自卸車輛液壓操控系統(tǒng)研究

鄭玉濤 蘇龍賓 楊樹林

（河北華春液壓汽配有限公司，河北邢臺 054900）

0.引言

自卸車的液壓操控系統(tǒng)是自卸車的重要設(shè)備，但是由于道路、氣候、使用不規(guī)范等緣故，液壓操控系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障，對自卸車輛的使用產(chǎn)生了嚴重的影響[1]。本次研究的對象為礦用自卸車，礦用自卸車的負載相較于其他型號自卸車更大，整機的噸位在滿載的時候通常在70t以上，最大噸位甚至可以達到750t，所以對于液壓操控設(shè)備有著強度方面的要求，同時礦用自卸車的工作環(huán)境更加惡劣，需要在礦場高強度作業(yè)，這對液壓系統(tǒng)提出了更苛刻的要求。本文以礦用自卸車為研究對象，首先對當前自卸車輛液壓控制系統(tǒng)的主要問題和優(yōu)化方向進行了討論，其次基于當前智能化趨勢從液壓元件、液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、液壓系統(tǒng)操控方式等方面對智能自卸車輛液壓操控系統(tǒng)進行研究，希望能為相關(guān)液壓系統(tǒng)的拓展提供一些方向。

1.當前自卸車輛液壓控制系統(tǒng)主要問題和優(yōu)化方向

液壓系統(tǒng)是自卸車的重要組成部分，負責完成對自卸車車廂部分進行運作，進而完成裝卸操作。其運作與案例為通過手控閥的相關(guān)操作，將原本處于底盤氣室的氣體送到換向閥，通過制造壓強差將液壓油傳動到油缸，（通過安裝在駕駛室內(nèi)的手控氣閥的操作，控制壓縮空氣經(jīng)對應(yīng)氣管，利用氣壓控制液壓換向閥油路切換，從而實現(xiàn)車廂的舉升、中停和下降功能）[2]。但是自卸車輛的液壓系統(tǒng)也很容易出現(xiàn)相應(yīng)的故障，這主要是因為液壓系統(tǒng)的各個組成部分，比如換向閥、齒輪泵、手控泵等部分出現(xiàn)了問題。當前主流自卸車液壓控制系統(tǒng)的問題主要出現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 轉(zhuǎn)向及升舉方面

因為自卸車的工作強度較大，轉(zhuǎn)向升舉方面都是基于舉升液壓缸、轉(zhuǎn)向液壓缸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向泵進行運作，這就導致了這些部件通常都處于高強度的工作狀態(tài)，使得液壓元件容易發(fā)生泄漏等故障[3]。

1.2 制動系統(tǒng)方面

本次研究的對象為礦用自卸車，其液壓系統(tǒng)的制動需求相較其他型號自卸車更為嚴格。通用礦用自卸車的滿載噸位為70t，最大噸位甚至可以達到750t，滿載的整機重量基本都能達到空載整機重量的一倍以上，極易使得液壓系統(tǒng)的摩擦片出現(xiàn)磨損，使得制動器的排量激增，每次需要很長的時間才能完成制動過程，出現(xiàn)相應(yīng)的制動滯后現(xiàn)象，嚴重情況下可能危及使用人員的生命財產(chǎn)安全[4]。

1.3 散熱系統(tǒng)方面

自卸車的液壓系統(tǒng)通常為直驅(qū)式散熱系統(tǒng)，其通常情況下需要滿足最大發(fā)熱量的環(huán)形工況才能完成液壓系統(tǒng)的散熱，加大了整體液壓系統(tǒng)的能源損耗。溫度過高還會造成齒輪泵的損耗。此外液壓油箱、齒輪泵、換向閥、齒輪泵、手控泵等部位也都是容易出現(xiàn)問題的部位[5]。

本次研究的礦用自卸車型號為山東某礦車制造廠生產(chǎn)的WCJ10E防爆柴油機無軌膠輪車，該礦車由前后車架、車廂、液壓系統(tǒng)、駕駛操作系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)等部分組成。針對上述問題，我認為可以從基于當前智能化趨勢從液壓元件、液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、液壓系統(tǒng)操控方式等方面對智能自卸車輛液壓操控系統(tǒng)進行優(yōu)化。

2.智能自卸車輛液壓操控系統(tǒng)研究

2.1 轉(zhuǎn)向舉升控制元件

轉(zhuǎn)向舉升控制元件的重要性在于連接前后兩部分車架，能夠通過液壓油的壓力使得礦用自卸車進行自卸操作，所以舉升液壓缸、轉(zhuǎn)向液壓缸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向泵等元件需要基于礦用自卸車的實際參數(shù)進行選擇。

（1）轉(zhuǎn)向液壓缸。其中轉(zhuǎn)向液壓缸的負載計算公式為：

其中TL為轉(zhuǎn)向扭力矩，單位為N·m；G為轉(zhuǎn)向橋，單位為N；e為轉(zhuǎn)向節(jié)主銷偏移距，根據(jù)實際礦用自卸車參數(shù)，e取80mm；B為轉(zhuǎn)向輪斷面寬，根據(jù)實際礦用自卸車參數(shù)，B取315mm；f為輪胎和地面摩擦系數(shù)，根據(jù)實際礦用自卸車參數(shù)，f取0.8。代入整體轉(zhuǎn)向橋載重6500kh，可得TL為4615.53N·m。

轉(zhuǎn)向油缸的最大負載計算方式為TL除以最小轉(zhuǎn)向力臂，根據(jù)實際礦用自卸車參數(shù)，代入最小轉(zhuǎn)向力臂為100mm，可得轉(zhuǎn)向油缸的最大負載量是46155.3N?；诖藚?shù)，本次研究選擇轉(zhuǎn)向液壓缸型號為內(nèi)徑63mm，活塞桿直徑45mm，額定壓力16MPa，行程435mm。

（2）舉升液壓缸。舉升液壓缸最大負載的計算方式為FPmax=（G1+G2）×9.8，其中G1為車輛額定載重，根據(jù)實際礦用自卸車參數(shù)為10t，G2為車廂質(zhì)量，根據(jù)實際礦用自卸車參數(shù)為500kg，所以計算可得舉升液壓缸的最大負載為51.45kN?；诖藚?shù)，選擇舉升液壓缸的活塞桿直徑為56mm（200mm），類型為雙極液壓缸（3～6節(jié)多級），第一級內(nèi)徑為100mm，行程為354mm，第二級內(nèi)徑為80mm，行程為367mm。舉例為礦用車型號是否太老，現(xiàn)主流70t～120t噸寬體礦卡，自卸車和礦卡液壓缸，普遍選用3～6節(jié)多級缸型號，參考數(shù)據(jù)海沃FEE（兩端鉸耳型前頂液壓舉升油缸）第一級直徑為110mm～226mm、行程為2785mm～9030mm的油缸。請查閱匯總現(xiàn)主流舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.2 液壓儲能系統(tǒng)元件

針對電動輪礦用自卸車下降制動能量回收的需求，需要研發(fā)大容量、高功率、低成本、高效率、長壽命以及能適應(yīng)惡劣野外環(huán)境的儲能系統(tǒng)。蓄電池和液壓儲能技術(shù)在車輛上己經(jīng)有非常成熟的應(yīng)用，而超級電容和壓縮空氣等新型儲能方式在車輛上應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。我國露天礦山主要分布于北方高寒地區(qū)，這里年均溫差較大，冬季低溫通常能低至-300℃甚至-400℃。若在這些地區(qū)采技術(shù)最成熟的電池儲能系統(tǒng)以回收礦用自卸車下降勢能，則其所處的低溫環(huán)境會導致電池性能降低，影響制動能量的回收。同時，低溫下大功率的充放電也會加速電池的衰減，增加儲能方案的成本。液壓蓄能器儲能系統(tǒng)己廣泛應(yīng)用于各類工程車輛，是一種成熟的替代儲能技術(shù)。但其能量密度較低，多為2Wh/L以下，無法滿足礦用自卸車下降勢能回收的需求。

超級電容器是近年來發(fā)展起來的一種介于常規(guī)電容器與蓄電池二者之間的新型儲能元件。與蓄電池相比，具有功率密度高，能夠大電流快速充放電，循環(huán)使用次數(shù)長等優(yōu)點。但由于超級電容能量密度相對較低，主要在電動車輛上與蓄電池配合使用，在啟動、制動等大電流充放電工況下工作。為了改善電動輪礦用自卸車在循環(huán)工況下的整車燃油經(jīng)濟性，需要將氣液式儲能系統(tǒng)在車輛下降工況時儲存的能量在車輛舉升時釋放，以提供所需的部分牽引力來減少發(fā)動機的輸出功率需求，從而降低車輛燃油消耗。

在下降工況時，發(fā)動機被發(fā)電機反拖，富余的機械功率由循環(huán)式氣液儲能系統(tǒng)回收轉(zhuǎn)化為壓力能。臺架實驗時，以下降電制動功率輸入自研的發(fā)電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，驅(qū)動發(fā)電機反拖發(fā)動機，其余功率經(jīng)分動箱輸入用于模擬舉升泵負載的電動機。此時，負載電動機處測得的輸入機械功率就是氣液儲能系統(tǒng)的精確回收功率，以作為后續(xù)循環(huán)式氣液儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量管理策略分析和優(yōu)化模型的輸入量。

在舉升工況時，發(fā)動機和氣液式儲能系統(tǒng)聯(lián)合輸出機械功，再經(jīng)電傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為車輛所需的驅(qū)動功。基于后續(xù)的循環(huán)式氣液儲能系統(tǒng)分析和優(yōu)化所得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照對應(yīng)的最優(yōu)能量管理策略得到了氣液式儲能系統(tǒng)的舉升輸出功率。臺架實驗時，通過變頻器驅(qū)動負載電動機輸出此功率，用來模擬液壓馬達的輸出。為了使在發(fā)動機和氣液式儲能系統(tǒng)聯(lián)合驅(qū)動下直流母線處的電功率與實車測定的舉升電功率相匹配，以后續(xù)優(yōu)化分析得到的對應(yīng)最優(yōu)能量管理策略下發(fā)動機調(diào)速器信號為基準，作閉環(huán)控制。這樣，在測試實驗后，通過燃油液位傳感器得到了不同儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量管理策略下電動輪礦用自卸車的燃油消耗量。再與實車循環(huán)工況測定的燃油消耗量作對比，便可以評價儲能系統(tǒng)對礦用自卸車燃油經(jīng)濟性的改善情況。根據(jù)上述液壓系統(tǒng)原理設(shè)計以及實際礦用自卸車參數(shù)要求，結(jié)合蓄能器類型標準，確定液壓制動系統(tǒng)中由2個2L蓄能器進行供能，選擇北京海納EHV 1.6-350/90型蓄能器。制動踏板閥類型為串聯(lián)調(diào)節(jié)、踏板操縱，配合雙路充液閥選擇MICO公司的06-466-240型串聯(lián)雙回路制動踏板閥。為了實現(xiàn)大容量車載儲能系統(tǒng)的輕量化，循環(huán)式氣液儲能系統(tǒng)需要盡量實現(xiàn)“滿沖滿放”。這意味著，蓄能器總?cè)莘e要盡可能接近實際儲能過程中氮氣的體積變化量，讓每個蓄能器的容積都能夠被完全利用。這樣就能減少蓄能器總?cè)哂嗳莘e，降低蓄能器的重量，也能進一步減少所需循環(huán)液壓油的體積，降低儲能系統(tǒng)所帶來的額外車載載荷，從而提高礦用自卸車的燃油經(jīng)濟性，減少二氧化碳排放。

3.智能自卸車輛液壓操控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 智能模塊

為了實現(xiàn)智能自卸車液壓系統(tǒng)的遠程操控與監(jiān)控，本次研究也設(shè)計了相應(yīng)的煤礦礦用自卸車液壓系統(tǒng)監(jiān)測平臺，該平臺主要用于實現(xiàn)礦場自卸車液壓系統(tǒng)的真實鉆進狀態(tài)監(jiān)測和自卸車液壓系統(tǒng)的工況參數(shù)監(jiān)測。該平臺由軟件部分和硬件部分以及軟硬件之間通訊組成。硬件由虛擬遠程操控臺、下位機、傳感器、電磁閥組、液控多路閥、自卸車液壓系統(tǒng)和上位機組成。

工作原理如下：礦用自卸車液壓系統(tǒng)遠程操控臺發(fā)出控制指令，通過PLC主機和模擬量輸入模塊FX2N-8AD采集遠程操控臺上安裝的開關(guān)、手柄、旋鈕等控制指令。一路控制指令通過CAN總線發(fā)送到自卸車液壓系統(tǒng)端控制器PLC，自卸車液壓系統(tǒng)端控制器PLC通過模擬量輸出模塊FX2N-8DA以及自帶I/O輸出完成模擬量和開關(guān)量控制電磁閥開啟，進而控制液控多路閥開啟完成真實自卸車液壓系統(tǒng)的鉆進動作；另一路控制指令通過S C-09通信線傳送到Quest3D虛擬環(huán)境，驅(qū)動虛擬自卸車液壓系統(tǒng)與真實同步運動。在自卸車液壓系統(tǒng)鉆進過程中，下位機PLC同時采集安裝在自卸車液壓系統(tǒng)關(guān)鍵部位上的工況傳感器數(shù)據(jù)并進行分析預(yù)處理后，經(jīng)CAN總線將監(jiān)測信息傳輸?shù)竭h端虛擬監(jiān)測平臺，通過MySQL數(shù)據(jù)庫對傳感器特征值數(shù)據(jù)進行歸檔并實時顯示在監(jiān)測平臺上。

3.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是由C#基于Visual Studio平臺設(shè)計而成，主要完成驅(qū)動單元實驗樣機的實驗操作，功能包括系統(tǒng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)交互、控制模式、參數(shù)配置和報警信息等模塊。由于只能實現(xiàn)單個位置的操作，在模型實驗驗證過程中，最優(yōu)破碎作業(yè)軌跡模型的植入需在計算機中修改PLC代碼實現(xiàn)。

4.總結(jié)

本文以礦用自卸車為研究對象，首先對當前自卸車輛液壓控制系統(tǒng)主要問題和優(yōu)化方向進行了討論，其次基于當前智能化趨勢從液壓元件、液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、液壓系統(tǒng)操控方式等方面對智能自卸車輛液壓操控系統(tǒng)進行研究。主要研究成果為：

（1）確定了液壓元件參數(shù)。其中本次研究選擇轉(zhuǎn)向液壓缸為內(nèi)徑63mm，活塞桿直徑45mm，額定壓力16MPa，行程435mm；舉升液壓缸的活塞桿直徑為56mm，類型為雙極液壓缸，第一級內(nèi)徑為100mm，行程為354mm，第二級內(nèi)徑為80mm，行程為367mm；液壓制動系統(tǒng)中由2個2L蓄能器進行供能，選擇北京海納EHV 1.6-350/90型蓄能器。制動踏板閥類型為串聯(lián)調(diào)節(jié)、踏板操縱，配合雙路充液閥選擇MICO公司的06-466-240型串聯(lián)雙回路制動踏板閥。

（2）硬件由虛擬遠程操控臺、下位機、傳感器、電磁閥組、液控多路閥、自卸車液壓系統(tǒng)和上位機組成。軟件是由C#基于Visual Studio平臺設(shè)計而成，主要完成驅(qū)動單元實驗樣機的實驗操作，功能包括系統(tǒng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)交互、控制模式、參數(shù)配置和報警信息等模塊。