1912 r/min，扭矩為673 N·m，功率為121 kW；第20秒時(shí)，裝載機(jī)打滑結(jié)束，裝載機(jī)智能減阻功能關(guān)閉，動(dòng)臂無桿腔先導(dǎo)壓力降為0 MPa，工作泵和動(dòng)臂無桿腔壓力均持續(xù)下降，鏟斗繼續(xù)在物料中前行插入階段，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩和轉(zhuǎn)速下降，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率主要用于裝載機(jī)前行；第22秒時(shí)系統(tǒng)又判別出裝載機(jī)因鏟裝阻力過大出現(xiàn)打滑，裝載機(jī)智能減阻功能啟動(dòng)，重復(fù)上述工作；第24秒時(shí)，鏟斗裝滿物料，駕駛者操縱液控手柄舉升動(dòng)臂，動(dòng)臂無桿腔先導(dǎo)壓力升為1.65 MPa左右，工作泵和動(dòng)臂無桿腔壓力略微升高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和功率也相應(yīng)的提升，第30秒完成對(duì)鏟斗內(nèi)堆料的轉(zhuǎn)移；30～45 s為鏟斗繼續(xù)在物料中前行插入階段，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率主要用于裝載機(jī)前行；第45秒時(shí)控制器判別出裝載機(jī)打滑，裝載機(jī)智能減阻功能啟動(dòng)，動(dòng)臂無桿腔先導(dǎo)壓力繼續(xù)自動(dòng)升為0.8 MPa，工作泵和動(dòng)臂無桿腔壓力均持續(xù)升高，動(dòng)臂舉升對(duì)堆料密實(shí)核進(jìn)行破壞；第55秒時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值2153 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩達(dá)到峰值634 N·m，發(fā)動(dòng)機(jī)功率達(dá)到峰值123 kW；第65秒時(shí)，裝載機(jī)打滑結(jié)束，智能減阻功能關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)速下降。

5 結(jié)論

本研究分析裝載機(jī)鏟裝產(chǎn)生輪胎滑轉(zhuǎn)的原因后，明確了降低物料致密性可減少鏟裝時(shí)的作業(yè)阻力，并由此提出了通過自動(dòng)提升動(dòng)臂來改變工作裝置作業(yè)姿態(tài)從而降低滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象的方法。結(jié)合現(xiàn)有液控液壓系統(tǒng)，提出了只需增加減壓閥和二位三通閥F1來實(shí)現(xiàn)減阻插入機(jī)理的液壓系統(tǒng)改進(jìn)方案。在傳動(dòng)軸合適位置安裝霍爾轉(zhuǎn)速傳感器后， 明確了比較輪速和車速及差值維持一定時(shí)間的智能減阻鏟裝控制策略，進(jìn)行了鏟裝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：裝載機(jī)鏟裝作業(yè)時(shí)，可根據(jù)上述差值自動(dòng)提升動(dòng)臂，產(chǎn)生了0.8 MPa左右的先導(dǎo)壓力，達(dá)到了減阻插入的目的，大大降低了輪胎發(fā)生滑轉(zhuǎn)的概率，實(shí)現(xiàn)了一定程度的功率節(jié)省。