推土机铲刀倾斜限位控制系统分析

设计计算DESIGN & CALCULATION
推土机铲刀倾斜限位控制系统分析
王涛卫，王生波，宋文龙，李超
（山推工程机械股份有限公司，山东济宁 272100）
［摘要］通过对推土机铲刀动作及其自由度的分析和研究，发现双倾斜液压缸控制的铲刀具有更广阔的应用前景。

为使该类铲刀实现最大的倾斜角度，根据其动作特点，设计易连接、易拆装并且易于标定的双倾斜液压缸动作限位连杆机构及相应的控制系统。

试验结果表明，该控制系统具有良好的准确性及广泛的通用性，可为推土机或其他工程车辆应用具有双倾斜液压缸的铲刀提供试验和应用基础。

［关键词］推土机；双倾斜液压缸；限位控制系统；角度传感器
［中图分类号］TU623.5 ［文献标志码］B ［文章编号］1001-554X（2014）09-0076-03
Tilt limit control systems analysis of bulldozer blade
WANG Tao-wei，WANG Sheng-bo，SONG Wen-long，LI Chao
目前，传统推土机铲刀的倾斜限位主要依靠
单倾斜液压缸的行程实现，根据倾斜量的需要设定
液压缸行程。

而采用双倾斜液压缸控制的铲刀倾斜
量较大、自由度多，能完成铲刀双倾斜、俯仰等多
种动作，并且具有动作灵敏、行程大等诸多优点，
越来越被用户所认可。

然而采用液压缸行程限位会
限制其他功能的发挥，因此采用简单便捷的控制方
法确保铲刀不与车体机架、履带产生干涉和碰撞，
成为首要解决的问题，本文研究该类推土机铲刀的
倾斜限位控制系统具有现实意义。

1 铲刀倾斜动作分析
为满足作业要求，推土机铲刀通常应具有倾斜功能，即实现刀头左右不同步。

对于双倾斜液压缸控制的铲刀（见图1）而言，通过左倾斜液压缸1和右倾斜液压缸5的不同步伸缩，即可实现刀头的左右倾斜。

另外，两提升液压缸同步工作实现铲刀的升降。

［1］
推土机刀头通过铰点支座A、B与提升液压缸连接，提升液压缸与叉臂通过旋转铰点C、D连接在机架上，可绕该铰点作径向旋转运动，轴向不能移动。

铰点C、D在机架同一水平面上固定，不存在高度差，因此当铲刀左右倾斜时，左右倾斜油缸不同步伸缩；铰点A、B存在高度差，而左右提升液压缸长度不变，故左右叉臂相对于机架的旋转角度差能够准确地反映刀头的倾斜量。

2 铲刀倾斜限位控制系统设计
2.1 铲刀倾斜限位装置
双倾斜液压缸控制的铲刀倾斜限位装置，其结构如图2所示，在提升液压缸叉臂下侧安装行程转化机构，机构固定在前机罩两侧，可靠性高、便
于维护和保养。

仅需两侧安装转化机构和检测装1
2
3
4
5
6
D
B
C
A
1. 左倾斜液压缸
2.左提升液压缸
3.左叉臂
4.右提升液压缸
5.右倾斜液压缸
6.右叉臂
图1 双倾斜液压缸控制的推土机铲刀结构示意图
［收稿日期］2014-06-04
［通讯地址］王涛卫，山东省济宁市高新区58号山推国际事业园研究总院
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置，在铲刀倾斜的过程中，分别检测左右提升液压缸叉臂的转角后相减，获得的两叉臂的相对转角，便可获得铲刀的倾斜量，机构简单、成本低廉。

1
21
21. 角度传感器 2. 转化连杆图2 行程转换连杆机构
对机构在Matlab/simulink 中进行运动仿真分析，其运动曲线如图3所示。

仿真曲线中，横坐标表示铲刀由水平位置运动至不与左侧履带干涉的极限倾斜量，纵坐标表示铲刀左倾斜过程中，左右两侧角度传感器旋转角度的变化量值。

由运动分析可知，铲刀水平时，左右铲刀叉臂处角度为18.7°；铲刀到达要求的倾斜量（左右735mm 高度差）时，叉臂角度为左29.3°、
右0.2°，所以单侧倾斜动作两叉臂的相对转角为29.1°。

考虑调整余量，按照单侧倾斜两叉臂的相对转角为30°，两侧倾斜时两叉臂相对转角为60°进行设计。

2.2 倾斜限位控制原理设计
该控制系统的工作原理［2］：在机罩两侧增加
角度传感器，其旋转轴通过转化连杆机构与左右叉臂连接，检测计算两侧提升液压缸固定点叉臂的相对转角.并将采集的数据传入车体控制器进行处理，控制液压缸电磁阀的动作，从而控制两侧倾斜液压缸的行程，完成对铲刀倾斜动作幅度的控制，如图4所示。

0.00
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300400500600700800
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-18.00-16.00-14.00-12.00-10.00-8.00-6.00-4.00-2.000.00-28.00-26.00-24.00-22.00角度传感器左/（°）角度传感器右/（°）
-20.00-18.00倾斜量值/mm b 右侧
a 左侧
图3 机构运动曲线图
图4 铲刀倾斜限位控制系统原理图
车辆初次运行时，需要对最大倾斜量进行简单标定。

左右角度传感器工作，实时检测左右叉臂转角θL 和θR ，当铲刀达到最大的倾斜角度且与前机罩、履带不干涉时，对左右角度传感器的采集值的差值θ在控制器中进行标定，让控制器默认此时的旋转角度为倾斜动作完成的临界阈值。

一旦达到临界阈值时，控制倾斜液压缸电磁阀，停止倾斜液
压缸动作，从而可有效地对倾斜动作进行限制。

将标定值存入控制器相应寄存器中，下一次操作时，角度传感器采集到的倾斜角度差值与初次标定值θ进行比较，当倾斜角度小于标定值时，倾斜电磁阀执行倾斜动作，一旦检测到的转角信号达到标定值时，控制器即停止倾斜电磁阀输出，这样可以最大限度地发挥铲刀的倾斜功能，满足更多的
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［参考文献］
［1］ 朱达宝主编，徐奇超审. 土方工程机械 推土机
［J ］. 人民交通出版社2000.1出版：75.
［2］ 孔德文，赵克利，徐宁生等. 液压挖掘机的机电一体
化控制技术［J ］. 化学工业出版社. 2006.10出版：92.
图7 推土机铲刀倾斜限位控制系统实际验证
2.3 图53 结束语
由于两侧提升液压缸固定点叉臂的相对转角能够直接反映铲刀的倾斜情况，因此通过该控制系统可以更精确地控制铲刀倾斜量。

另外，该控制系统结构简单、易于实现，稳定性好、可靠性高；并且安装于机罩外部，便于安装调试和检修维护，能
图5 控制器主程序控制流程图
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