劉登科，李中才，伍榮偉，涂曉丹

（上海三一重機(jī)股份有限公司 中挖研究院，江蘇 昆山 215300）

挖掘機(jī)體積質(zhì)量較大，屬于大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量機(jī)械裝備［1］。為了防止挖掘機(jī)在傾斜路面因自身重力回轉(zhuǎn)，以及外界環(huán)境風(fēng)力等因素而引起的自行回轉(zhuǎn)，確保其在停車時(shí)的平穩(wěn)性和操作時(shí)的可靠性，必須考慮回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)［2］。液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一般由高速柱塞馬達(dá)和行星減速機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成，對其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)本質(zhì)上是對液壓柱塞馬達(dá)的制動(dòng)。而由于液壓系統(tǒng)的密封泄漏，單純的液壓制動(dòng)不能進(jìn)行長時(shí)間可靠的限位制動(dòng)，必須考慮機(jī)械制動(dòng)［3］。

1 回轉(zhuǎn)馬達(dá)機(jī)械制動(dòng)的理論基礎(chǔ)

液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械制動(dòng)由機(jī)械制動(dòng)器完成，其主要部件如圖1所示。摩擦片的內(nèi)花鍵套裝在液壓馬達(dá)缸體的外花鍵上，分離片的齒牙鑲嵌在馬達(dá)殼體的齒槽中。液壓馬達(dá)殼體內(nèi)部的摩擦片和分離片交疊安裝，非工作情況下，制動(dòng)彈簧產(chǎn)生的壓緊力通過制動(dòng)活塞的傳遞，使摩擦片和分離片緊緊擠壓在一起，并由此產(chǎn)生足夠的摩擦力克服馬達(dá)的回轉(zhuǎn)力矩，起到機(jī)械制動(dòng)的作用?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)機(jī)械制動(dòng)時(shí)，為了防止機(jī)械制動(dòng)器彈簧上閘制動(dòng)過猛，避免制動(dòng)時(shí)齒圈、齒輪件的沖擊損壞，挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械制動(dòng)必須在液壓制動(dòng)之后的一小段時(shí)間（延遲5s左右）實(shí)施［4］。

圖1 回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)器組件構(gòu)成

2 兩種常用的機(jī)械制動(dòng)延遲控制方法

2.1 液壓控制

常用的一種液壓控制的延遲制動(dòng)方法原理如圖2所示，延遲控制由液壓馬達(dá)上自帶的延遲閥完成。延遲閥結(jié)構(gòu)內(nèi)部由一個(gè)兩位三通換向閥和一個(gè)流量閥組成。當(dāng)執(zhí)行回轉(zhuǎn)操作時(shí)，制動(dòng)解除壓力信號(hào)Px有效，先導(dǎo)齒輪泵供油由PG口進(jìn)入制動(dòng)缸小腔，推動(dòng)制動(dòng)活塞壓縮制動(dòng)彈簧進(jìn)行制動(dòng)松閘。當(dāng)執(zhí)行回轉(zhuǎn)止停時(shí)，Px無效，兩位三通換向閥由彈簧推動(dòng)復(fù)位，使制動(dòng)液壓缸小腔回油通過流量閥；流量閥可使回油保持在一個(gè)很小范圍內(nèi)波動(dòng)的流量，從而使制動(dòng)缸中的先導(dǎo)油液較為緩慢均勻的回油，產(chǎn)生較為穩(wěn)定的制動(dòng)延遲時(shí)間［4］。

圖2 液壓控制的機(jī)械制動(dòng)延遲原理圖

2.2 電器控制

電器控制回路構(gòu)成的制動(dòng)延遲方法中，由定時(shí)繼電器產(chǎn)生延遲效果，其控制原理如圖3所示。當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行回轉(zhuǎn)止停動(dòng)作時(shí)，液壓開關(guān)處的回轉(zhuǎn)先導(dǎo)壓力消失，液壓開關(guān)斷開，但兩位三通電磁閥仍處于得電狀態(tài)，先導(dǎo)油源仍進(jìn)入制動(dòng)缸小腔，保持松閘狀態(tài)；在控制電路中的定時(shí)繼電器達(dá)到定時(shí)時(shí)間，電路開路，兩位三通電磁閥斷電，制動(dòng)缸小腔油液回油箱，實(shí)施上閘制動(dòng)。

圖3 電器控制的機(jī)械制動(dòng)延遲原理圖

3 基于程序控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械制動(dòng)延遲的控制方法

以上兩種常用方法存在的不足之處：對于液壓控制方法而言，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高，延時(shí)精度較差；對于電器控制方法而言，單獨(dú)增加了延時(shí)用的電器控制電路，精度受電流影響，可靠性較差。

為此，筆者及所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種電子控制方法及實(shí)施裝置。該方法可利用電控手柄發(fā)出的回轉(zhuǎn)制動(dòng)信號(hào)作為判斷依據(jù)，由挖掘機(jī)控制器CPU接收判斷后，執(zhí)行設(shè)定的延時(shí)程序，然后發(fā)出延時(shí)信號(hào)到先導(dǎo)電磁閥（兩位三通），并可達(dá)到簡化回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及回轉(zhuǎn)制動(dòng)的液壓先導(dǎo)控制回路，提高挖掘機(jī)電控集成性的效果。其方案原理如圖4所示。

在圖4中，當(dāng)電控手柄進(jìn)行回轉(zhuǎn)止停時(shí)，產(chǎn)生的電信號(hào)送到挖掘機(jī)控制器，再由控制器經(jīng)過設(shè)定的程序進(jìn)行延遲處理，最后發(fā)出控制信號(hào)到達(dá)多聯(lián)電磁閥A3位的兩位三通電磁閥，由此產(chǎn)生制動(dòng)延遲時(shí)間。該方案的延遲時(shí)間可由控制器中的延遲程序進(jìn)行參數(shù)修改，試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)暫定為延遲5s。

圖4 基于控制程序的機(jī)械制動(dòng)延遲原理圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

4.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證此種回轉(zhuǎn)馬達(dá)機(jī)械制動(dòng)延遲控制方法的有效性，于試驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了改裝調(diào)試及現(xiàn)場動(dòng)作確認(rèn)。驗(yàn)證時(shí)為了把握回轉(zhuǎn)馬達(dá)的狀況，設(shè)定獲取了回轉(zhuǎn)操作壓力、制動(dòng)解除壓力、馬達(dá)A/B油口壓力和回轉(zhuǎn)速度的數(shù)據(jù)，并區(qū)分了3種工況。

工況1為鏟斗空載，工作裝置全縮，對應(yīng)小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量姿態(tài)工況。試驗(yàn)得到的測試曲線如圖5所示。工況2為鏟斗空載水平內(nèi)收，工作裝置伸展到最遠(yuǎn)，對應(yīng)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量姿態(tài)工況。試驗(yàn)得到的測試曲線如圖6所示。

圖5 小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量姿態(tài)工況下的回轉(zhuǎn)止停測試曲線

圖6 大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量姿態(tài)工況下的回轉(zhuǎn)止停測試曲線

工況3為鏟斗負(fù)載水平內(nèi)收，工作裝置伸展到最遠(yuǎn)，對應(yīng)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量姿態(tài)+滿載土砂工況。試驗(yàn)得到的測試曲線如圖7所示。

圖7 大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量姿態(tài)+滿載土砂工況下的回轉(zhuǎn)止停測試曲線

4.2 結(jié)果確認(rèn)分析

（1）液壓制動(dòng)完成時(shí)間的確認(rèn)分析。挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)馬達(dá)的機(jī)械制動(dòng)必須在液壓制動(dòng)完成之后，所以延遲時(shí)間必須大于液壓制動(dòng)完成的時(shí)間是保證機(jī)械制動(dòng)合理有效的前提。由試驗(yàn)測試曲線可得：小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量姿態(tài)工況下的回轉(zhuǎn)止停液壓制動(dòng)完成時(shí)間為1.2s，大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量姿態(tài)工況下的回轉(zhuǎn)止停液壓制動(dòng)完成時(shí)間為3.0s，大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量姿態(tài)+滿載土砂工況下的回轉(zhuǎn)止停液壓制動(dòng)完成時(shí)間為3.2s。對于延遲5s的程序設(shè)定，滿足機(jī)械制動(dòng)的前提條件。

（2）解除制動(dòng)電磁閥的動(dòng)作確認(rèn)分析。通過電控手柄操作工作裝置，制動(dòng)解除壓為有效（4MPa左右），此時(shí)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械制動(dòng)為無效狀態(tài)；通過電控手柄操作回轉(zhuǎn)止停動(dòng)作，如設(shè)定的一致，在5s后制動(dòng)解除壓降低接近零值，此時(shí)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械制動(dòng)有效。

（3）復(fù)合操作時(shí)的制動(dòng)解除壓的確認(rèn)分析。挖掘機(jī)進(jìn)行復(fù)合操作時(shí)，先導(dǎo)齒輪泵輸出的先導(dǎo)液壓油被分配到多個(gè)閥芯，所以制動(dòng)油缸獲取不到足夠先導(dǎo)油液，以保證制動(dòng)解除壓的可能性。為此，驗(yàn)證了雙行走＋同時(shí)操作4個(gè)工作裝置（斗桿、動(dòng)臂、鏟斗、回轉(zhuǎn)）時(shí)的制動(dòng)解除壓，試驗(yàn)測試曲線如圖8所示。制動(dòng)解除壓力最小值為2.92MPa，經(jīng)確認(rèn)能確保在其樣本規(guī)定值2.7MPa以上，即說明在復(fù)合動(dòng)作中回轉(zhuǎn)馬達(dá)的機(jī)械制動(dòng)無效，可保證回轉(zhuǎn)馬達(dá)在復(fù)合動(dòng)作時(shí)不會(huì)發(fā)生回轉(zhuǎn)失效、卡停和動(dòng)作不到位的情況。

圖8 復(fù)合動(dòng)作時(shí)制動(dòng)解除壓的波動(dòng)曲線

5 結(jié)論

在液壓挖掘機(jī)電控智能化的發(fā)展趨勢下，本文所提出的挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)馬達(dá)機(jī)械制動(dòng)延遲控制方法，充分考慮了挖機(jī)上多聯(lián)電磁閥、電控手柄及控制器等電子元件的潛在功能，利用控制器程序?qū)崿F(xiàn)延遲功能；并通過樣機(jī)的現(xiàn)場改裝試驗(yàn)驗(yàn)證，可在合理時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生有效的機(jī)械制動(dòng)。此外，該延遲控制方法的實(shí)施，簡化了挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及液壓控制管路，是一種適應(yīng)挖掘機(jī)電控化趨勢的高效節(jié)約型延遲控制方式，具有廣泛的使用和借鑒價(jià)值。