挖掘机机电液一体化发展详解-摘自工程机械设备

英德康 · 发表于 2011-5-19 20:48:32

目前，机电液一体是液压挖掘机的主要发展方向，其目的是实现液压挖掘机的全自动化，即人们对液压挖掘机的研究，逐步向机电液控制系统方向转移，使挖掘机由传统的杠杆操纵逐步发展到液压操纵、气压操纵、电气操纵、液压伺服操纵、无线电操纵、电液比例操纵和计算机直接操纵。所以，对挖掘机的机电液一体化的研究，主要集中在液压挖掘机的控制系统上。液压挖掘机控制系统是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件（液压缸、液压马达）等所构成的动力系统进行控制的系统。按控制功能，可分为位置控制系统、速度控制系统和力（或压力）控制系统；按控制元件，可分为发动机控制系统、液压泵控制系统、多路换向阀控制系统、执行元件控制系统和整机控制系统。
目前，液压挖掘机控制系统已发展到复合控制系统。
发动机的控制系统
由柴油机的外型特性曲线可知，柴油机是近似的恒扭矩调节，其输出功率的变化表现为转速的变化，但输出扭矩基本不变化。油门开度增加（或减小），柴油机输出功率就增加（或减小），由于输出扭矩基本不变，所以柴油机转速也增加（或减小），即不同的油门开度对应着不同的柴油机转速。由此可见，对柴油机控制的目的是，通过对油门开度的控制来实现柴油机转速的调节。
目前应用在液压挖掘机柴油机上的控制装置有电子功率优化系统、自动怠速装置、电子调速器、电子油门控制系统等。
液压元件控制系统
对液压泵的控制都是通过调节其变量摆角来实现的。根据控制形式的不同，可分为功率控制系统、流量控制系统和组合控制系统等三大类。其中的功率控制系统有恒功率控制、总功率控制、压力切断控制和变功率控制等；流量控制系统有手动流量控制、正流量控制、负流量控制、最大流量二段控制、负荷传感控制和电气流量控制等；组合控制系统是功率控制和流量控制的组合控制，在液压控制机上应用最多。
液压控制阀控制系统
1）先导型控制系统换向控制阀的控制形式有直动型（用手柄直接操纵换向阀主阀芯，目前少用）和先导型两种。后者是用先导阀控制先导油液，再用先导油液控制换向阀的主阀芯，它又分为机液先导型和电液先导型两类。
2）负荷传感控制系统阀控系统实质上是节流式系统。在液压挖掘机上，目前常用的是一般的三位六通多路阀，其滑阀的微调性能和复合操作性能差。20世纪90年代以来，在液压挖掘机上开始采用负荷传感控制系统，其控制闪不论是中位开式方式还是中位闭式方式，都附带有压力补偿阀。采用电子控制压力补偿的液压挖掘机液压系统与传统的液压系统比较，负荷传感控制系统的主要优点是：
（1）节省能源消耗。普通三位六通换向阀无论采用定量泵还是变量泵，总要有一部分油液经溢流阀溢掉，浪费了能量。而使用负荷传感变量系统，泵的流量全部用于负载上，泵的压力仅比负荷压力大1-3MPa。
（2）流量控制精度高，不受负荷压力变化的影响。
（3）几个执行元件可以同步运动或以某种速比运动，且互不干扰。普通三位六通阀系统用的是并联油路，当几个执行元件同时动作时，泵输出的油液首先流向压力低的执行元件，不能同步。
负荷传感控制系统包括负荷传感控制阀和负荷传感控制泵（或定量泵）。
3）完全负荷传感控制系统完全负荷传感控制系统由负荷传感控制阀和负荷传感控制变量泵组成。
上述的负荷传感控制阀只解决了滑阀的微调性能和复合操作性能，而没有解决节省能源问题。定量泵和负荷传感控制阀的系统也没有节省能源消耗，因为泵所输出的流量超过执行元件（液压缸和液压马达）所需要的流量时，多余的油液经压力补偿阀流回油箱（为保持压差恒定）变为热能。只有完全负荷传感控制系统才能解决节省能源问题。
4）带次级压力补偿阀的负荷传感系统德国力士乐公司等（包括Atlas公司、Eder公司）在其生产的液压挖掘机上设置了负荷传感分流器LUOV（Last Unabhangige Durchfluss Vereilung)系统，其主要作用是：当多个执行元件同时工作、所需的流量大于液压泵的流量时，产生供油不足的现象，这不能使正在工作台的执行元件与负载压力无关的控制得到保证。LUDV系统能保证在供油不足时所有执行元件的工作速度按正比例下降，以获得与负载压力无关的控制。

执行元件控制系统
1）行走自动二速系统行走自动二速系统只有在行走速度转换开关处于二速位置时才具有此功能。此时，其信号使行走二速电磁阀换向；与此同时，通过二速用伺机服缸使行走马达处于二速位置，挖掘机可高速行走。
另外，控制选择阀还受行走压力的作用，在上坡等负载大的时候，控制选择阀向一速的一侧换向；二速用伺服的控制油压卸荷，使行走马达自动向一速位置转换，驱动力增大。
挖掘机在平地上行走及下坡行走等工况时，行走阻力变小，控制选择阀再换向，对二速用伺服缸作用，行走马达自动地又回到二速位置上，使控制机高速行走。
2）转台回转摇晃防止机构转台回转摇晃防止机构是挖掘机转台回转停止后消除其摇晃的机构，其工作原理是：
回转马过停止运转的过程中，反转防止阀两侧受卸荷压力作用，弹簧压缩。由于左、右压力相等，反转防止阀不能换向。
回转马达停止运转后B口侧压力比A口侧高，对回转马达产生反力作用，回转马达摇晃，此时A口侧压力比B口侧的高，对反转防止阀产生压力。由于阀中有节流孔，产生时间滞后，滑阀向右移动，从而使A口与B口联通、压力相等。因此，转台回转摇晃仅一次而已。
3）工作装置控制系统液压挖掘机的液压系统中有六个执行元件——左、右行走马达，转达台回转马达，动臂液压缸，斗杆液压缸，铲斗液压缸。为了提高挖掘机的生产率和节省能源消耗，在挖掘机的挖掘装载过程中，需要回转马达和三种液压缸协调动作，即工作装置控制系统应具备如下三项功能：
（1）控制机控制功能。铲斗沿水平面或与水平面成一定角度的直线运动，圆弧运动；任意轨迹运动。
（2）装载挖掘功能。完成满斗提升、回转和卸载。在这一过程中要求铲斗相对于地平面保持开始提升时的角度，以防止铲斗内物料在提升过程中撒落。
（3）复位控制功能。卸载后通过动臂、斗杆、铲斗和回转等四个动作的联动，使铲斗恢复到开始挖掘的位置。
上述挖掘机工作装置的控制形式有机液控制和计算机控制等两种方式。
液压挖掘机整机控制系统
1）液压油温度控制系统液压系统功率损失大部分转变为热量，引起油温升高。其结果不仅使液压系统效率下降，也加速油质恶化。据资料介绍，液压油温度超过55度每升高9度，油液的使用寿命将缩短一半。因此，应尽量避免液压油温度过高。
油温控制装置与节能控制装置组合后处于报警状态，该装置工作时先将热熔式超温保护器设定在系统的合理温度范围之内，然后闭合磁钢式限温开关，在自锁功能的控制下使温度控制开关断开。当油液温度升高到热熔工超温保护器的调定温度时，磁钢式限温开关自动断开，而温度控制开关吸合。与此同时，温度控制指示灯发亮，给以预警指示。该指示信号又通过电子节能控制模块的作业模式选择开关和油门电子控制器，对柴油机的油门开度进行控制，使用柴油机转速降低，从而减少液压泵的流量，控制液压系统的热量产生，避免油液温度持续上升。
温度预警解除后通过磁钢式限温开关的吸合，消除油液升温对电子节能控制模块的影响，从而使挖掘机恢复正常工作状态。
2）液压挖掘机工况监测与故障查找系统液压挖掘机工况监测与故障查找系统在改进维修方式，保证安全运行和消除事故隐患等方面起着重要作用。该系统目前有两种形式：一种是诊断计算机——插入机上系统的手持式终端形式，如日本的日立建机公司的Dr.EX故障诊断系统；另一种是随机安装的系统，如德国O&K公司的工况控制系统（BCS），它率先运用卫星通讯技术，将各台作业中的挖掘机技术状况和故障住处由机载发射机发射到同步卫星上，再由卫星上的转发器发回维修管理中心，管理中心的计算机屏幕上实时显示各台挖掘机的运转情况。
3）自动挖掘控制系统利用激光发射器的自动挖掘控制系统，其基本原理是在施工现场设置一个回转式激光发射器，它可以控制数台挖掘机在同一要求的基准面上作业。在挖掘机上装有激光接收器，其上有三只光靶——上、下光靶和基准光靶。当激光发射器发出的激光束恰好击中基准光靶时，挖掘机的工作装置保持在要求的理想工作面上作业。若外界因素变化使挖掘机的工作装置偏离了要求的理想工作面，则激光束或射在上光靶或射在下光靶，说明工作装置已产生了偏离现象。这时上光靶或下光靶会把光信号转化为电子指令信号驱使设在挖掘机上的分流阀动作，从而达到控制液压油的流向，使挖掘机的工作装置再次回到要求的理想工作面上作业。利用激光发射器的自动挖掘控制系统可大大减轻驾驶员的劳动强度，并获得较好的挖掘作业质量。
4）遥控挖掘机遥控挖掘机是指通过有线或无线电路装置进行操纵的挖掘机。一般有线遥控距离为150-300m，无线遥控距离为1500-2000m。
在远距离操纵装置内，操纵手柄的位移量转换为电压，再由A/D转换器转换成数字值，各操纵手柄的并联信号转换为串联信号，用无线电机进行发射处理，其信号被发射到挖掘机上。挖掘机接收的信号与发射时的动作相反，转换成电流值，通过电磁比例减压阀，使执行元件（液压缸或液压马达）动作。其他动作也是靠接收无线信号后通过电磁阀来使执行元件动作的。0
5）液压挖掘机综合控制系统
液压挖掘机综合控制系统的主要特点有：
（1）采用了电子控制压力补偿的负荷传感受液压系统。它由负荷传感控制阀和负荷传感控制变量泵组成，液压泵的输出流量始终等于执行元件（液压缸、液压马达）所需要的流量。
（2）采用了电子控制动力调节系统。这主要是通过计算机对发动机和液压泵进行功率设定，确定发动机油门开度和液压泵的排量。这样，可根据挖掘机不同的作业工况，采用不同的发动机特性和液压泵特性，其特性曲线都是由计算机软件来决定的。
（3）采用了人工与电子联合控制的操纵系统。因挖掘机的作业现场情况多变，操作复杂，尚不能离不开人工操纵，但电子控制起到了重要的辅助调节作用。例如，在挖掘机整个作业过程中驾驶员可以只操纵一个手柄，其余动作都是自动化的联锁运动。但采用手动优先原则，手动操纵时自动控制系统暂停运作。
（4）采用了手持式终端故障诊系统，可以使挖掘机出现的故障及时发现和处理。

wxxf03 · 发表于 2011-6-8 22:25:14

学习了，谢谢

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