挖掘機機電液一體化發(fā)展詳解-摘自工程機械設(shè)備

英德康

目前，機電液一體是液壓挖掘機的主要發(fā)展方向，其目的是實現(xiàn)液壓挖掘機的全自動化，即人們對液壓挖掘機的研究，逐步向機電液控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移，使挖掘機由傳統(tǒng)的杠桿操縱逐步發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、電氣操縱、液壓伺服操縱、無線電操縱、電液比例操縱和計算機直接操縱。所以，對挖掘機的機電液一體化的研究，主要集中在液壓挖掘機的控制系統(tǒng)上。 液壓挖掘機控制系統(tǒng)是對發(fā)動機、液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)）等所構(gòu)成的動力系統(tǒng)進(jìn)行控制的系統(tǒng)。按控制功能，可分為位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)和力（或壓力）控制系統(tǒng)；按控制元件，可分為發(fā)動機控制系統(tǒng)、液壓泵控制系統(tǒng)、多路換向閥控制系統(tǒng)、執(zhí)行元件控制系統(tǒng)和整機控制系統(tǒng)。
目前，液壓挖掘機控制系統(tǒng)已發(fā)展到復(fù)合控制系統(tǒng)。
" M" ~2 l8 B! i% O1 J0 C發(fā)動機的控制系統(tǒng)
9 R; ]* @: Z9 H8 G4 T9 v由柴油機的外型特性曲線可知，柴油機是近似的恒扭矩調(diào)節(jié)，其輸出功率的變化表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速的變化，但輸出扭矩基本不變化。油門開度增加（或減�。�，柴油機輸出功率就增加（或減�。�，由于輸出扭矩基本不變，所以柴油機轉(zhuǎn)速也增加（或減小），即不同的油門開度對應(yīng)著不同的柴油機轉(zhuǎn)速。由此可見，對柴油機控制的目的是，通過對油門開度的控制來實現(xiàn)柴油機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
目前應(yīng)用在液壓挖掘機柴油機上的控制裝置有電子功率優(yōu)化系統(tǒng)、自動怠速裝置、電子調(diào)速器、電子油門控制系統(tǒng)等。
+ V0 C7 D; w* _- Y0 x% w* p+ E液壓元件控制系統(tǒng)
對液壓泵的控制都是通過調(diào)節(jié)其變量擺角來實現(xiàn)的。根據(jù)控制形式的不同，可分為功率控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)和組合控制系統(tǒng)等三大類。其中的功率控制系統(tǒng)有恒功率控制、總功率控制、壓力切斷控制和變功率控制等；流量控制系統(tǒng)有手動流量控制、正流量控制、負(fù)流量控制、最大流量二段控制、負(fù)荷傳感控制和電氣流量控制等；組合控制系統(tǒng)是功率控制和流量控制的組合控制，在液壓控制機上應(yīng)用最多。
* ^& S% J; l) [3 H液壓控制閥控制系統(tǒng)
1）先導(dǎo)型控制系統(tǒng) 換向控制閥的控制形式有直動型（用手柄直接操縱換向閥主閥芯，目前少用）和先導(dǎo)型兩種。后者是用先導(dǎo)閥控制先導(dǎo)油液，再用先導(dǎo)油液控制換向閥的主閥芯，它又分為機液先導(dǎo)型和電液先導(dǎo)型兩類。
2）負(fù)荷傳感控制系統(tǒng) 閥控系統(tǒng)實質(zhì)上是節(jié)流式系統(tǒng)。在液壓挖掘機上，目前常用的是一般的三位六通多路閥，其滑閥的微調(diào)性能和復(fù)合操作性能差。20世紀(jì)90年代以來，在液壓挖掘機上開始采用負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)，其控制閃不論是中位開式方式還是中位閉式方式，都附帶有壓力補償閥。采用電子控制壓力補償?shù)囊簤和诰驒C液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)比較，負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：
0 _. v7 k( z/ m; n1 _2 }/ B（1）節(jié)省能源消耗。普通三位六通換向閥無論采用定量泵還是變量泵，總要有一部分油液經(jīng)溢流閥溢掉，浪費了能量。而使用負(fù)荷傳感變量系統(tǒng)，泵的流量全部用于負(fù)載上，泵的壓力僅比負(fù)荷壓力大1-3MPa。
! t8 ~7 V! {8 v（2）流量控制精度高，不受負(fù)荷壓力變化的影響。
（3）幾個執(zhí)行元件可以同步運動或以某種速比運動，且互不干擾。普通三位六通閥系統(tǒng)用的是并聯(lián)油路，當(dāng)幾個執(zhí)行元件同時動作時，泵輸出的油液首先流向壓力低的執(zhí)行元件，不能同步。
負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)包括負(fù)荷傳感控制閥和負(fù)荷傳感控制泵（或定量泵）。
6 W5 L# Q# T0 G9 H* p4 H3）完全負(fù)荷傳感控制系統(tǒng) 完全負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)由負(fù)荷傳感控制閥和負(fù)荷傳感控制變量泵組成。
7 o/ Y) y+ y+ q# \4 e上述的負(fù)荷傳感控制閥只解決了滑閥的微調(diào)性能和復(fù)合操作性能，而沒有解決節(jié)省能源問題。定量泵和負(fù)荷傳感控制閥的系統(tǒng)也沒有節(jié)省能源消耗，因為泵所輸出的流量超過執(zhí)行元件（液壓缸和液壓馬達(dá)）所需要的流量時，多余的油液經(jīng)壓力補償閥流回油箱（為保持壓差恒定）變?yōu)闊崮�。只有完全�?fù)荷傳感控制系統(tǒng)才能解決節(jié)省能源問題。
4）帶次級壓力補償閥的負(fù)荷傳感系統(tǒng)德國力士樂公司等（包括Atlas公司、Eder公司）在其生產(chǎn)的液壓挖掘機上設(shè)置了負(fù)荷傳感分流器LUOV（Last Unabhangige Durchfluss Vereilung)系統(tǒng)，其主要作用是：當(dāng)多個執(zhí)行元件同時工作、所需的流量大于液壓泵的流量時，產(chǎn)生供油不足的現(xiàn)象，這不能使正在工作臺的執(zhí)行元件與負(fù)載壓力無關(guān)的控制得到保證。LUDV系統(tǒng)能保證在供油不足時所有執(zhí)行元件的工作速度按正比例下降，以獲得與負(fù)載壓力無關(guān)的控制。
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/ j* ]- [% x" V5 J" K執(zhí)行元件控制系統(tǒng)
& S+ z; a; w! C, C1）行走自動二速系統(tǒng) 行走自動二速系統(tǒng)只有在行走速度轉(zhuǎn)換開關(guān)處于二速位置時才具有此功能。此時，其信號使行走二速電磁閥換向；與此同時，通過二速用伺機服缸使行走馬達(dá)處于二速位置，挖掘機可高速行走。
另外，控制選擇閥還受行走壓力的作用，在上坡等負(fù)載大的時候，控制選擇閥向一速的一側(cè)換向；二速用伺服的控制油壓卸荷，使行走馬達(dá)自動向一速位置轉(zhuǎn)換，驅(qū)動力增大。
( y* l2 O) j, W' A2 e8 l  t; J5 e' E挖掘機在平地上行走及下坡行走等工況時，行走阻力變小，控制選擇閥再換向，對二速用伺服缸作用，行走馬達(dá)自動地又回到二速位置上，使控制機高速行走。
2）轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)搖晃防止機構(gòu) 轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)搖晃防止機構(gòu)是挖掘機轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)停止后消除其搖晃的機構(gòu)，其工作原理是：
回轉(zhuǎn)馬過停止運轉(zhuǎn)的過程中，反轉(zhuǎn)防止閥兩側(cè)受卸荷壓力作用，彈簧壓縮。由于左、右壓力相等，反轉(zhuǎn)防止閥不能換向。
7 D$ n9 |9 V! u回轉(zhuǎn)馬達(dá)停止運轉(zhuǎn)后B口側(cè)壓力比A口側(cè)高，對回轉(zhuǎn)馬達(dá)產(chǎn)生反力作用，回轉(zhuǎn)馬達(dá)搖晃，此時A口側(cè)壓力比B口側(cè)的高，對反轉(zhuǎn)防止閥產(chǎn)生壓力。由于閥中有節(jié)流孔，產(chǎn)生時間滯后，滑閥向右移動，從而使A口與B口聯(lián)通、壓力相等。因此，轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)搖晃僅一次而已。
: c$ \5 a5 R0 X3 N9 |3 v, [3）工作裝置控制系統(tǒng) 液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)中有六個執(zhí)行元件——左、右行走馬達(dá)，轉(zhuǎn)達(dá)臺回轉(zhuǎn)馬達(dá)，動臂液壓缸，斗桿液壓缸，鏟斗液壓缸。為了提高挖掘機的生產(chǎn)率和節(jié)省能源消耗，在挖掘機的挖掘裝載過程中，需要回轉(zhuǎn)馬達(dá)和三種液壓缸協(xié)調(diào)動作，即工作裝置控制系統(tǒng)應(yīng)具備如下三項功能：
（1）控制機控制功能。鏟斗沿水平面或與水平面成一定角度的直線運動，圓弧運動；任意軌跡運動。
（2）裝載挖掘功能。完成滿斗提升、回轉(zhuǎn)和卸載。在這一過程中要求鏟斗相對于地平面保持開始提升時的角度，以防止鏟斗內(nèi)物料在提升過程中撒落。
（3）復(fù)位控制功能。卸載后通過動臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn)等四個動作的聯(lián)動，使鏟斗恢復(fù)到開始挖掘的位置。
' v. q% ^5 n3 H& @1 T# g3 {; b0 w/ R) }上述挖掘機工作裝置的控制形式有機液控制和計算機控制等兩種方式。
2 g; K! G) E3 C; _液壓挖掘機整機控制系統(tǒng)
; U+ {7 |3 ?# X$ N1）液壓油溫度控制系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)功率損失大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃�，引起油溫升高。其結(jié)果不僅使液壓系統(tǒng)效率下降，也加速油質(zhì)惡化。據(jù)資料介紹，液壓油溫度超過55度每升高9度，油液的使用壽命將縮短一半。因此，應(yīng)盡量避免液壓油溫度過高。
( X1 Q' m3 y( J1 i8 m油溫控制裝置與節(jié)能控制裝置組合后處于報警狀態(tài)，該裝置工作時先將熱熔式超溫保護(hù)器設(shè)定在系統(tǒng)的合理溫度范圍之內(nèi)，然后閉合磁鋼式限溫開關(guān)，在自鎖功能的控制下使溫度控制開關(guān)斷開。當(dāng)油液溫度升高到熱熔工超溫保護(hù)器的調(diào)定溫度時，磁鋼式限溫開關(guān)自動斷開，而溫度控制開關(guān)吸合。與此同時，溫度控制指示燈發(fā)亮，給以預(yù)警指示。該指示信號又通過電子節(jié)能控制模塊的作業(yè)模式選擇開關(guān)和油門電子控制器，對柴油機的油門開度進(jìn)行控制，使用柴油機轉(zhuǎn)速降低，從而減少液壓泵的流量，控制液壓系統(tǒng)的熱量產(chǎn)生，避免油液溫度持續(xù)上升。
" q! }. X, I! |6 W& Y3 Z溫度預(yù)警解除后通過磁鋼式限溫開關(guān)的吸合，消除油液升溫對電子節(jié)能控制模塊的影響，從而使挖掘機恢復(fù)正常工作狀態(tài)。
8 [: p% `8 D1 C2 m+ L4 D- D2）液壓挖掘機工況監(jiān)測與故障查找系統(tǒng) 液壓挖掘機工況監(jiān)測與故障查找系統(tǒng)在改進(jìn)維修方式，保證安全運行和消除事故隱患等方面起著重要作用。該系統(tǒng)目前有兩種形式：一種是診斷計算機——插入機上系統(tǒng)的手持式終端形式，如日本的日立建機公司的Dr.EX故障診斷系統(tǒng)；另一種是隨機安裝的系統(tǒng)，如德國O&K公司的工況控制系統(tǒng)（BCS），它率先運用衛(wèi)星通訊技術(shù)，將各臺作業(yè)中的挖掘機技術(shù)狀況和故障住處由機載發(fā)射機發(fā)射到同步衛(wèi)星上，再由衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)回維修管理中心，管理中心的計算機屏幕上實時顯示各臺挖掘機的運轉(zhuǎn)情況。
3）自動挖掘控制系統(tǒng) 利用激光發(fā)射器的自動挖掘控制系統(tǒng)，其基本原理是在施工現(xiàn)場設(shè)置一個回轉(zhuǎn)式激光發(fā)射器，它可以控制數(shù)臺挖掘機在同一要求的基準(zhǔn)面上作業(yè)。在挖掘機上裝有激光接收器，其上有三只光靶——上、下光靶和基準(zhǔn)光靶。當(dāng)激光發(fā)射器發(fā)出的激光束恰好擊中基準(zhǔn)光靶時，挖掘機的工作裝置保持在要求的理想工作面上作業(yè)。若外界因素變化使挖掘機的工作裝置偏離了要求的理想工作面，則激光束或射在上光靶或射在下光靶，說明工作裝置已產(chǎn)生了偏離現(xiàn)象。這時上光靶或下光靶會把光信號轉(zhuǎn)化為電子指令信號驅(qū)使設(shè)在挖掘機上的分流閥動作，從而達(dá)到控制液壓油的流向，使挖掘機的工作裝置再次回到要求的理想工作面上作業(yè)。利用激光發(fā)射器的自動挖掘控制系統(tǒng)可大大減輕駕駛員的勞動強度，并獲得較好的挖掘作業(yè)質(zhì)量。
4）遙控挖掘機 遙控挖掘機是指通過有線或無線電路裝置進(jìn)行操縱的挖掘機。一般有線遙控距離為150-300m，無線遙控距離為1500-2000m。
9 q9 x/ D1 B) G( a  k在遠(yuǎn)距離操縱裝置內(nèi)，操縱手柄的位移量轉(zhuǎn)換為電壓，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，各操縱手柄的并聯(lián)信號轉(zhuǎn)換為串聯(lián)信號，用無線電機進(jìn)行發(fā)射處理，其信號被發(fā)射到挖掘機上。挖掘機接收的信號與發(fā)射時的動作相反，轉(zhuǎn)換成電流值，通過電磁比例減壓閥，使執(zhí)行元件（液壓缸或液壓馬達(dá)）動作。其他動作也是靠接收無線信號后通過電磁閥來使執(zhí)行元件動作的。0
+ l& G7 ]- B" P5）液壓挖掘機綜合控制系統(tǒng)
. w- d) W, d! T) }# n1 o液壓挖掘機綜合控制系統(tǒng)的主要特點有：
9 q+ r0 K7 E  o$ U0 ]7 O（1）采用了電子控制壓力補償?shù)呢?fù)荷傳感受液壓系統(tǒng)。它由負(fù)荷傳感控制閥和負(fù)荷傳感控制變量泵組成，液壓泵的輸出流量始終等于執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)）所需要的流量。
0 }. c1 s, N! U: i5 u6 l4 Q（2）采用了電子控制動力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這主要是通過計算機對發(fā)動機和液壓泵進(jìn)行功率設(shè)定，確定發(fā)動機油門開度和液壓泵的排量。這樣，可根據(jù)挖掘機不同的作業(yè)工況，采用不同的發(fā)動機特性和液壓泵特性，其特性曲線都是由計算機軟件來決定的。
（3）采用了人工與電子聯(lián)合控制的操縱系統(tǒng)。因挖掘機的作業(yè)現(xiàn)場情況多變，操作復(fù)雜，尚不能離不開人工操縱，但電子控制起到了重要的輔助調(diào)節(jié)作用。例如，在挖掘機整個作業(yè)過程中駕駛員可以只操縱一個手柄，其余動作都是自動化的聯(lián)鎖運動。但采用手動優(yōu)先原則，手動操縱時自動控制系統(tǒng)暫停運作。
  \) D' s! X4 D2 Y4 J8 o（4）采用了手持式終端故障診系統(tǒng)，可以使挖掘機出現(xiàn)的故障及時發(fā)現(xiàn)和處理。
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學(xué)習(xí)了，謝謝