推土機鏟刀升降微機控制系統探析

蔡孝敏

（鞍鋼建設集團有限公司，遼寧 鞍山 114002）

1 引言

采用先進的微機控制技術提高工程機械的工作效率和作業質量，己成為我國工程機械技術開發的重點。隨著微電子技術和計算機基礎技術的發展，單片機系統在傳統機械自動化改造中起到了重大的作用。同樣，采用單片機為控制器的先進控制技術對傳統的推土機進行改造，使之在傳統的機械操縱的基礎上，能夠根據具體工況自動控制鏟刀的升降，有效的解決了推土機作業過程中存在的問題。

2 推土機鏟刀升降控制系統工作原理

推土機在進行鏟掘工作時，操作人員手動控制鏟刀強制切入土壤后，切換到自動控制位置。當切土深度發生變化時，推土機鏟刀受到的阻力也隨之發生變化，阻力變化的信號通過力傳感器傳給單片機組成的控制器，控制器控制電液比例換向閥，操縱鏟刀升降，適應外界載荷的變化。工作中，需根據推土機極限工況確定其工作阻力的上下極限值即確定鏟刀升降的臨界值，系統還需要根據這兩個極限值設定一個中間值中間區域來確定比例換向閥的開關和流量。當推土機受到的阻力大于等于上限值時，控制器控制電液換向閥打開，鏟刀上升。在鏟刀上升過程中，阻力不斷減小，當阻力減小到系統設定的中間值時，控制器控制比例換向閥切斷供油，使鏟刀提升油缸閉鎖，繼續鏟掘作業。同理，若推土機入土太淺使推土機受力小于下限值時，控制器則控制電液換向閥向反方向供油，實現鏟刀的下降，這樣即可實現鏟刀升降的自動控制。

3 推土機鏟刀升降微機控制系統方案設計

3.1 以發動機轉速作為控制信號

推土機在一定的工況下，發動機輸出功率一定時，鏟刀負荷增加，轉速下降反之，鏟刀負荷減小，轉速上升。所以選擇發動機轉速作為控制鏟刀升降的控制信號是一個可行方案，而且轉速信號具有易測量的優點。實際工作中轉速測量可用霍爾轉速傳感器采用計算形式測量，簡單、方便、快捷、實用。

3.2 推土機所受阻力作為控制信號

推土機在鏟掘作業中，鏟刀受到的推土阻力與鏟刀切土深度成正比，切土越深，阻力越大，故可以通過直接或間接測量推土機所受阻力的變化來控制推土機鏟刀升降。但是推土機在作業時受到的阻力相當復雜，有切削阻力、推土板前土堆運移阻力、鏟刀切削刃與地面摩擦阻力、土屑沿推土板面上升阻力、土屑沿推土板面側移阻力、作業阻力中行走阻力、坡道阻力、慣性阻力等。因此要選用推土機受力作為控制信號，對于選擇推土機的受力點，確定傳感器的安裝位置有較嚴格的要求。一、以推土機鏟刀作業部分受力作為控制信號推土機作業過程中，鏟刀直接與土壤作用，受力是最直接的，但由于推土機作業環境十分惡劣，常常伴有劇烈的振動，偶爾還會遇到石塊等硬物的沖擊，受力不穩定，給傳感器的選擇帶來不便，而且鏟刀的工作面是一條線切削刃，使傳感器的安裝也不方便，故這個方案不可行。二、以推土機頂推架支點受力作為控制信號推土機進行推土以及鏟掘作業時，主要靠頂推架提供推力行進，在頂推架支點受到的力相對于其他分力較大，這個力能夠真實的反映推土機鏟刀的受力變化情況，可以作為控制信號。但是由于頂推架支點是一個球鉸連接，若要在這個位置安裝力傳感器，必須在球鉸連接處進行特定的加工，而且傳感器的耐沖擊性要求很高，因此，這個方案也不是最好的。三、以推土機鏟刀升降油缸內油液壓力作為控制信號鏟掘作業時，推土機主要是靠鏟刀自重和提升油缸的切入力將鏟刀強制壓入土壤，在鏟刀入土一定深度后，推土機的液壓控制系統將提升油缸的油路閉鎖，從而提供較大的鏟掘力。當鏟刀受的到外力發生變化時，必然通過提升油缸的活塞傳遞給缸內的液壓油，使液壓油所受的壓力發生變化。雖然液壓油的壓力變化受到很多情況影響比如供油泵供油的脈動、遇到硬物時受到的沖擊，但是在油路閉鎖時，并無供油脈動的影響，而在鏟刀升降時，供油的脈動可以通過實驗設計合適的濾波器來進行濾波，同樣外界較大的沖擊也可以進行濾波處理，因此鏟刀提升油缸內液壓油的壓力變化真實的反映了鏟刀受力的變化情況。而且測量該油液壓力的變化，只需在油缸壁專門的測壓口安裝壓力傳感器，安裝和測量都很方便。這個方案相對于以上兩個方案是最方便可行的，故選用推土機鏟刀升降油缸內油液壓力作為控制信號。

4 鏟刀升降的微機控制原理及液壓系統控制

4.1 鏟刀升降的微機控制原理

鏟刀升降在鏟掘過程中，以裝在推土機鏟刀升降油缸上的壓力傳感器測的油液壓力信號作為控制信號，信號經過濾波、川轉換等一系列的信號處理之后，送入由單片機組成的控制器。控制器隨即進行數據處理，將得到的數據與預設值進行比較，然后將控制信號傳遞到執行器，執行器通過控制推土機液壓系統比例換向閥的的換向來實現鏟刀的升降。鏟刀升降微機控制系統的具體控制過程推土機鏟刀在強制力入土后，切換到自動控制系統，鏟刀在頂推架的推力作用下將土推移。當切土深度發生變化時，會引起推土機推土阻力的變化，這一變化又會引起鏟刀提升油缸內油壓的波動，通過測量提升油缸內油壓的變化便可間接得到鏟刀負荷變化情況，壓力傳感器將壓力變化信號變為一個電壓值，控制器將這一電壓值與系統設定的電壓值不斷的進行比較并把，并根據采樣定理將比較結果轉化為一系列的寬度可調制的脈沖信號。當實際電壓超出設定值較多時，脈沖高電平的時間與低電平的時間比較大占空比較大，此時控制換向閥的電流較大，換向閥的流量較大，鏟刀提升較快隨著鏟刀的提升，阻力不斷減小，傳感器測得的電壓值與系統設定值之差也不斷減小，占空比變小，控制比例換向閥的電流也變小，換向閥流量變小，鏟刀提升速度逐漸變慢，使實際壓力值緩慢的向設定的中間值逼近。同理，當實際的電壓值小于系統設定的壓力值時，控制器將比較結果轉化為一系列的負脈沖，此時便控制換向閥向相反方向移動，控制鏟刀下降。由于自動控制系統要根據外界阻力的變化情況，不斷的控制電液比例換向閥的流量和方向來調節鏟刀的高低位置，因此壓力傳感器需要對鏟刀升降油缸內油壓進行實時測量。在工作中難免有各種各樣的干擾，特別是油泵本身供油也會存在壓力波動，這樣采集得到的信號中就會混雜一些干擾信號，會導致控制系統做出錯誤的判斷，從而影響系統的執行精度，因此系統中必須裝有相應的濾波器。經過濾波的信號為模擬信號，需要經過川轉換器進行轉換，轉換好的數字信號傳給單片機組成的控制器，控制器輸出信號經過轉換后，控制電液比例換向閥，操縱鏟刀升降。同時，控制器還將壓力傳感器采集的電壓值根據一定的傳遞函數轉換為實際壓力值，通過顯示器顯示顯示。

4.2 鏟刀升降液壓系統的微機控制

推土機鏟刀升降系統的液壓系統是在原液壓控制裝置的基礎上，在主控閥上并接電液比例換向閥，以及與之連接的背壓閥。該換向閥的開啟和關閉以及流量大小和方向由控制器控制。其工作過程如下在手動控制鏟刀強制入土后，原有主控閥處在“中立”位置，鏟刀升降油缸的油路被切斷此時將工作狀態切換到“自動”位置，控制器通過將測得的壓力信號不斷的與設定的中間值進行分析比較并轉化為一系列的方波脈沖，通過脈沖的占空比和極性來控制電液比例換向閥的流量和方向。當推土機外載荷增大使鏟刀提升油缸內的油壓超過壓力上限值時，系統向有桿腔供油，無桿腔中的油推開單向閥向油箱回油，提升鏟刀。隨著鏟刀的提升，鏟刀提升油缸內的壓力減小，控制電液比例換向閥的電流也逐漸變小，電液比例換向閥控制通向有桿腔中的油量變小，鏟刀上升速度逐漸減慢，使油缸內壓力值逐漸逼近系統設定的中間值，直到鏟刀提升油缸內油壓等于或低于這一設定值時，控制器驅動比例換向閥回到中位，停止向有桿腔供油。鏟刀下降過程同理。由于鏟刀是逐漸上升和下降，因此可以避免由于快速升降而帶來的鏟刀不平穩的問題。

[1]盧和銘，劉良臣.現代鏟土運輸機械[M].人民交通出版社,2003.

[2]周粵秋，鄧愛民等.現代工程機械[M].人民交通出版社,2004.