液压挖掘机自动控制系统的设计和实现

第23卷第6期2007年6月农业工程学报

T ransacti ons of the CSA E V o l .23　N o.6June 2007

液压挖掘机自动控制系统的设计和实现

常　绿1,2,王国强1,韩云武1

(1.吉林大学机械科学与工程学院,长春130025;　2.淮阴工学院交通工程系,淮安223001)

摘　要:为了提高液压挖掘机操纵系统自动化程度,对W Y 1.5型液压挖掘机的液压系统进行电液比例控制改造,在不改变原手动操纵系统功能的基础上,增设一套自动操纵系统,基于移动车辆控制器编程实现对挖掘机的自动控制。对改造后的液压挖掘机自动控制操纵系统进行试验,结果表明改造后自动操纵系统能够完成手动操纵系统的全部控制功能,运行稳定。

关键词:液压挖掘机;移动车辆控制器;自动控制

中图分类号:TU 621 文献标识码:A 文章编号:100226819(2007)620140205

常　绿,王国强,韩云武.液压挖掘机自动控制系统的设计和实现[J ].农业工程学报,2007,23(6):140-144.

Chang L ü

,W ang Guoqiang ,H an Yunw u .D esign and realizati on of computer contro lled w o rk ing device system fo r hydraulic excavato r [J ].T ransacti ons of the CSA E ,2007,23(6):140-144.(in Ch inese w ith English abstract )

收稿日期:2006205213　修订日期:2006211206

基金项目:江苏省高校自然科学研究基金(06KJD 440026)

作者简介:常　绿(1971-),男,安徽安庆人,博士生,主要从事工程车辆故障诊断和测试,机械优化设计等。江苏淮安市枚乘路　淮阴工学院交通工程系,223001。Em ail :m abingchn @sohu .com

0　引　言

液压挖掘机的控制大多为逻辑控制,比如挖掘机的

前进、后退、转弯、动臂升降、斗杆的伸缩等运动的控制。操作人员在某一时间段内重复操作一系列动作,劳动强度大,且易感到枯燥乏味。20世纪80年代电液比例控制开始应用于工程机械,用电信号传递液压参数,不但能加快系统响应,而且使整个挖掘机动力系统控制更方便、灵活,现在已经在液压挖掘机上得到了广泛应用。进入90年代后,随着计算机技术的发展,电液比例控制更进一步“智能化”,电液比例泵和比例阀的应用日益增多,并出现了“智能化液压挖掘机”,主要体现两方面功能,一是计算机能够自动监测液压系统和柴油机的运行参数,如液压系统压力、柴油机转速等,并根据这些参数自动控制整个挖掘机动力系统运行在高效节能状态,操作人员还可以根据监测到的运行参数进行故障诊断及挖掘机的维护。二是能够完成一些半自动操作,如平地、斜坡的修整等,不仅提高了工作质量,而且减轻了司机的劳动强度,使得液压挖掘机的操纵性能得以大幅度提高。液压挖掘机操纵自动化、智能化是液压挖掘机未来的发展趋势。

目前,国内外针对智能挖掘机在多个领域进行了研究,取得一定的进展,但由于液压挖掘机工作环境恶劣、多变,工作任务的不确定性大,研究成果很少能真正投

入实际生产。为此吉林大学将遥控挖掘机试验台列为“211”工程建设项目“工程装备学科群”主要建设内容之一。为建设遥控挖掘机试验台项目,对W Y 1.5型液压挖掘机的液压系统进行了电液比例控制改造,在移动车辆控制器的基础上,采用计算机编程和人机对话自动控制来替代人的简单重复操作,进行了挖掘机计算机自动控制的设计和试验。试验结果显示挖掘机的操纵系统能实现自动控制,减轻了操作人员的劳动强度。

1　液压挖掘机自动控制液压系统的设计

W Y 1.5型液压挖掘机原液压系统图参见文献[1],液压系统由油箱、三联齿轮油泵(流量为一个3L m in 、两个8L m in )、

多路换向阀、溢流阀、节流阀、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、工作装置偏转油缸、推土铲油缸、左右行走马达、整机回转马达、散热器和滤清器等组成。推土铲供油由1个流量为3L m in 的齿轮泵单独完成,当推土铲不工作时,其高压油直接返回油箱。在整机回转马达控制阀后加装一换向阀,实现整机回转马达和工作装置偏转油缸之间的油路切换控制。1.1　液压系统的改造

在不改变原有手动杠杆操纵系统功能的基础上并联一套电液比例电控操纵系统。在电液比例液压系统中,实现对动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、左行走马达、右行走马达、回转马达动作的控制。为安全起见,两套系统设计成不能同时工作,优先级为电控系统工作时杠杆操纵系统无法使用,而电控系统停止工作时杠杆操纵系统自动恢复正常工作。为实现此功能,选取两位两通的电磁换向阀1、2实现高压油在电控系统和杠杆操纵系统中的切换。电磁换向阀3实现整个系统不工作时的卸

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荷(回流)。电磁换向阀4用于系统的双泵合流。原杠杆操纵系统在动臂提升时,发现有短暂下降后再提升的现象。究其原因,液压系统不工作时所有换向阀处于中位回油位置,泵出口处压力处于低压状态,当换向阀切换到提升位置,这时泵出口与杠杆操纵阀之间的管路内的压力仍为低压,而动臂油缸下腔中的液压油要支撑整个动臂、斗杆、铲斗及其油缸的质量,具有相当的压力,所以在换向阀刚切换到提升位置时,动臂油缸下腔的液压油要流向压力低的管路系统,表现为动臂早期下降;随着系统压力不断升高,动臂停止下降;随后开始提升。虽然该过程时间很短,动臂下降的幅度也不大,却是一个不可忽视的安全隐患。新的电控系统中加装了液控单向阀5以保证动臂提升的安全准确。其它控制系统的设计基本采用了原杠杆操纵系统的方案,工作原理见图1

。

图1　液压挖掘机电液比例电控操纵系统

F ig.1　E lectrohydraulic p ropo rti onal contro ller of the hydraulic excavato r

电磁换向阀1、2的控制由软件编程实现,响应时

间、速度均与操作者的熟练程度无关,电磁换向阀1、2

的控制原理及过程见图3。

双泵合流由电磁换向阀4控制。合流阀的作用是在

上下两块阀板中的阀块同时动作时,使上下两块阀分别

由不同的油泵供油,以保证同时动作的工作装置不因载

荷的不同产生动作的不同步。而在只有一块阀板中阀块

动作时,将上下两块阀板的高压油路接通,使工作装置

的动作由两个油泵共同驱动,充分发挥发动机的工作效

率。合流阀的控制需要3个参数即上面阀板中有无阀块

工作(合流上)、下面阀板中有无阀块工作(合流下)、是

否需要合流(合流)。电磁换向阀4的控制原理及过程见

图3。

1.2　液压系统各元件的选型

液压系统各元件的选型过程见文献[2],这里只给

出选型结果。电磁换向阀1、2、3选用6通径,3W E6A-

61B CG24N9Z5L型换向阀;换向阀4选用10通径,

3W E10A-31B CG24N9Z5L型换向阀。动臂、斗杆、铲

斗油缸的控制选取4W R E10E64-10B 24Z4 M型比例

换向阀;左行走、右行走及整机回转马达的控制采用

4W R E6E20-10B 24N Z4 M型比例换向阀。其它溢流

阀、节流阀、单向节流阀、液控单向阀的选取均根据与其

连接的换向阀和原机设计的工作压力、流量而定[3-8]。

为使结构紧凑、集成化的两块液压阀板能满足电液

比例电控操纵系统的需要,详细的设计过程和设计结果

见文献[2]。

2　挖掘机自动控制的软件设计

控制系统采用德国I N T ER CON TROL公司的E1

型移动车辆控制器,挖掘机各执行机构的控制在移动车

辆控制器平台上开发软件并调试成功,可近程有线遥控

操作,也可按程序自动完成预定动作,实现了原机杠杆

操纵系统的全部功能。

实现液压挖掘机的计算机控制,其电控系统主要包

括发动机起动的控制;车辆监控系统数据的采集、分析

及控制;挖掘机各执行机构的控制[9-11]。

发动机起动控制为,接通起动机控制电路,起动机

带动内燃机旋转,发动机达到最低稳定转速后起动。起

动电机连续工作不超过15s;如一次起动不成功,间隔2

m in再次起动,如连续3次仍无法起动,应检查故障原

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