原创《分工况节能控制在单斗液压挖掘机系统中的应用》
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严希清
福建船政交通职业学院
福建 福州 350007
摘 要：为更有效控制单斗液压挖掘机设备在运作过程中能量损失,同时减少系统发热,使工作性能得到一定的改善,采用分工况节能控制系统设计.本方法通过传感器将挖掘机负荷传到微机,微机对挖掘机的工作状态进行判断,在此基础上对发动机进行控制,最终实现节能的目的.
关键词：单斗液压挖掘机；分工况节能；控制系统
0 引言
作为一种重要的工程机械,单斗液压挖掘机具有应用范围广,作业灵活等特点.其能量损失主要是由于作业环境较为复杂,负荷变化频率快,变化范围较大.挖掘机发展的方向之一就是对能量损失的控制.随着电子及单片机技术在控制领域的广泛应用,液压挖掘机与电子、信息处理、预警技术等有机结合在一起.从而实现了对设备自动控制,故障诊断,在达到节能目的的同时也能够降低工作人员劳动强度,工作效率也会相应提升.
1 单斗液压挖掘机工况分析
单斗液压挖掘机作为一种多功能机械,涉及到的作业内容较多,如挖沟、装修、填埋、装土、破碎、搬运、平地等.作业对象的土质变化范围也比较大,如松砂土,软性土,砂砾原石,软岩等.在不同的作业环境下,其使用要求与方式也不一样,在强调经济性时,对工作效率的要求就不会突出,通常是进行一般性的装土和挖掘作业.在作业环节中也会存在精细化作业.分工况控制的目的就在于适应不同的作业环境.
在重负荷状态下,为了保证完成作业量,发动机处于最大的转速状态.适用情况一般是调整强力挖削,行走.在进行一般作业时,只需要将发动机功率控制在一定范围内,通常情况是发挥88%的最大功率.此种情况下对工作效率没有太大要求,工作速度也较缓慢,该工况主要是为了减少噪音及油耗,系统也处在经济匹配工作状态,是常用的工作档,同时也是经济动力档.
在轻作业情况下,发动机的功率要比一般作业时功率低,大约保持在50%～70%范围内.在该种工况下,主要用于提升工作的精度,进行微调与精细化作业,并且在狭窄区域内安全性也有一定保证,噪音也会相应的降低.
最低怠速工况.该种工况下主要应用于暂停作业.
2 单斗液压挖掘机在作业过程中的能量损失分析及解决方案
设备在工作过程中存在的能量损失主要发生在液压油传递环节.该环节损失主要由两个部分组成.其一是油通过管道,在输送过程中产生的沿程损失.其二则是在进行某些精细化作业过程中,液压油流经节流阀时存在的能量损失.前者是工作中难以避免的.后者则是因为在精细作业时,为了控制作业速度,工作人员往往会打开部分控制阀,控制阀在部分开启状态下,油在通过节流阀时会产生节流损失；油泵的供给量大于需要的进行油量时,控制阀与油泵之间的压力会持续升高,升高到一定程度时,溢流阀就会开启,多余的高压油就会从溢流阀流走,会产生溢流损失.对于该问题的解决,可以采用计算机对液压系统压力进行检测,将检测结果送入计算机分析处理后,计算机对发动机发出转速控制信号,当系统压力值接近或者达到溢流阀开启压力值时,控制系统将会降低发动机转速.而当转速降低到了系统设定范围内并且依然存在溢流时,系统就会发出警报.当压力恢复到设定的最大压力值范围内,发动机在控制系统的作用下又会恢复到最初转速.这样处理后可以将溢流损失降到最低,从而实现节能目的.
3 节能控制系统硬件设计实现
为了便于在原有的设备上实现节能控制,控制系统是在不改变液压系统及发动机内部结构基础上进行的.硬件的结构如图2所示.
从图中可以看出,在控制系统中,硬件系统主要包括了单片机处理器,采样电路,放大电路,拓展电路及其它相关的组成部分.控制系统以液压系统压力为判断信号,对设备的工作状态进行判断,从而对步进电机进行控制.液压系统的压力经过采样输入到单片机,经过分析判断发出相应的指令.
在系统可靠性与安全性方面,电机与主板电路都采用的是同一型号的光电耦合器,共有三路对电机的绕组进行驱动.
4 系统软件设计
为了实现电机变化随负载变化,软件组成主要主程序、测速、测压、滤波、步进电机控制程序组成.
设备电源接通后,首先进行初始化工作,如清零等.之后对液压系统的压力进行判断,依据判断结果,控制系统进行与之相应的操作.在工作过程中也可以进行手动操作.
5 节能实现与原理
依据实际工作情况,设置相由应的工作模式,通过计算机对发动机进行控制,使其保持在一定转速内,由于全功率变量泵的吸收扭矩没有发生变化,发动机的功率与设定转速成正比,从而达到节能的目的.
空载时自动怠速控制.操纵阀在中位时,控制系统将油门关小,从而使发动机进入到怠速状态.而控制系统则对设备载荷进行监控,在超过了预定值时,系统就会控制发动机将其恢复到设定值.
溢流控制.溢流阀开启的压力小于液压系统的压力时,就会出现溢流损失.在损失控制方面,当系统检测到溢流阀压力小于出油压时,就会控制发动机将转速恢复到一定范围内,从而减小损失.而当系统的压力小于设定的压力值时,系统控制发动机恢复到预定值.
节能原理主要是在不同转速条件下,与之对应的最低油耗点扭矩是不同的,每一个扭矩都有与之相对应的转速,并且在该扭矩下,油耗最低.而在空载的时候,发动机处于怠速工作状态,节能效果也比较明显.在超载的时候,通过减小溢流损失也能够达到节能的目标.
6 结束语
控制系统采用了单片机技术,该技术具有体积小,控制准确,操作灵活方便等特点.而在抗干扰性方面,由于采用了滤波,光电隔离等措施,其抗干扰的能力有了相当大的提升,具有一定的经济与社会效益.
参考文献
[1] ,刘荣华,胡明等. 液压挖掘机节能控制系统设计与研究[J]. 测控技术,2013（12）
[2] 党旭辉. 挖掘机液压系统分析与节能控制研究[D]. 长安大学,2015（5）
液压挖掘机论文参考资料：
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