曹建偉　江杰

【摘 要】礦用輪式裝載機(jī)使用條件為：實(shí)行常年作業(yè)，每天三班，每班8小時(shí)連續(xù)作業(yè)，用于露天煤礦輔助選采及與220噸級(jí)自卸車配合用于巖石剝離。本文對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了控制，包括轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，控制系統(tǒng)的邏輯原理以及整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。最后完成了L型前裝機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】L型前裝機(jī)；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；閉環(huán)控制系統(tǒng)

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，采礦設(shè)備的發(fā)展日新月異，世界上采礦設(shè)備生產(chǎn)巨頭們像卡特彼勒、小松、久益環(huán)球、利勃海爾等公司紛紛推出自己的各種新產(chǎn)品，這些新的產(chǎn)品共同的特點(diǎn)是不斷涌現(xiàn)出新結(jié)構(gòu)和新元件時(shí)還廣泛應(yīng)用新的控制技術(shù)，技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)在于增加產(chǎn)品的電、液技術(shù)含量，應(yīng)運(yùn)更先進(jìn)的電氣、液壓控制系統(tǒng)和更先進(jìn)、靈敏的原件來實(shí)現(xiàn)對(duì)操作的優(yōu)化。現(xiàn)在越來越多的控制技術(shù)和控制理論開始應(yīng)運(yùn)到前裝機(jī)上，如變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器控制技術(shù)等，這些技術(shù)的應(yīng)用在控制精確度和效率上使前裝機(jī)達(dá)到了一個(gè)前所未有的高度。

節(jié)能減排技術(shù)將是未來裝載機(jī)行業(yè)的發(fā)展方向[1]，更是采礦設(shè)備行業(yè)的發(fā)展方向。節(jié)能減排是個(gè)世界性的大課題，對(duì)于以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ吹那把b機(jī)來說，這不僅因?yàn)楣?jié)能和減排本身就是一對(duì)兒矛盾，而且還要考慮產(chǎn)品的性價(jià)比與可靠性。節(jié)能減排不僅僅關(guān)乎發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)、液壓和電控等系統(tǒng)，這是一個(gè)綜合性的課題。對(duì)于裝載機(jī)來說，合理的工作裝置設(shè)計(jì)可以提高作業(yè)效率，減小作業(yè)阻力，降低油耗，但是控制系統(tǒng)的合理、先進(jìn)設(shè)計(jì)同樣對(duì)節(jié)能減排起巨大的作用。

本次選題準(zhǔn)備以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)為例來說明裝載機(jī)目前的自動(dòng)化控制水平和將來的發(fā)展方向。為了保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)平穩(wěn)、快速的運(yùn)轉(zhuǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了本選題的電氣控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)，在對(duì)各種電氣和液壓元件控制方法的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析的基礎(chǔ)上，提出了L1150型前裝機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)的選題。希望通過我們的研究能把前裝機(jī)目前的自動(dòng)控制技術(shù)提高到一個(gè)新的高度。

1 L型前裝機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體模型設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向是電液控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)。則轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由上述結(jié)構(gòu)圖可以得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為以下三部分組成，其中G1（S）是電氣系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，G2（S）是電液比例控制閥占空比對(duì)換向閥流量的傳遞函數(shù)，G3（S）是液壓系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，如圖2所示：

所以本論文的設(shè)計(jì)分為倆部分，一部分為電氣控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，另一部分為液壓控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2 L型前裝機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電氣控制是當(dāng)操作手柄給左轉(zhuǎn)向命令時(shí)，操作手柄移動(dòng)被轉(zhuǎn)換成CAN信息。CAN全稱為Controller Area Network即控制器局域網(wǎng)[2]，CAN總線是國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。由操作手柄輸出轉(zhuǎn)向命令值輸入到控制器，控制器接收到輸入信號(hào)后輸出PWM脈沖信號(hào)給控制閥，控制執(zhí)行元件動(dòng)作。轉(zhuǎn)向位置傳感器隨時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)向的位置角度并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)反饋給VCU，和操作手柄的給定值比較以便進(jìn)一步的控制。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，所謂反饋控制系統(tǒng)，就是指根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進(jìn)行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。L型前裝機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電氣控制控制結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 液壓控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓技術(shù)的發(fā)展[3]，可追溯到 17 世紀(jì)帕斯卡提出了著名的帕斯卡定律，開始奠定了流體靜壓傳動(dòng)的理論基礎(chǔ)。液壓系統(tǒng)：液壓油從油箱流入轉(zhuǎn)向泵的入口。轉(zhuǎn)向泵輸出液壓壓力油經(jīng)控制閥和流量放大器后流入轉(zhuǎn)向油缸，轉(zhuǎn)向油缸動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。通過負(fù)載感知把負(fù)載的壓力分別反饋回控制閥和轉(zhuǎn)向泵，反饋回控制閥的壓力油與給定值比較后進(jìn)一步控制方向閥芯的開口大小從而進(jìn)一步的控制壓力油流向轉(zhuǎn)向油缸的流量。由于液壓系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)容易發(fā)熱，為了節(jié)省功率和減少發(fā)熱量負(fù)載反饋的壓力油同時(shí)反饋給轉(zhuǎn)向泵，從而可以控制轉(zhuǎn)向泵斜盤角度，進(jìn)一步控制轉(zhuǎn)向泵的輸出功率。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，所謂反饋控制系統(tǒng)，就是指根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進(jìn)行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號(hào)前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，兩者組成一個(gè)閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動(dòng)控制的主要形式。在工程上常把在運(yùn)行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統(tǒng)稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而把用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某種過程的反饋控制系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)。L型前裝機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓控制控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓控制結(jié)構(gòu)圖

3 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的測(cè)試和分析

把設(shè)備所有的電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)以及其他的結(jié)構(gòu)件等安裝調(diào)試完成后，啟動(dòng)設(shè)備做了左轉(zhuǎn)向、無轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向等的一系列空載、有載測(cè)試，空載測(cè)試是指設(shè)備沒有裝載并處于平整的地面上，有載是指設(shè)備處于裝載的工作狀態(tài)，并處于工況不是很好的環(huán)境下，測(cè)試結(jié)果見表1所示。（下轉(zhuǎn)第287頁）

從表1中的測(cè)試結(jié)果可以看到當(dāng)有禁止?fàn)顟B(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)向接口卡無輸出。當(dāng)發(fā)出左轉(zhuǎn)向命令的時(shí)候，轉(zhuǎn)向接口卡輸出的電壓為12V-18V；當(dāng)操作手柄處于中位時(shí)轉(zhuǎn)向接口卡的輸出為12V；當(dāng)發(fā)出右轉(zhuǎn)向命令時(shí)轉(zhuǎn)向接口卡的輸出為6V-12V；這完全符合當(dāng)初設(shè)計(jì)的期望值，在進(jìn)一步的測(cè)試中該電路輸出穩(wěn)定、可靠符合要求。

4 結(jié)論

本論文的設(shè)計(jì)以L型前裝機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為主題，主要包括電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)倆部分。電氣系統(tǒng)采用LINCS II控制系統(tǒng)，由操作手柄通過CAN控制系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)向命令通過數(shù)字接口卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后輸入到VCU（VECHICLE CONTROL UNIT） VCU接受到信號(hào)后發(fā)出PWM輸出信號(hào)給數(shù)字接口卡的轉(zhuǎn)向接口卡通道，然后再傳輸?shù)絇VG32先導(dǎo)控制閥控制液壓系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向位置傳感器隨時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)向的位置角度并反饋給VCU和給定值比較以便進(jìn)一步的控制。液壓系統(tǒng)采用電液比例先導(dǎo)控制，液壓油從油箱流入轉(zhuǎn)向泵的入口，液壓壓力油從泵流過高壓過濾器后到達(dá)流量放大器閥（Danfoss） 的HP口。當(dāng)有轉(zhuǎn)向命令時(shí)PVG32先導(dǎo)控制閥控制先導(dǎo)油推動(dòng)流量放大器的方向閥芯后從泵出來的油經(jīng)流量放大閥芯被導(dǎo)向轉(zhuǎn)向油缸從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]皮鈞.工程機(jī)械的技術(shù)發(fā)展方向[J].工程機(jī)械，2012（11）：27-30.

[2]楊洪.基于CAN總線的控制系統(tǒng)及應(yīng)用研究[D].華僑大學(xué)，2014.

[3]官忠范.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2012（1）.

[責(zé)任編輯：田吉捷]