周潛，陳海虹，陳乾林，陳明強(qiáng)

(1.貴州大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化學(xué)院工程機(jī)械系，貴州貴陽(yáng)550025;2.貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550003)

在土石方作業(yè)中，由于土壤類(lèi)別、土壤級(jí)配和土壤含水率等不同使土的力學(xué)性能差別很大，因此，針對(duì)千差萬(wàn)別的土壤負(fù)載，液壓挖掘機(jī)要耗費(fèi)的能量往往差別很大。實(shí)際工作中，一般是靠操作人員對(duì)所需挖掘力大小進(jìn)行主觀(guān)判斷，然后使用手動(dòng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行操作。顯然，這種功率調(diào)節(jié)方式主觀(guān)性大，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也不能得到有效利用，液壓挖掘機(jī)的工作效率也會(huì)受到一定影響。

以下介紹了一種適用于多種工況下的液壓挖掘機(jī)工作裝置功率調(diào)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了液壓挖掘機(jī)工況和功率的自動(dòng)合理匹配，從而降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、減少系統(tǒng)的能量損失、提高系統(tǒng)精度、增強(qiáng)系統(tǒng)靈敏度和提高作業(yè)工作效率，最終提高整機(jī)性能。

1 工況研究

根據(jù)液壓挖掘機(jī)的不同作業(yè)情況和要求，可以把它的工況分為6種，相應(yīng)地發(fā)動(dòng)機(jī)也有6種功率模式，能夠基本滿(mǎn)足壓挖掘機(jī)的不同作業(yè)情況和要求。下面以日本五十鈴AH-4HK1X柴油機(jī)為研究對(duì)象，其額定轉(zhuǎn)速ne為2 000 r/min，怠速nD為 1 000 r/min?？梢缘贸霾煌β誓Ｊ较?，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 工作模式－柴油機(jī)轉(zhuǎn)速匹配表

在此功率模式下通常，S、C和L工作模式統(tǒng)稱(chēng)為S(Saving Power Mode)——經(jīng)濟(jì)模式。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

液壓挖掘機(jī)工作裝置功率調(diào)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。

圖1 液壓挖掘機(jī)工作裝置功率調(diào)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體方案

工作對(duì)象將外負(fù)載的情況傳遞給壓力傳感器，傳感器將信號(hào)傳遞給控制器，控制器發(fā)出信號(hào)控制調(diào)速裝置。然后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其與外負(fù)載所需的功率自動(dòng)相適應(yīng)，這樣操作人員就能從頻繁手動(dòng)設(shè)定功率模式的操作中解放出來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)工作裝置功率調(diào)節(jié)的自動(dòng)化控制。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 單片機(jī)的選擇

采用單片機(jī)STC90C516RD+作為核心控制元件，具體的型號(hào)為STC90C516RD+40I-PDIP40，是宏晶科技STC新推出的一款單片機(jī)，具有低功耗、抗干擾能力超強(qiáng)、容量大、運(yùn)行速度快和低功耗等特點(diǎn)。由于其內(nèi)核仍然是51單片機(jī)，所以與傳統(tǒng)8051單片機(jī)的指令完全兼容，不會(huì)影響程序的編寫(xiě)。因此，在軟件設(shè)計(jì)中如果找不到系統(tǒng)所選單片機(jī)的型號(hào)，可以選擇軟件中存在的其他相應(yīng)的51單片機(jī)進(jìn)行替換。

2.2.2 傳感器的選擇

液壓挖掘機(jī)工作裝置功率調(diào)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息采集是通過(guò)3個(gè)壓力傳感器來(lái)獲取的，它們分別安裝在鏟斗油缸、斗桿油缸和動(dòng)臂油缸上。文中針對(duì)一款工作壓力為0～32 MPa的20 t液壓挖掘機(jī)進(jìn)行研究，選用的壓力傳感器的工作范圍要大于32 MPa。選用西德福P33S3B086002壓力變送器作為工況信息采集裝置，其測(cè)量范圍為0～40 MPa。

2.2.3 電路圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的工況采集電路采用3條相同數(shù)據(jù)采集通道，依次采集鏟斗油缸、斗桿油缸和動(dòng)臂油缸的側(cè)壓力信息，然后由單片機(jī)對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。圖2為工況采集電路。

圖2 工況采集電路

單片機(jī)首先要對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后輸出控制信號(hào)，最后通過(guò)功率控制電路對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)工作裝置功率自動(dòng)調(diào)節(jié)，圖3為控制電路圖。

圖3 功率控制電路圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 主程序系統(tǒng)

液壓挖掘機(jī)工作裝置功率調(diào)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)剛開(kāi)始工作是處于怠速模式 (即功率模式D)，通常情況系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入功率調(diào)節(jié)自動(dòng)控制模式 (即自動(dòng)模式)進(jìn)行功率自動(dòng)調(diào)節(jié)，如果操作人員對(duì)液壓挖掘機(jī)的操作技巧非常熟練可直接通過(guò)按鍵進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。(有鍵按下指的是在自動(dòng)模式和人工模式中選擇哪種模式。)主程序流程圖如圖4所示。

2.3.2 初始化子程序流程圖

液壓挖掘機(jī)剛開(kāi)始工作時(shí)，系統(tǒng)處于怠速模式(即功率模式D)，無(wú)報(bào)警，顯示默認(rèn)自動(dòng)模式。初始化子程序流程圖如圖5所示。

圖4 主程序流程圖

圖5 初始化子程序流程圖

2.3.3 自動(dòng)模式子程序設(shè)計(jì)

壓力變送器對(duì)壓力信息進(jìn)行采集并送入單片機(jī)進(jìn)行處理，然后根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行越界判斷和處理或者進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，最后通過(guò)LCD1602對(duì)目前的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，自動(dòng)模式子程序流程如圖6所示。

2.3.4 人工模式子程序設(shè)計(jì)

按鍵被按下才能進(jìn)入人工模式，然后通過(guò)按鍵處理的結(jié)果進(jìn)行功率控制，最后通過(guò)LCD1602對(duì)目前的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，人工模式子程序流程如圖7所示。

圖6 自動(dòng)模式子程序流程圖

3 建模與仿真

圖7 人工模式子程序流程圖

對(duì)6種自動(dòng)模式進(jìn)行調(diào)試與仿真，以下為自動(dòng)模式下的H模式的仿真結(jié)果，當(dāng)一組信息 (依次采集鏟斗油缸、斗桿油缸和動(dòng)臂油缸的側(cè)壓力)中最大值在 (28.8，32］MPa時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)模式下的H功率模式。由于系統(tǒng)沒(méi)有在液壓挖掘機(jī)上進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，所以在進(jìn)行軟件仿真時(shí)可以設(shè)定一組與H模式相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù):Data1=28.8 MPa，Data2=32 MPa，Data3=25.6 MPa。此時(shí)輸入為一組經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，輸出涉及三種狀態(tài):進(jìn)行功率模式H的控制，顯示當(dāng)前工況。這個(gè)過(guò)程主要涉及單片機(jī)的變量P0口、P1口和P2口，其理論變化過(guò)程應(yīng)該為:

P1口:0XE9(鏟斗油缸壓力信息)→0XFC(斗桿油缸壓力信息)→0XD6(動(dòng)臂油缸壓力信息)

P0口:0X63(上一個(gè)狀態(tài))→0X6B(功率鎖存)→0XE3(顯示鎖存)

P2口:0XCD(功率控制)→……→0X48(顯示)

自動(dòng)模式下的H功率模式仿真圖如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 H功率模式P1口仿真圖

圖9 H功率模式P0口仿真圖

圖10 H功率模式P2口仿真

通過(guò)對(duì)上述模式的仿真，不難看出當(dāng)外界工況發(fā)生變化時(shí)，該自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠較好地與之匹配，及時(shí)對(duì)調(diào)速裝置發(fā)出控制信號(hào)，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，使其較好適應(yīng)當(dāng)下工況。從而完成對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置多模式的功率自動(dòng)控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)的液壓挖掘機(jī)需要進(jìn)行人工調(diào)節(jié)功率而導(dǎo)致的主觀(guān)性大、工作強(qiáng)度高、工作效率低和節(jié)能性差等不足，設(shè)計(jì)出液壓挖掘機(jī)工作裝置多模式功率自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)仿真得出:該自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠較好地適應(yīng)外界負(fù)載的變化進(jìn)行工作模式自動(dòng)選擇，系統(tǒng)具有較高精度和靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)提高作業(yè)工作效率、減少系統(tǒng)能量損失、降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，最終提高整機(jī)性能。

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