余昊達(dá)

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

1 系統(tǒng)應(yīng)用背景

自卸車液壓系統(tǒng)過載或長(zhǎng)期使用后液壓系統(tǒng)管路容易爆裂，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致大箱失速下落，造成事故。同時(shí)由于自卸車重心高，當(dāng)貨物出現(xiàn)偏載時(shí)，車廂會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，扭轉(zhuǎn)變形的結(jié)果使偏載進(jìn)一步加劇，在這種情況下，液壓系統(tǒng)的舉升會(huì)加劇車輛的傾斜，當(dāng)超過安全傾斜角時(shí)，車輛將發(fā)生側(cè)翻[1]。

一些學(xué)者對(duì)自卸車液壓系統(tǒng)進(jìn)行了研究，王繼珧[2]研究了自卸車舉升作業(yè)時(shí)液壓油缸的位移、無(wú)桿腔和有桿腔油壓力隨時(shí)間變化的規(guī)律；何亞平[3]針對(duì)汽車相關(guān)液壓元件研發(fā)了一種分布式、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)檢測(cè)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。上述成果均沒有從根本上避免液壓系統(tǒng)的崩潰，且當(dāng)自卸車的液壓舉升系統(tǒng)發(fā)生崩潰時(shí)，無(wú)法及時(shí)地提供防御控制。蔡海龍[4]提出了一種礦用自卸車整車電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。朱舜[5]對(duì)自卸車的液壓舉升系統(tǒng)的主要組成元件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，該仿真模型為液壓舉升系統(tǒng)故障機(jī)理的研究提供了理論基礎(chǔ)。本文把企業(yè)的實(shí)際項(xiàng)目成果應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，搭建了包含液壓系統(tǒng)、車廂和底盤的簡(jiǎn)化自卸車模型，通過智能控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)，優(yōu)化自卸車的液壓控制系統(tǒng)，預(yù)防側(cè)翻，同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓泵的流量，防止管路爆裂。

2 控制系統(tǒng)的整體技術(shù)方案

本文根據(jù)企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的自卸車智能防側(cè)翻液壓控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。經(jīng)過壓力檢測(cè)判斷液壓系統(tǒng)流量需求，利用機(jī)械摩擦調(diào)速機(jī)構(gòu)控制齒輪泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)輸出流量，在滿足流量需求的情況下，減少因溢流造成的油源發(fā)熱和能源損失。全程監(jiān)測(cè)并記錄自卸車工作過程的工況參數(shù)、包括液壓系統(tǒng)壓力變化、整車及車廂相對(duì)于水平地面的傾斜角度變化?；跈z測(cè)數(shù)據(jù)，控制單元對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)可能出現(xiàn)的壓力過載、油管爆裂等故障做出判斷；同時(shí)對(duì)自卸車卸載過程中，由于停放路面不平、路基松軟、車載貨物流動(dòng)導(dǎo)致的偏載，以及自卸車油缸長(zhǎng)期使用后發(fā)生偏磨和彎曲變形等原因可能導(dǎo)致的側(cè)翻事故進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)出現(xiàn)上述故障傾向時(shí)，控制單元及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并同時(shí)采取相應(yīng)的控制措施，例如停止液壓油缸的舉升、切斷油缸的回油管路、停止液壓泵工作等，以防止上述故障的發(fā)生，從而減少損失。記錄的工況參數(shù)長(zhǎng)久保存，需要時(shí)通過協(xié)議通信的方式讀出，利用記錄的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行事故鑒定、事故原因分析、產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)等。該液壓控制系統(tǒng)由電氣控制單元、液壓油箱、液壓泵、舉升閥、氣控閥、電控?fù)Q向閥、機(jī)械摩擦調(diào)速裝置和油缸組成，電氣控制單元又包含了單片機(jī)、壓力傳感器、傾角傳感器、存儲(chǔ)器、顯示器和接口電路，調(diào)速裝置由摩擦式無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)器和伺服電機(jī)組成。

3 智能控制單元設(shè)計(jì)

如圖1所示，壓力傳感器5、傾角傳感器4的信號(hào)輸出端經(jīng)接口電路接入單片機(jī)8，隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器通過總線與單片機(jī)8相連，顯示器10經(jīng)接口電路連接到單片機(jī)8。伺服電機(jī)11與摩擦式無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)器相連，用于調(diào)節(jié)液壓泵的流量。壓力傳感器5檢測(cè)液壓系統(tǒng)壓力并將其轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)輸送到單片機(jī)。電氣控制單元包含兩個(gè)傾角傳感器，分別安裝在自卸車大箱前端頂部和自卸車底盤之上，分別檢測(cè)車廂的傾角和自卸車底盤的傾角，以識(shí)別側(cè)傾是由路面原因還是由偏載或液壓油缸故障原因所引起。圖1中，1為放大電路，2為光電耦合器，3為中間繼電器，4為傾角傳感器，5為壓力傳感器，6、7為外圍接口電路，8為單片機(jī)，9為控制開關(guān)，10為數(shù)碼顯示器，11為伺服電機(jī)。

圖1 控制單元電氣原理圖

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)如圖2所示，電控氣閥16串聯(lián)在液壓系統(tǒng)的氣控回路中，用于當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到自卸車有側(cè)翻傾向時(shí)，自動(dòng)切換舉升閥17閥芯的工作位置。電控氣閥21串聯(lián)在液壓系統(tǒng)的氣控回路中，在自卸車液壓系統(tǒng)工作壓力出現(xiàn)異常時(shí)，自動(dòng)斷開分動(dòng)箱控制氣路，停止液壓泵工作。安裝在自卸車大廂前端頂部和自卸車底盤上的傾角傳感器，獨(dú)立識(shí)別自卸車整車和大廂傾斜角度變化，一旦判斷自卸車有側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)，電控氣閥16控制舉升閥17閥芯回到中位工作，停止舉升過程并使舉升油缸14進(jìn)入保壓狀態(tài)。單片計(jì)算機(jī)通過壓力傳感器監(jiān)控液壓系統(tǒng)的工作壓力，并根據(jù)事先擬定的控制策略，控制伺服電機(jī)調(diào)節(jié)摩擦式變速調(diào)節(jié)器18的摩擦輪22，從而對(duì)調(diào)節(jié)摩擦式變速調(diào)節(jié)器18輸出端的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)液壓泵流量的調(diào)節(jié)控制，其中調(diào)速機(jī)構(gòu)如圖3所示。電控氣閥16和電控氣閥21串聯(lián)在液壓系統(tǒng)的氣控回路中，當(dāng)自卸車液壓系統(tǒng)由于某種原因崩潰時(shí)，電控氣閥16控制舉升閥17閥芯回到中位工作，防止自卸車大廂失速下落，同時(shí)當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力超過額定工作壓力某個(gè)限值時(shí)，電控氣閥21切斷分動(dòng)箱19的氣動(dòng)控制回路，停止液壓泵的工作，以防止液壓系統(tǒng)發(fā)生崩潰、液壓管爆裂。分動(dòng)箱的離合由手控氣閥12控制，大箱的舉升和下落由手控氣閥13控制。圖2中，12、13為手控氣閥，14為油缸，15為限位閥，16為電控氣閥，17為舉升閥，18為摩擦式無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)器，19為分動(dòng)箱，20為液壓泵，21為電控?fù)Q向閥。圖3中，22為無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)器摩擦輪。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

圖3 調(diào)速機(jī)構(gòu)原理圖

5 液壓控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

當(dāng)液壓系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)時(shí)，各控制閥處于待工作狀態(tài)。當(dāng)自卸車進(jìn)行舉升作業(yè)時(shí)，使手控氣閥12閥芯工作在右位，分動(dòng)箱19的控制氣路與氣源接通，分動(dòng)箱接合，液壓泵開始工作，此時(shí)液壓油經(jīng)油箱、液壓泵、單向閥、舉升閥17中位和過濾器流回油箱，由于沒有液壓油進(jìn)入舉升油缸，舉升油缸保持靜止不動(dòng)。若使手控閥13閥芯工作在右位，壓縮空氣推動(dòng)舉升閥17閥芯向左運(yùn)動(dòng)，使其閥芯工作在右位，則液壓油經(jīng)舉升閥17進(jìn)入舉升油缸14的下腔，推動(dòng)油缸活塞向上伸出，舉升到位后，限位閥15動(dòng)作，切斷舉升閥17右側(cè)控制與氣源的通路，并使之與大氣相通，舉升閥17的閥芯回到中位工作，舉升油缸14保壓，若使手控閥13閥芯工作在左位，壓縮空氣推動(dòng)舉升閥18閥芯向右運(yùn)動(dòng)，使其閥芯工作在左位，舉升閥17使舉升油缸14的回油路導(dǎo)通，油缸中的液壓油經(jīng)舉升閥17流回油箱，液壓缸在重力作用下下落。在液壓缸舉升的過程中，當(dāng)控制單元監(jiān)測(cè)到自卸車有側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)使中間繼電器J1吸合，電控氣閥16得電，切斷舉升閥17右側(cè)控制與氣源的通路，并使之與大氣相通，舉升閥17的閥芯在彈簧的作用下，回到中位，油缸保持不動(dòng)。當(dāng)控制單元監(jiān)測(cè)到自卸車側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)排除時(shí)，控制中間繼電器J1斷開，電控氣閥16失電，氣路再次接通，油缸繼續(xù)舉升。在液壓缸舉升的過程當(dāng)中，當(dāng)控制單元監(jiān)測(cè)到液壓系統(tǒng)突然失壓，判斷油管可能爆裂時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)使中間繼電器J1、J2同時(shí)吸合，電控氣閥16得電，切斷氣路，舉升閥的閥芯在彈簧的作用下，回到中位，油缸保持不動(dòng)。同時(shí)電控氣閥21吸合，切斷分動(dòng)箱控制氣路，油泵停止工作。當(dāng)計(jì)算機(jī)控制單元監(jiān)測(cè)到液壓系統(tǒng)內(nèi)部壓力達(dá)到額定壓力時(shí)，控制伺服電機(jī)通過摩擦式無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)器逐步減小油泵的轉(zhuǎn)速，減少輸出的流量；當(dāng)?shù)陀陬~定壓力限值時(shí)，控制伺服電機(jī)通過摩擦式無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)器逐步增加油泵的轉(zhuǎn)速，以增加輸出的流量，在滿足流量要求的條件下保持恒定的壓力，減少溢流能量損耗。

6 實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

首先，向?qū)W生講解實(shí)驗(yàn)的需求背景以及內(nèi)容和項(xiàng)目的解決方案。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是驗(yàn)證自卸車車廂舉升過程中由于偏載或橫向干擾力作用致使車輛有傾覆危險(xiǎn)時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)能否實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、判斷并及時(shí)發(fā)出控制指令，停止舉升過程，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，記錄舉升過程中的各種相關(guān)參數(shù)，如液壓系統(tǒng)的油路壓力、車廂及底盤的傾斜角度等。其次做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，檢查實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地是否有安全隱患，確保人、財(cái)、物及設(shè)備的安全，確保液壓系統(tǒng)沒有跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象。開始實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生必須詳細(xì)了解液壓系統(tǒng)和氣控系統(tǒng)中各個(gè)元件在自卸車車廂舉升和卸載過程中的作用與操作方法，以及實(shí)驗(yàn)的操作流程及相關(guān)注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)先給系統(tǒng)上電，啟動(dòng)液壓油泵，觀察油路壓力、車廂及底盤傾角是否有異常，沒有異?，F(xiàn)象后可以通過電氣控制部分進(jìn)行油路最大壓力、車廂及底盤最大傾角等警戒參數(shù)設(shè)置，以及在舉升過程中設(shè)置參數(shù)模擬偏載情況或橫向干擾力等，完成各類參數(shù)設(shè)置后即可開始進(jìn)行舉升實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中觀察參數(shù)變化后的系統(tǒng)報(bào)警變化等；讓模擬自卸車模型在不同傾斜角度的路面上，記錄油缸舉升后的車廂的舉升角度和側(cè)翻的預(yù)警角度變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按報(bào)警后的復(fù)位按鈕，車廂自動(dòng)復(fù)位；通過USB接口讀取舉升過程中的數(shù)據(jù)，分析在不同傾斜角度上側(cè)傾角控制的變化；學(xué)生可以通過再次設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)一步強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，反復(fù)對(duì)車輛角度、側(cè)傾角進(jìn)行PID控制，加深對(duì)側(cè)傾預(yù)警角度的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)控的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)時(shí)舉升速度要先放低，再做較高速度的實(shí)驗(yàn)，車廂、底盤的傾斜角度也應(yīng)先實(shí)驗(yàn)較小的傾斜角度，再實(shí)驗(yàn)較大的傾斜角度，偏載或橫向干擾力的施加也需遵循上述原則，以確保實(shí)驗(yàn)的安全進(jìn)行。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)自卸車作業(yè)穩(wěn)定性和側(cè)傾控制的企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的自卸車智能防側(cè)翻液壓控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。采用智能傳感技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量自卸車傾斜角的變化，并通過對(duì)控制系統(tǒng)的分析、計(jì)算發(fā)現(xiàn)傾斜角的變化趨勢(shì)，及時(shí)采取措施或發(fā)出報(bào)警。通過此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可以深入了解液壓系統(tǒng)在自卸車車廂舉升過程中的作用，并掌握液壓系統(tǒng)的測(cè)試和控制技術(shù)?！?/p>