單鬥液壓挖掘機分工況節能控制系統

摘要：為了有效地控制單鬥液壓挖掘機在工作過程中的能量損失、減少液壓系統的發熱、改善工作性能，設計了一種單鬥液壓挖掘機分工況節能控制系統。該控制系統採用負荷傳感，由微機判斷挖掘機的工作狀態，並據此控制發動機而達到節能的目的。該系統具有工況控制、短期超載控制、自動怠速控制、溢流控制等功能。

單鬥液壓挖掘機是重要的工程機械，具有作業靈活方便、適應範圍廣等優點。但由於單鬥液壓挖掘機作業工況複雜、作業過程中負荷變化頻繁、變化範圍大，因而存在着不少環節的能量損失，其中主要有：發動機—變量泵系統的非經濟性匹配運行產生的損失、液壓系統壓力油的流量損失和壓力損失。這些損失不僅浪費了能量，而且引起液壓系統發熱，工作性能惡化。為此，節能控制已經成為液壓挖掘機的重點發展方向之一。

隨着電子技術及微型計算機(單片機)技術在控制領域中的廣泛應用，將液壓挖掘機與電子技術、信號處理、預警技術及微型計算機有機地結合起來，對液壓挖掘機實現在線工況檢測、自動控制、故障診斷，可以達到節能和減輕司機勞動強度、提高工作效率的目的。

目前國外各大公司的挖掘機產品均不同程度地配備了電子節能控制系統，，如德國O&K公司的PMS系統、Link-Belt的CAPS系統;美國卡特皮勒的EPC系統;日本日立的OHS系統、粘鬆的OLSS系統、加藤的APC系統、神鋼的ITCS系統;韓國大宇的EPOS系統等。

筆者針對上述挖掘機能量損失情況，採用單片機，以液壓系統的壓力為判斷信號，來判斷液壓挖掘機的工作狀態，進而由步進電機控制發動機的油門，從而使油門的開度始終處於適應負載的合適值上，達到節能的目的。

　　1 系統的組成

系統是在不改變液壓系統和發動機內部結構的前提下進行的，其硬件框圖如圖1所示。

本節能控制系統採用了負荷傳感，即以液壓系統壓力為判斷信號，判斷挖掘機的工作狀態，由微機根據挖掘機所處的不同狀態，通過控制步進電機的輸入出，進而控制發動機油門，使發動機穩定在要求的轉速附近，以達到節能和實現其它功能的目的。

由硬件框圖可知，控制系統硬件的系統由單片機、I/O接口電路、A/D轉換電路、信號調理電路、驅動電路、顯示報警和光電隔離電路等部分組成。

　　1.1 單片機系統

單片機採用美國ATMEL公司生產的AT89C51單片機。該芯片不僅具有MCS51系列單片機的所有特性，而且片內集成有2K字節的電擦除閃存(Flash ROM)，價格低，目前性能價格比較高的單片機芯之一。

AT89C51的工作頻率為6～40MHz。本系統利用單片機的內部振盪器外加石英晶體構成時鐘源，為了工作可靠，晶體振盪頻率選為12MHz。

為了滿足控制接口的需要，本控制器又擴展了一片I/O口芯片，選有1C55，這有兩個可編程的8位並行I/O口PA和PB、一個可編程的6位並行I/O口PC，通過設備其命令狀態寄存器中的控制字來將它們分別定義成輸入/輸出口。

　　1.2 輸入電路

輸入電路由壓力變送器、速度傳感器、油門開度傳感器、動力模式選擇開關和參數設定開關等組成。

其中，壓力變送器(CYR-1A型)負責採樣液壓系統的壓力(兩路)，經A/D轉換後輸入89C51，經過分析處理，來判別挖掘機的工作狀況，發出相應的控制指令。

速度傳感器(磁電式)負責採樣發動機的轉速，作為系統的反饋信號。由於磁電式傳感器的信號較弱，需要設計調理電路(轉換成標準的TTL)。另外傳感器安裝在挖掘機主軸齒輪(130齒)附近，如果直接接到89C51的中斷口(INT0)，會使系統頻繁中斷，89C51工作繁忙，因此需要分頻。本系統直接利用了81C55中的14位減數計數器進行130分頻，相當於每轉來一個脈衝，避免了上述現象。

油門開度傳感器檢測油門的位置，以便於發動機點火起動。它與油門的調速拉桿轉動的角度對應，將其轉換為電壓信號，與內部程序設定值進行比較，打開鑰匙開關，控制系統驅動步進電機帶動油門的調速拉桿從零位調到起動位置。

系統設有高、中、低三個動力模式選擇開關，相應的發動機功率為全功率的100%、88%和65%.當司機根據工作需要選定某一開關，計算機即可控制發動機使其穩定在相應的動力模式下。其中，中檔是常用工作檔。同時也是經濟動力模式檔，用該檔工作時，發動機-液壓泵系統處於最經濟的匹配工作狀態。

另外，系統還設計了對運行參數如液壓系統的報警壓力與極限壓力、系統的採集時間、PID控制參數等進行在線修改的功能。利用EEPROM的存儲功能進行保存，以便下次開機時，系統仍按着調節好的參數運行。操作者只要按下參數設置鍵與動力模式選擇鍵的組合，即可完成修改。這種鍵盤的`組合可以降低成本，減少面板的操作面積，提高系統的可靠性。

　　1.3 輸出電路

輸出電路的包括步進電機、顯示器、工作指示燈與聲光報警等。其中，步進電機控制發動機油門的位置;顯示器顯示兩路液壓系統的壓力(3位，單位：MPa)與發動機轉速(4位，單位：rpm);工作指示燈指示司機當前所選擇的動力模式;聲光報警提示司機當前液壓系統的負荷已經超過所設定工作壓力，要求採取相應的解決辦法。

　　2 系統的功能

　　2.1 分工況節能控制

挖掘機是一種多功能的機械，進行的作業內容較多，如挖掘、裝土、挖溝、填埋、裝修、搬運、破碎和平地等;所遇到的作業對象——土質變化較大，如軟性粘土、鬆砂質土、緊密沙質土、較緊密砂礫混合土、砂礫原石和軟巖等;另外，使用方式和要求也不同，有時強調燃料經濟性，生產率要求不突出，進行一般性的挖掘和裝土作業;有時則重視精度和安全，在狹小場地進行操作，進行精細工作和微調作業。

為了適應不同作業和使用工況，需要進行分工況控制，根據作用工況和使用要求來選擇不同動力模式。本系統按以下4種工況控制發動機：

(1)H工況：重負荷情況，追求最大作業量，發動機設置在最大轉速，進行高速強力掘削、高速行走時使用。

(2)S工況：一般作業情況，要求發動機發揮88%最大功率，此時工作速率稍慢，此工況主要為了降低油耗和減少噪音。這也是常用工作檔，同時也是經濟動力模式檔，用該檔工作時，發動機-液壓泵系統處理最經濟的匹配工作狀態。

(3)L工況：輕作業飛速，要求發動機發揮50%～70%的最大功率，此工況主要用於提高作業精度、進行微調控制和精細作用，在狹小場地工作時可保證安全性，噪音進一步降低。

(4)I工況：此為低怠速工況，主要用於暫停作用。

本系統通過動力模式選擇開關，將選擇的工況輸入控制器，控制器控制發動機，使其穩定在相應的動力模式下。

　　2.2 短期超載控制

這是為提高挖掘機的工作效率而設置的。挖掘機液壓系統設定的最高壓力有一定的餘量，當系統在短時間內超載工作時，一般不會對系統產生太大的影響，但不能長時間地超載工作，否則有可能影響系統和其他無器件的壽命及產生不良的後果。當液壓系統壓力超過設定的最高壓力幾Mpa時(大於24Mpa，小於27MPa)，挖掘機仍然工作一段時間(8秒)，以便工作裝置能克服臨時較大的阻力，提高效率。當超過設定的時間時，控制器自動將發動機轉速降低到怠速狀態，同時發出聲光報警，以使讓司機改變操作方式。當系統壓力降低到最高設計壓力以時，控制器自動使發動迅速恢復到原來的轉速。

　　2.3 自動怠速控制

挖掘機在作業中，往往需要短暫停機，處於待命狀態，例如等待自卸卡車或需進行某種準備工作等。這時所有操作杆在中位待命，發動機的能量白白浪費，為此，希望發動機轉速能自動下降，處於低怠速狀態。減少燃耗、降低噪音，這對發動機使用壽命也有好處。

控制的依據是：當各操縱閥均處於中位時，液壓系統壓力均小正常工作狀態時的壓力。為了確信挖掘機確實處於不工作狀態，在測得液壓系統壓力小於設定的最低閥值時，控制器延時幾秒鐘後(4秒)才向步進電機出信號，使油門處於低怠速位置，以防系統脈動。當需進行工作時，只需操縱閥的閥標一動，發動機轉速就自動復原，進入工作狀態。

　　2.4 溢流控制

當液壓系統壓力接近或達到溢流閥開啟壓力時，智能控制器自動降低發動轉速，以消除或減少溢流量。當發動機轉速降低到系統設定的最低轉速，如果還存在超載溢流時，發出超載報警。

通過前期的研究，已成功地開發了單鬥液壓挖掘機的分工況節能控制系統。本系統於1999年9月和11月兩次在洛陽市中國一拖集團工程機械研究所WY-22型單鬥液壓挖掘機上進行試驗，獲得了成為滿意的控制效果。現已安裝成樣機進行工作。

該系統還兼有改善挖掘機的操作性能和提高作業效率的作用。在操作中，司機一旦選定工作模式後，不管挖掘機處於什麼工作狀態，發動機均可由計算機控制，使之處於理想的工作狀態，改善了操作性能。控制系統的短期超載功能既保證了系統的安全，又提高了挖掘機克服短時間超載的能力，使本來應該通過改變操作方式才能完成的某些消弱措施自動完成，從而節省時間，提高了效率。