挖掘機(jī)機(jī)電液一體化發(fā)展詳解-摘自工程機(jī)械設(shè)備

英德康

目前,，機(jī)電液一體是液壓挖掘機(jī)的主要發(fā)展方向,，其目的是實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的全自動(dòng)化,，即人們對(duì)液壓挖掘機(jī)的研究,，逐步向機(jī)電液控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移,，使挖掘機(jī)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(wú)線電操縱,、電液比例操縱和計(jì)算機(jī)直接操縱,。所以，對(duì)挖掘機(jī)的機(jī)電液一體化的研究,，主要集中在液壓挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)上,。 液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、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(dòng)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(dòng)機(jī)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(jī)控制系統(tǒng),。
: v& ^5 B1 ]* D3 v+ g) y目前，液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)已發(fā)展到復(fù)合控制系統(tǒng),。
% K9 v( K: N) B0 A9 ]發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)
# {" F# N, Z7 w" @- x6 ]由柴油機(jī)的外型特性曲線可知,，柴油機(jī)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(mén)開(kāi)度增加（或減小）,，柴油機(jī)輸出功率就增加（或減�,。�，由于輸出扭矩基本不��,，所以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速也增加（或減�,。�,，即不同的油門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)著不同的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速。由此可見(jiàn),，對(duì)柴油機(jī)控制的目的是,，通過(guò)對(duì)油門(mén)開(kāi)度的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
目前應(yīng)用在液壓挖掘機(jī)柴油機(jī)上的控制裝置有電子功率優(yōu)化系統(tǒng),、自動(dòng)怠速裝置,、電子調(diào)速器、電子油門(mén)控制系統(tǒng)等,。
液壓元件控制系統(tǒng)
對(duì)液壓泵的控制都是通過(guò)調(diào)節(jié)其變量擺角來(lái)實(shí)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(lèi),。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(dòng)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(jī)上應(yīng)用最多。
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(dòng)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(jī)液先導(dǎo)型和電液先導(dǎo)型兩類(lèi),。
2）負(fù)荷傳感控制系統(tǒng) 閥控系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是節(jié)流式系統(tǒng)。在液壓挖掘機(jī)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(lái),，在液壓挖掘機(jī)上開(kāi)始采用負(fù)荷傳感控制系統(tǒng),，其控制閃不論是中位開(kāi)式方式還是中位閉式方式，都附帶有壓力補(bǔ)償閥,。采用電子控制壓力補(bǔ)償?shù)囊簤和诰驒C(jī)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(diǎn)是：
（1）節(jié)省能源消耗。普通三位六通換向閥無(wú)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(fèi)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,。
4 o) k' f1 G  T4 J7 Q4 j（2）流量控制精度高，不受負(fù)荷壓力變化的影響,。
$ J3 y0 K1 p8 z% F% W（3）幾個(gè)執(zhí)行元件可以同步運(yùn)動(dòng)或以某種速比運(yùn)動(dòng),，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(gè)執(zhí)行元件同時(shí)動(dòng)作時(shí),，泵輸出的油液首先流向壓力低的執(zhí)行元件，不能同步,。
4 J" h: [% G3 j9 V. K6 g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）,。
3）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,。
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(méi)有解決節(jié)省能源問(wèn)題。定量泵和負(fù)荷傳感控制閥的系統(tǒng)也沒(méi)有節(jié)省能源消耗,，因?yàn)楸盟�輸出的流量超過(guò)執(zhí)行元件（液壓缸和液壓馬達(dá)）所需要的流量時(shí),，多余的油液經(jīng)壓力補(bǔ)償閥流回油箱（為保持壓差恒定）變?yōu)闊崮堋Ｖ挥型耆��?fù)荷傳感控制系統(tǒng)才能解決節(jié)省能源問(wèn)題,。
4）帶次級(jí)壓力補(bǔ)償閥的負(fù)荷傳感系統(tǒng)德國(guó)力士樂(lè)公司等（包括Atlas公司,、Eder公司）在其生產(chǎn)的液壓挖掘機(jī)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(gè)執(zhí)行元件同時(shí)工作,、所需的流量大于液壓泵的流量時(shí),，產(chǎn)生供油不足的現(xiàn)象，這不能使正在工作臺(tái)的執(zhí)行元件與負(fù)載壓力無(wú)關(guān)的控制得到保證,。LUDV系統(tǒng)能保證在供油不足時(shí)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(wú)關(guān)的控制。
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執(zhí)行元件控制系統(tǒng)
1）行走自動(dòng)二速系統(tǒng) 行走自動(dòng)二速系統(tǒng)只有在行走速度轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)處于二速位置時(shí)才具有此功能,。此時(shí),，其信號(hào)使行走二速電磁閥換向；與此同時(shí),，通過(guò)二速用伺機(jī)服缸使行走馬達(dá)處于二速位置,，挖掘機(jī)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(shí)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(dòng)向一速位置轉(zhuǎn)換,，驅(qū)動(dòng)力增大。
" l/ h/ S! a( r* H9 a挖掘機(jī)在平地上行走及下坡行走等工況時(shí),，行走阻力變小,，控制選擇閥再換向，對(duì)二速用伺服缸作用,，行走馬達(dá)自動(dòng)地又回到二速位置上,，使控制機(jī)高速行走。
/ W( O+ H+ M. l8 m2）轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)搖晃防止機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)搖晃防止機(jī)構(gòu)是挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)停止后消除其搖晃的機(jī)構(gòu),，其工作原理是：
; n( s- W: ?9 n, ^- Z回轉(zhuǎn)馬過(guò)停止運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)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,。
2 B/ p1 k1 K. J$ ?回轉(zhuǎn)馬達(dá)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后B口側(cè)壓力比A口側(cè)高,，對(duì)回轉(zhuǎn)馬達(dá)產(chǎn)生反力作用，回轉(zhuǎn)馬達(dá)搖晃,，此時(shí)A口側(cè)壓力比B口側(cè)的高,，對(duì)反轉(zhuǎn)防止閥產(chǎn)生壓力。由于閥中有節(jié)流孔,，產(chǎn)生時(shí)間滯后,，滑閥向右移動(dòng)，從而使A口與B口聯(lián)通,、壓力相等,。因此，轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)搖晃僅一次而已,。
! w7 W% c2 B! f# Z5 g3）工作裝置控制系統(tǒng) 液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)中有六個(gè)執(zhí)行元件——左,、右行走馬達(dá)，轉(zhuǎn)達(dá)臺(tái)回轉(zhuǎn)馬達(dá),，動(dòng)臂液壓缸,，斗桿液壓缸，鏟斗液壓缸,。為了提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)率和節(jié)省能源消耗,，在挖掘機(jī)的挖掘裝載過(guò)程中，需要回轉(zhuǎn)馬達(dá)和三種液壓缸協(xié)調(diào)動(dòng)作,，即工作裝置控制系統(tǒng)應(yīng)具備如下三項(xiàng)功能：
. r* {! d& ^1 z& k. U（1）控制機(jī)控制功能,。鏟斗沿水平面或與水平面成一定角度的直線運(yùn)動(dòng)，圓弧運(yùn)動(dòng),；任意軌跡運(yùn)動(dòng),。
（2）裝載挖掘功能,。完成滿斗提升、回轉(zhuǎn)和卸載,。在這一過(guò)程中要求鏟斗相對(duì)于地平面保持開(kāi)始提升時(shí)的角度,，以防止鏟斗內(nèi)物料在提升過(guò)程中撒落。
& G. @, S) |5 V- H& W( j$ V（3）復(fù)位控制功能,。卸載后通過(guò)動(dòng)臂,、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn)等四個(gè)動(dòng)作的聯(lián)動(dòng),，使鏟斗恢復(fù)到開(kāi)始挖掘的位置,。
上述挖掘機(jī)工作裝置的控制形式有機(jī)液控制和計(jì)算機(jī)控制等兩種方式。
液壓挖掘機(jī)整機(jī)控制系統(tǒng)
1 B! J: Q4 P. M  @1）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(guò)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(guò)高,。
油溫控制裝置與節(jié)能控制裝置組合后處于報(bào)警狀態(tài),，該裝置工作時(shí)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(kāi)關(guān),，在自鎖功能的控制下使溫度控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi),。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(shí)，磁鋼式限溫開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi),，而溫度控制開(kāi)關(guān)吸合,。與此同時(shí)，溫度控制指示燈發(fā)亮,，給以預(yù)警指示,。該指示信號(hào)又通過(guò)電子節(jié)能控制模塊的作業(yè)模式選擇開(kāi)關(guān)和油門(mén)電子控制器，對(duì)柴油機(jī)的油門(mén)開(kāi)度進(jìn)行控制,，使用柴油機(jī)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,。
溫度預(yù)警解除后通過(guò)磁鋼式限溫開(kāi)關(guān)的吸合，消除油液升溫對(duì)電子節(jié)能控制模塊的影響,，從而使挖掘機(jī)恢復(fù)正常工作狀態(tài),。
2）液壓挖掘機(jī)工況監(jiān)測(cè)與故障查找系統(tǒng) 液壓挖掘機(jī)工況監(jiān)測(cè)與故障查找系統(tǒng)在改進(jìn)維修方式,，保證安全運(yùn)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(jì)算機(jī)——插入機(jī)上系統(tǒng)的手持式終端形式,，如日本的日立建機(jī)公司的Dr.EX故障診斷系統(tǒng),；另一種是隨機(jī)安裝的系統(tǒng),，如德國(guó)O&K公司的工況控制系統(tǒng)（BCS）,，它率先運(yùn)用衛(wèi)星通訊技術(shù),，將各臺(tái)作業(yè)中的挖掘機(jī)技術(shù)狀況和故障住處由機(jī)載發(fā)射機(jī)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(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示各臺(tái)挖掘機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況,。
3）自動(dòng)挖掘控制系統(tǒng) 利用激光發(fā)射器的自動(dòng)挖掘控制系統(tǒng),，其基本原理是在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置一個(gè)回轉(zhuǎn)式激光發(fā)射器,，它可以控制數(shù)臺(tái)挖掘機(jī)在同一要求的基準(zhǔn)面上作業(yè),。在挖掘機(jī)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(shí),，挖掘機(jī)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(jī)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(shuō)明工作裝置已產(chǎn)生了偏離現(xiàn)象。這時(shí)上光靶或下光靶會(huì)把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子指令信號(hào)驅(qū)使設(shè)在挖掘機(jī)上的分流閥動(dòng)作,，從而達(dá)到控制液壓油的流向,，使挖掘機(jī)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(dòng)挖掘控制系統(tǒng)可大大減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度,，并獲得較好的挖掘作業(yè)質(zhì)量,。
4）遙控挖掘機(jī) 遙控挖掘機(jī)是指通過(guò)有線或無(wú)線電路裝置進(jìn)行操縱的挖掘機(jī)。一般有線遙控距離為150-300m,，無(wú)線遙控距離為1500-2000m,。
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(hào)轉(zhuǎn)換為串聯(lián)信號(hào)，用無(wú)線電機(jī)進(jìn)行發(fā)射處理,，其信號(hào)被發(fā)射到挖掘機(jī)上,。挖掘機(jī)接收的信號(hào)與發(fā)射時(shí)的動(dòng)作相反，轉(zhuǎn)換成電流值,，通過(guò)電磁比例減壓閥,，使執(zhí)行元件（液壓缸或液壓馬達(dá)）動(dòng)作。其他動(dòng)作也是靠接收無(wú)線信號(hào)后通過(guò)電磁閥來(lái)使執(zhí)行元件動(dòng)作的。0
* f9 J; a8 \+ ?* X# c2 `5）液壓挖掘機(jī)綜合控制系統(tǒng)
液壓挖掘機(jī)綜合控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：
（1）采用了電子控制壓力補(bǔ)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,。
# B! o4 v, ]7 Q0 x1 h（2）采用了電子控制動(dòng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng),。這主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵進(jìn)行功率設(shè)定，確定發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度和液壓泵的排量,。這樣,，可根據(jù)挖掘機(jī)不同的作業(yè)工況，采用不同的發(fā)動(dòng)機(jī)特性和液壓泵特性,，其特性曲線都是由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)決定的,。
0 z, ~. a( ?1 R( m4 s; x（3）采用了人工與電子聯(lián)合控制的操縱系統(tǒng)。因挖掘機(jī)的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況多變,，操作復(fù)雜,，尚不能離不開(kāi)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(jī)整個(gè)作業(yè)過(guò)程中駕駛員可以只操縱一個(gè)手柄，其余動(dòng)作都是自動(dòng)化的聯(lián)鎖運(yùn)動(dòng),。但采用手動(dòng)優(yōu)先原則,，手動(dòng)操縱時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)暫停運(yùn)作。
! w" j3 c; {0 V* ~6 c（4）采用了手持式終端故障診系統(tǒng),，可以使挖掘機(jī)出現(xiàn)的故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理,。
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學(xué)習(xí)了，謝謝