【摘" 要】挖掘機(jī)最常見工況為挖掘循環(huán)，在挖掘循環(huán)中各執(zhí)行部件的協(xié)調(diào)性是挖掘機(jī)操控性的重要指標(biāo)。文章通過對(duì)各部件協(xié)同工作控制方式的研究，提出一種帶有動(dòng)臂下降復(fù)合動(dòng)作的協(xié)調(diào)性優(yōu)化控制策略，通過工況識(shí)別及基于動(dòng)臂下降先導(dǎo)壓力的前饋控制，對(duì)動(dòng)作相關(guān)閥芯進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)帶有動(dòng)臂下降的復(fù)合動(dòng)作的協(xié)調(diào)控制，同時(shí)降低沖擊度。

【關(guān)鍵詞】全電控挖掘機(jī)；協(xié)調(diào)性；工況識(shí)別；前饋控制

中圖分類號(hào)：U469.79" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）04-0037-02

A Composite Action Control Method for Lowering the Driving Boom of

Fully Electronic Controlled Excavator

LI Wenhui，HU Yonghui，SUN Xiaopeng，HOU Xuanhui

（Electronic Control and Software Research Institute，Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】The most common working condition of excavators is the excavation cycle，in which the coordination of various executive components is an important indicator of excavator controllability. Based on the research on the cooperative work control mode of various components，this paper proposes a coordinated optimization control strategy for the composite action with boom falling. Through the recognition of working conditions and the feedforward control based on the pilot pressure of boom falling，the action-related spool is controlled to realize the coordinated control of the composite action with boom falling and reduce the impact.

【Key words】excavator；coordination；condition identification；feedforward control

挖掘機(jī)作為工程機(jī)械領(lǐng)域的重要機(jī)型之一，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中起著重要作用，其動(dòng)作的響應(yīng)性及平順性在滿足復(fù)雜的作業(yè)工況上顯得十分重要，挖掘循環(huán)作為挖掘機(jī)的主要運(yùn)行工況，其沖擊度、協(xié)調(diào)性也成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于復(fù)合動(dòng)作操控協(xié)調(diào)性的研究，有學(xué)者對(duì)帶有動(dòng)臂上升復(fù)合動(dòng)作的協(xié)調(diào)問題在策略上進(jìn)行優(yōu)化研究，也有基于閥芯設(shè)計(jì)的對(duì)動(dòng)臂加回轉(zhuǎn)復(fù)合工況的協(xié)調(diào)性研究，對(duì)于動(dòng)臂下降復(fù)合動(dòng)作的策略優(yōu)化研究較少。本文基于實(shí)際挖掘機(jī)整機(jī)調(diào)試中出現(xiàn)的在帶有動(dòng)臂下降的復(fù)合工況下，由于動(dòng)臂下降速度過快而產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的問題進(jìn)行分析，通過對(duì)液壓系統(tǒng)的研究，提出一種動(dòng)作協(xié)調(diào)性控制策略，解決此工況下挖機(jī)整體動(dòng)作的協(xié)調(diào)性問題，對(duì)挖機(jī)整機(jī)驗(yàn)證過程中的優(yōu)勢(shì)提升有重要意義。

1" 動(dòng)臂及斗桿控制原理

動(dòng)臂液壓回路由動(dòng)臂閥芯、動(dòng)臂油腔和負(fù)載等構(gòu)成，駕駛員通過手柄對(duì)動(dòng)臂動(dòng)作進(jìn)行控制，當(dāng)接收到駕駛員動(dòng)臂提升信號(hào)時(shí)，手柄信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓力信號(hào)再轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)對(duì)動(dòng)臂閥芯進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂油腔的無桿腔進(jìn)油、有桿腔回油。同理，當(dāng)接收到動(dòng)臂下落的信號(hào)時(shí)，通過閥芯控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂油腔的無桿腔回油及有桿腔進(jìn)油。

斗桿控制方式與動(dòng)臂基本相同。

2" 動(dòng)臂下降加斗桿外翻協(xié)調(diào)性控制策略設(shè)計(jì)

根據(jù)手柄先導(dǎo)壓力對(duì)各動(dòng)作閥芯開度進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)對(duì)各動(dòng)作供油的同時(shí)，根據(jù)手柄動(dòng)作所產(chǎn)生的先導(dǎo)壓力進(jìn)行工況識(shí)別，通過工況預(yù)測(cè)對(duì)復(fù)合動(dòng)作下的各部件閥的動(dòng)作及動(dòng)臂進(jìn)油閥的控制實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作的協(xié)調(diào)性。帶有動(dòng)臂下降的復(fù)合動(dòng)作協(xié)調(diào)控制流程如圖1所示。

2.1" 泵的流量計(jì)算

為準(zhǔn)確計(jì)算當(dāng)前動(dòng)作所需的需求流量值，根據(jù)駕駛員對(duì)手柄動(dòng)作的先導(dǎo)壓力px0，換算出作用在各執(zhí)行器上的先導(dǎo)壓力px后，進(jìn)行各動(dòng)作所需的流量計(jì)算。根據(jù)先導(dǎo)壓力與流量的正相關(guān)關(guān)系，由先導(dǎo)壓力px計(jì)算各動(dòng)作所需的需求流量Qx，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算泵的總的需求流量Q。其中，x表征不同的動(dòng)作，如動(dòng)臂上升、動(dòng)臂下降、斗桿外翻和鏟斗內(nèi)收等。

2.2" 工況識(shí)別

1）帶有動(dòng)臂下降動(dòng)作：當(dāng)檢測(cè)到動(dòng)臂下降先導(dǎo)壓力大于一定閾值，且作用在其它執(zhí)行器上的先導(dǎo)壓力最大值大于一定閾值時(shí)，判斷為帶有動(dòng)臂下降的復(fù)合工況。

2）撐地動(dòng)作預(yù)測(cè)：挖掘機(jī)多由2個(gè)泵同時(shí)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供油，當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前泵1或泵2壓力大于一定閾值時(shí)，預(yù)測(cè)當(dāng)前處于撐地工況。

2.3" 閥芯控制

1）動(dòng)臂電磁閥驅(qū)動(dòng)電流計(jì)算。根據(jù)駕駛員對(duì)先導(dǎo)手柄的操作，計(jì)算作用在動(dòng)臂閥芯上的先導(dǎo)壓力，根據(jù)動(dòng)臂閥的壓力電流特性曲線計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)閥芯所需的電流i0。該電流經(jīng)過Ramp后得到最終作用在電磁閥上的電流值iv?？紤]到挖機(jī)作業(yè)工況的復(fù)雜性，當(dāng)駕駛員有快速停止動(dòng)作或者快速動(dòng)作切換時(shí)，根據(jù)駕駛員對(duì)手柄的操作，分工況對(duì)電磁閥開啟及關(guān)閉的速度進(jìn)行控制，即根據(jù)不同的作業(yè)工況，分別計(jì)算Ramp值的修正系數(shù)fac，再根據(jù)如下公式計(jì)算iv：

iv = i0 ± Ramp × fac

經(jīng)上式計(jì)算的電流值經(jīng)過上下限值后得到最終作用在電磁閥上的驅(qū)動(dòng)電流。

2）動(dòng)臂進(jìn)油閥控制。在動(dòng)臂下降動(dòng)作與其它動(dòng)作復(fù)合時(shí)，若直接關(guān)斷動(dòng)臂閥芯實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂進(jìn)油回路的切斷，很可能會(huì)產(chǎn)生動(dòng)臂速度的突變或沖擊，給駕駛員不好的駕駛體驗(yàn)，因此本文通過加裝動(dòng)臂進(jìn)油閥實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的協(xié)調(diào)。

當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前工況為帶有動(dòng)臂下降的復(fù)合工況，此時(shí)限制動(dòng)臂進(jìn)油閥的開度，減少動(dòng)臂有桿腔的進(jìn)油，降低動(dòng)臂下降速度，實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作的協(xié)調(diào)，但在撐地工況下，由于需要克服很大的外負(fù)載力，需要對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行供油以實(shí)現(xiàn)撐車的功能，故引進(jìn)撐地工況判斷。當(dāng)處于撐地工況時(shí)，不對(duì)動(dòng)臂進(jìn)油閥閥芯電流進(jìn)行控制，讓更多的流量可以給動(dòng)臂油缸供油。同時(shí)，為使帶有動(dòng)臂下降的復(fù)合動(dòng)作可以在各種先導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)動(dòng)作協(xié)調(diào)的自適應(yīng)，引入前饋控制，其控制原理圖如圖2所示。

在帶有動(dòng)臂下降復(fù)合動(dòng)作下計(jì)算動(dòng)臂進(jìn)油閥的控制電流ibomi0的基礎(chǔ)上，根據(jù)動(dòng)臂下降的先導(dǎo)壓力信號(hào)作為前饋擾動(dòng)信號(hào)，對(duì)動(dòng)臂進(jìn)油閥閥芯的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行修正：

ibomi = k（p）ibomi0 + δ

式中：ibomi——最終計(jì)算的動(dòng)臂進(jìn)油閥驅(qū)動(dòng)電流；k——修正系數(shù)；p——?jiǎng)颖巯陆底飨葘?dǎo)壓力；δ——偏移量。

通過控制動(dòng)臂進(jìn)油閥的驅(qū)動(dòng)電流，控制動(dòng)臂進(jìn)油量，實(shí)現(xiàn)帶有動(dòng)臂下降復(fù)合動(dòng)作的協(xié)調(diào)性，同時(shí)不產(chǎn)生沖擊。

3" 策略結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，通過動(dòng)臂進(jìn)油閥的加裝及基于工況識(shí)別的閥芯控制方法，可有效解決動(dòng)臂下降與其它動(dòng)作復(fù)合時(shí)的動(dòng)作不協(xié)調(diào)問題，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生沖擊問題，在動(dòng)臂下降單動(dòng)作時(shí)，也不會(huì)對(duì)動(dòng)臂下降速度及性能有負(fù)面影響。驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示，可以看出，帶有動(dòng)臂下降的復(fù)合動(dòng)作時(shí)，動(dòng)臂進(jìn)油閥關(guān)閉，減少動(dòng)臂的進(jìn)油，實(shí)現(xiàn)控制的協(xié)調(diào)性。

4" "結(jié)論

本文通過減少動(dòng)臂下降時(shí)動(dòng)臂油缸的進(jìn)油量，降低動(dòng)臂下降速度，實(shí)現(xiàn)帶有動(dòng)臂下降的復(fù)合動(dòng)作的協(xié)調(diào)性。為避免動(dòng)臂下降速度突變或產(chǎn)生沖擊，引入動(dòng)臂進(jìn)油閥，通過動(dòng)臂進(jìn)油閥的控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)作協(xié)調(diào)性的目的，同時(shí)引入工況識(shí)別及前饋控制，使該策略達(dá)到自適應(yīng)的目的。該方法在有效調(diào)節(jié)動(dòng)臂下降與其它動(dòng)作協(xié)調(diào)性的同時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生其它速度突變等問題，同時(shí)動(dòng)臂進(jìn)油閥的加裝可在不同負(fù)載下控制動(dòng)臂閥芯的進(jìn)油速度及進(jìn)油量，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂動(dòng)作適應(yīng)負(fù)載協(xié)調(diào)控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐小龍，周宏兵，賀繼林，等. 液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂斗桿復(fù)合動(dòng)作協(xié)調(diào)性研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，38（6）：733-738.

[2] 王竹葉. 挖掘機(jī)動(dòng)臂上升速度緩慢的原因分析[J]. 建筑機(jī)械，2005（1）：78-79.

[3] 張德勝. 小型液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂與回轉(zhuǎn)平臺(tái)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2008.

[4] 胡洪，陳淑梅，陳傳銘，等. 中高壓多路閥局部流道壓力損失流動(dòng)計(jì)算[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，31（5）：428-433.

[5] 黃宗益，葉偉，李興華. 液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)概述[J]. 建筑機(jī)械化，2003（9）：12-16.

（編輯" 楊凱麟）