挖掘機(jī)智能緩震液壓控制系統(tǒng)研究

王茄任，李文新，劉 建，畢金敏

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

長(zhǎng)期以來，挖掘機(jī)用戶與主機(jī)廠對(duì)產(chǎn)品的主要關(guān)注點(diǎn)集中在作業(yè)油耗、工作效率和可靠性等方面，對(duì)操作舒適性不夠重視。而挖掘機(jī)在工作過程中，尤其是在油缸突然停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于工作裝置較重，運(yùn)動(dòng)慣量大，停止時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，引起整機(jī)震動(dòng)，影響操作連貫性，并且震動(dòng)傳遞至駕駛室內(nèi)給操作者造成不適，產(chǎn)生較差的操作體驗(yàn)。減小工作裝置停止沖擊最顯而易見的一個(gè)方法就是降低油缸的運(yùn)動(dòng)速度，但由此也會(huì)帶來整機(jī)工作效率降低等新的問題，如何在保證現(xiàn)有性能不變的基礎(chǔ)上減小整機(jī)震動(dòng)，提高操作舒適性一直以來是個(gè)難以解決的問題。

本文介紹一種新型的液壓控制系統(tǒng)，在現(xiàn)有挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，做適當(dāng)改進(jìn)，成為一種具有智能緩震功能的新型液壓系統(tǒng)，并與電氣系統(tǒng)相結(jié)合，通過配套的控制程序進(jìn)行精確的電液控制，可智能識(shí)別機(jī)手操作意圖，激活不同的控制策略，在不影響工作效率的情況下實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的智能緩震，提高操作舒適性[1]。

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

如圖1所示為某中型挖掘機(jī)現(xiàn)有液壓系統(tǒng)。除了鏟斗油缸1，動(dòng)臂油缸2和斗桿油缸4均由兩根閥芯進(jìn)行供油。其中斗桿控制閥芯5與斗桿合流閥芯3均由左先導(dǎo)閥16控制，當(dāng)機(jī)手操作斗桿打開時(shí)，左手先導(dǎo)閥16輸出先導(dǎo)壓力使斗桿控制閥芯5與斗桿合流閥芯3同時(shí)換至左位，左泵10與右泵11通過兩根閥芯打開的油路往斗桿油缸4小腔供油，驅(qū)動(dòng)斗桿油缸4動(dòng)作，同時(shí)斗桿油缸4的大腔回油也通過兩根閥芯返回油箱。

圖1 現(xiàn)有液壓系統(tǒng)

當(dāng)操作者完成某一動(dòng)作如卸料完畢后，先導(dǎo)閥恢復(fù)至中位，先導(dǎo)油通過先導(dǎo)閥內(nèi)部泄回油箱，兩根閥芯在彈簧力的作用下也同時(shí)復(fù)位，斗桿油缸4的進(jìn)油與回油通道同時(shí)關(guān)閉，斗桿油缸4動(dòng)作停止。此時(shí)因?yàn)殚y芯復(fù)位較快，而斗桿油缸4停止相對(duì)較慢，閥芯回油通路關(guān)閉后由于斗桿運(yùn)動(dòng)慣量大使斗桿油缸小腔受壓，產(chǎn)生液壓沖擊引起整機(jī)震動(dòng)。

除此之外，控制器僅采集左泵11和右泵12的輸出壓力，不采集手先導(dǎo)壓力。

2 智能緩震液壓控制系統(tǒng)

如圖2所示為在現(xiàn)有液壓系統(tǒng)上進(jìn)行改造，提出的具有智能緩震功能的液壓控制系統(tǒng)，主要是在現(xiàn)有液壓系統(tǒng)中增加了動(dòng)臂提升先導(dǎo)壓力傳感器17、鏟斗回收先導(dǎo)壓力傳感器18、斗桿回收比例電磁閥19、斗桿打開比例電磁閥20、斗桿回收先導(dǎo)壓力傳感器21、斗桿打開先導(dǎo)壓力傳感器22。

圖2 智能緩震液壓系統(tǒng)

此系統(tǒng)中最大的改進(jìn)主要有以下兩點(diǎn)：（1）控制器12除了通過左泵壓力傳感器8、右泵壓力傳感器9獲取左泵11和右泵10泵口處的壓力值外，還通過動(dòng)臂提升先導(dǎo)壓力傳感器15、鏟斗回收先導(dǎo)壓力傳感器16、斗桿回收先導(dǎo)壓力傳感器20分別采集斗桿回收先導(dǎo)壓力、動(dòng)臂提升先導(dǎo)壓力和鏟斗回收先導(dǎo)壓力；（3）在斗桿合流閥芯3的先導(dǎo)油路中加裝了斗桿回收比例電磁閥19、斗桿打開比例電磁閥20，可通過控制器12對(duì)各電磁閥進(jìn)行控制，進(jìn)而控制斗桿合流閥芯3的開口特性。

3 實(shí)現(xiàn)原理

當(dāng)操作挖掘機(jī)斗桿時(shí)，每當(dāng)斗桿打開停止，通過控制器12可以輸出程序中預(yù)設(shè)的比例電流值，控制斗桿打開比例電磁閥19的開口關(guān)閉速度，使斗桿合流閥3打開端先導(dǎo)回油有一定的背壓，從而達(dá)到減緩斗桿合流閥3復(fù)位，調(diào)節(jié)斗桿合流閥3的開口特性，降低液壓沖擊，減小整機(jī)震動(dòng)的目的，如圖3所示，曲線a為原閥芯背壓，曲線b為應(yīng)用緩震控制后的閥芯背壓[2]。

圖3 閥芯回油背壓曲線對(duì)比

但如果只是簡(jiǎn)單的應(yīng)用以上控制方法，可能會(huì)對(duì)某些需要斗桿迅速切換的操作產(chǎn)生不利影響。例如連續(xù)平地作業(yè)時(shí)，斗桿需要在打開/回收之間快速切換，如果仍然對(duì)斗桿合流閥3的復(fù)位速度進(jìn)行限制，會(huì)導(dǎo)致閥芯復(fù)位過慢，反向運(yùn)動(dòng)受阻，使斗桿動(dòng)作響應(yīng)慢，影響工作效率。

為了兼顧不同工況的需求，需要通過采集主泵壓力和先導(dǎo)壓力等信號(hào)，并在控制程序中采用對(duì)應(yīng)的邏輯算法來判斷機(jī)手的操作意圖，對(duì)整機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行精確識(shí)別，將整機(jī)工作狀態(tài)分為平地作業(yè)狀態(tài)及其他狀態(tài)，并根據(jù)不同的工作狀態(tài)啟用對(duì)應(yīng)的控制策略，以滿足挖掘機(jī)不同工況的使用要求，實(shí)現(xiàn)智能化匹配控制：

當(dāng)識(shí)別出挖掘機(jī)進(jìn)行平地作業(yè)時(shí)，此時(shí)對(duì)斗桿打開比例電磁閥19不作控制，使其在斗桿打開動(dòng)作停止時(shí)可以迅速恢復(fù)最大開口，減小斗桿合流閥3的回油背壓，使斗桿合流閥3可以快速復(fù)位，提高斗桿回收動(dòng)作的響應(yīng)性，達(dá)到與現(xiàn)有系統(tǒng)相同的效果。

當(dāng)識(shí)別出挖掘機(jī)在進(jìn)行其他作業(yè)時(shí)，則輸出程序中預(yù)設(shè)的斜率電流，使斗桿打開比例電磁閥19開口緩慢減小，使斗桿合流閥3保持一定的回油背壓并勻速復(fù)位，達(dá)到減小震動(dòng)，提高整機(jī)操作舒適性的目的[3]。

具體控制算法流程如圖4所示。

4 效果驗(yàn)證

通過對(duì)駕駛室進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試（如圖5），應(yīng)用該智能緩震液壓控制系統(tǒng)后，機(jī)手在進(jìn)行平地作業(yè)時(shí)效率不受影響，在進(jìn)行其它作業(yè)時(shí)，斗桿打開停止沖擊降幅明顯，采用加速度傳感器采集駕駛室的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，振動(dòng)峰值從原系統(tǒng)的±0.6G降至±0.3G，降幅達(dá)到50%（如圖6），整機(jī)穩(wěn)定性和操作舒適性得到較大提升[4]。

圖4 控制算法流程圖

圖5 駕駛室振動(dòng)測(cè)試

圖6 駕駛室Z向振動(dòng)加速度對(duì)比

5 結(jié)束語

本文介紹的一種挖掘機(jī)智能緩震液壓控制系統(tǒng)，僅需在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加少數(shù)硬件，并對(duì)控制器刷寫配套的程序即可實(shí)現(xiàn)，改造成本較低。

應(yīng)用了該系統(tǒng)的挖掘機(jī)可以通過采集相關(guān)信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別機(jī)手操作意圖，并自動(dòng)匹配對(duì)應(yīng)控制策略，自適應(yīng)不同工況的功能，無需人工選擇工作模式，在實(shí)現(xiàn)減小整機(jī)震動(dòng)，提升挖掘機(jī)操作舒適性的同時(shí)，滿足多種工況的要求。通過此案例的成功實(shí)施，還可延伸拓展其它智能控制功能，發(fā)展前景廣闊。