液压挖掘机功率优化电控系统的设计

引言    液压挖掘机能量的总利用率一般仅为20%左右，能量损失巨大，因而节能技术便成为衡量液压挖掘机先进性的重要指标。目前国外的技术大多是采用电子功率优化系统，对发动和液压油泵系统进行综合控制，使二者达到最佳匹配以获得节能效果。该系统由单片机控制的无级调速的电控油门和电磁比例阀使挖掘机的机电一体化程度大大提高。可以根据发动机负荷的变化，由微处理器控制调节液压泵所吸收的功率和油门的开启度，使发动机始终保持在额定转速附近以全功率投入工作；同时电控油门还可以使发动机转速在很大的范围内任意设定。由此电控系统控制的挖掘机工作性能将会更稳定，操作起来更加精细，平滑可靠，没有冲击感，能量利用率更高，更节省燃料，节能效果自然更明显。另外，还可实现对发动机转速的实时监控及自动怠速、自动升速和自动稳速等的控制功能。    1电控系统主控对象

液压挖掘机功率优化电控系统的设计

 液压挖掘机主要由工作装置、转台和行走装置三部分组成，它的半臂铲挖动作、驾驶室转动动作和行走动作都是在液压系统的油缸和马达的驱动下完成的。而液压系统的油源又是由发动机带动的液压油泵提供的，因此发动机和液压油泵就是液压挖掘机整车的动力源，功率优化控制系统的主控对象也就是发动机和液压油泵。这里配置的发动机是康明斯柴油发动机；而液压油泵则是斜盘式柱塞变量泵，其结构示意图如图1所示。    斜盘式柱塞变量泵的排量和流量可以通过改变斜盘倾角来改变。柱塞泵的斜盘前后有两根耳轴支承在变量壳体的两个圆弧导轨上，斜盘可以耳轴中心线为轴心摆动，使倾角改变。斜盘中部装有销轴，其左侧球形端部插入变量活塞的孔内。当变量活塞顶部的负载变大超过弹簧弹力时，变量活塞会向下移动，使斜盘倾角变大，泵的流量就会变大，液压泵吸收的发动机的功率也会跟着变大。只要能控制好液压油泵变量活塞所受压力的大小就可以控制液压油泵的吸收功率。    2电控系统控制原理    2．1对发动机转速控制

图2发动机的外特性曲线

柴油机的外特性曲线如图2所示。由图可见，柴油机基本上是恒扭矩调节的，其输出功率的变化表现为输出转速的变化，即不同的油门开度对应着不同的柴油机输出转速，也就是说我们可以通过对油门开度大小的控制来实现对发动机输出转速的控制。门开度大时，喷油泵有效供油行程大，循环供油量大，发动机转速提高；反之，转速就低。只要我们能使油门开度微动调节，供油行程一点一点变化，就可对发动机进行无级调速。    2．2对液压油泵的控制    由柴油机的外特性曲线还可以看出，当喷油泵的油门拉杆处于某一位置时，柴油机的输出扭矩随转速变化的特性曲线很平坦。这种特性对柴油机的工作是很不利的，当柴油机的负荷有较小变化时，其转速就会发生很大的变化。所以发动机在驱动工作机械时，只有当它的输出扭矩与工作机械的阻力相等，发动机才可以稳定工作。如阻力矩超过发动机的输出扭矩，发动机转速将下降；反之，则升高。    2.2.1对超负荷运行状态的控制液压挖掘机在施工作业中，如遇到坚硬结实的地面时，铲挖阻力大，工作负载变大，执行元件动作变缓，回油变慢，而油泵仍继续向系统供油，油缸内的油压急增，使系统压力过大，发动机的输出扭矩已小于这时的工作阻力，于是，发动机开始超负荷运转，转速迅速下降，甚至导致“熄火”。这时单靠拉大油门，硬性地使发动机转速升上去，溢流损失会很大，甚至会使油路因压力过大而漏油；还有一种情况是负荷特别重，油门已在最大位置，而我们已无法再通过调节油门来升速。这时我们可以通过降低液压油泵向系统提供的液压油量来降低系统的压力，减少油泵对发动机功率的吸收，从而降低油泵的输出扭矩。这样一来，即使回油变慢，泵油量也会同时减小，油缸内的油压就不会太大，系统的压力也将减轻，从而降低了发动机的负载，这时发动机就不会再“熄火”，仍然可以保持额定转速运转，发挥最大的有效功率，只是挖掘动作变得慢了些。    2.2.2对正常负荷运行状态的控制挖掘机正常工作负载时，我们也可以通过调节液压油泵对发动机功率吸收量的大小使发动机始终能保持在额定转速附近，发挥最大的功率；同时，防止发动机多余的能量进入液压系统，使系统压力过高和液压油过热。而且对应着工作负载大小的不同，发动机保持额定转速的油门位置也会不同，负荷越小，油门就越小，油料消耗也越小。另外，当挖掘机工作负载很轻时，为降低油耗，我们还可以将发动机转速调小，相应的降低油泵的吸收功率，使发动机在较低转速下仍能稳定工作，同时又降低了油门，减少了油料的消耗，达到更好的节能效果。    3电控系统硬件配置

图3液压挖掘机功率优化电控系统示意图

柴油机的外特性曲线如图2所示。由图可见，柴油机基本上是恒扭矩调节的，其输出功率的变化表现为输出转速的变化，即不同的油门开度对应着不同的柴油机输出转速，也就是说我们可以通过对油门开度大小的控制来实现对发动机输出转速的控制。门开度大时，喷油泵有效供油行程大，循环供油量大，发动机转速提高；反之，转速就低。只要我们能使油门开度微动调节，供油行程一点一点变化，就可对发动机进行无级调速。    2．2对液压油泵的控制    由柴油机的外特性曲线还可以看出，当喷油泵的油门拉杆处于某一位置时，柴油机的输出扭矩随转速变化的特性曲线很平坦。这种特性对柴油机的工作是很不利的，当柴油机的负荷有较小变化时，其转速就会发生很大的变化。所以发动机在驱动工作机械时，只有当它的输出扭矩与工作机械的阻力相等，发动机才可以稳定工作。如阻力矩超过发动机的输出扭矩，发动机转速将下降；反之，则升高。    2.2.1对超负荷运行状态的控制液压挖掘机在施工作业中，如遇到坚硬结实的地面时，铲挖阻力大，工作负载变大，执行元件动作变缓，回油变慢，而油泵仍继续向系统供油，油缸内的油压急增，使系统压力过大，发动机的输出扭矩已小于这时的工作阻力，于是，发动机开始超负荷运转，转速迅速下降，甚至导致“熄火”。这时单靠拉大油门，硬性地使发动机转速升上去，溢流损失会很大，甚至会使油路因压力过大而漏油；还有一种情况是负荷特别重，油门已在最大位置，而我们已无法再通过调节油门来升速。这时我们可以通过降低液压油泵向系统提供的液压油量来降低系统的压力，减少油泵对发动机功率的吸收，从而降低油泵的输出扭矩。这样一来，即使回油变慢，泵油量也会同时减小，油缸内的油压就不会太大，系统的压力也将减轻，从而降低了发动机的负载，这时发动机就不会再“熄火”，仍然可以保持额定转速运转，发挥最大的有效功率，只是挖掘动作变得慢了些。    2.2.2对正常负荷运行状态的控制挖掘机正常工作负载时，我们也可以通过调节液压油泵对发动机功率吸收量的大小使发动机始终能保持在额定转速附近，发挥最大的功率；同时，防止发动机多余的能量进入液压系统，使系统压力过高和液压油过热。而且对应着工作负载大小的不同，发动机保持额定转速的油门位置也会不同，负荷越小，油门就越小，油料消耗也越小。另外，当挖掘机工作负载很轻时，为降低油耗，我们还可以将发动机转速调小，相应的降低油泵的吸收功率，使发动机在较低转速下仍能稳定工作，同时又降低了油门，减少了油料的消耗，达到更好的节能效果。    3电控系统硬件配置

图4主程序流程图

3.3.4光电隔离器的选择由于光电耦合的信号传递采取电—光—电形式，发光部分和受光部分不直接接触，被耦合的两个部分可以自成系统，使强电部分与弱电部分隔离，所以可有效的避免干扰由输出或输入通道窜入控制器，从而保证电路工作的可靠性。在进行电路设计时，为避免干扰使电路工作更可靠、稳定，我们在控制器与输出信号的放大电路和输入信号的整形电路之间都使用了光电耦合TLP521A。    4电控系统的软件设计    该挖掘机功率优化电控系统的程序设计主要由主程序、调速子程序、怠速子程序、稳速子程序和按键程序等几个部分组成，程序中使用了四个中断，其中TO做计数器，T1做通用延时定时器，T2做闸门定时器读TO，INTO判断按键。    这里只将主程序流程图列出，如图4所示。    5结语    实践证明，该液压挖掘机全程功率优化电控系统的设计，大大提高了液压挖掘机的能量利用率，既节约了燃料，又节省了人力。并且，经优化改进的液压挖掘机工作性能更加稳定，操作起来更加精细，平滑可靠。完全达到了预期目的，即：实现对发动机转换的实时监控及自动怠速、自动升速和自动稳速等的控制功能。该技术若进一步得以推广应用，必将为我国挖掘市场带来重大经济效益。                 信息来源于：慧聪网