挖掘機智能緩震液壓控制系統研究

王茄任，李文新，劉 建，畢金敏

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

長期以來，挖掘機用戶與主機廠對產品的主要關注點集中在作業油耗、工作效率和可靠性等方面，對操作舒適性不夠重視。而挖掘機在工作過程中，尤其是在油缸突然停止運動時，由于工作裝置較重，運動慣量大，停止時會產生較大的沖擊，引起整機震動，影響操作連貫性，并且震動傳遞至駕駛室內給操作者造成不適，產生較差的操作體驗。減小工作裝置停止沖擊最顯而易見的一個方法就是降低油缸的運動速度，但由此也會帶來整機工作效率降低等新的問題，如何在保證現有性能不變的基礎上減小整機震動，提高操作舒適性一直以來是個難以解決的問題。

本文介紹一種新型的液壓控制系統，在現有挖掘機液壓系統的基礎上，做適當改進，成為一種具有智能緩震功能的新型液壓系統，并與電氣系統相結合，通過配套的控制程序進行精確的電液控制，可智能識別機手操作意圖，激活不同的控制策略，在不影響工作效率的情況下實現挖掘機的智能緩震，提高操作舒適性[1]。

1 系統現狀

如圖1所示為某中型挖掘機現有液壓系統。除了鏟斗油缸1，動臂油缸2和斗桿油缸4均由兩根閥芯進行供油。其中斗桿控制閥芯5與斗桿合流閥芯3均由左先導閥16控制，當機手操作斗桿打開時，左手先導閥16輸出先導壓力使斗桿控制閥芯5與斗桿合流閥芯3同時換至左位，左泵10與右泵11通過兩根閥芯打開的油路往斗桿油缸4小腔供油，驅動斗桿油缸4動作，同時斗桿油缸4的大腔回油也通過兩根閥芯返回油箱。

圖1 現有液壓系統

當操作者完成某一動作如卸料完畢后，先導閥恢復至中位，先導油通過先導閥內部泄回油箱，兩根閥芯在彈簧力的作用下也同時復位，斗桿油缸4的進油與回油通道同時關閉，斗桿油缸4動作停止。此時因為閥芯復位較快，而斗桿油缸4停止相對較慢，閥芯回油通路關閉后由于斗桿運動慣量大使斗桿油缸小腔受壓，產生液壓沖擊引起整機震動。

除此之外，控制器僅采集左泵11和右泵12的輸出壓力，不采集手先導壓力。

2 智能緩震液壓控制系統

如圖2所示為在現有液壓系統上進行改造，提出的具有智能緩震功能的液壓控制系統，主要是在現有液壓系統中增加了動臂提升先導壓力傳感器17、鏟斗回收先導壓力傳感器18、斗桿回收比例電磁閥19、斗桿打開比例電磁閥20、斗桿回收先導壓力傳感器21、斗桿打開先導壓力傳感器22。

圖2 智能緩震液壓系統

此系統中最大的改進主要有以下兩點：（1）控制器12除了通過左泵壓力傳感器8、右泵壓力傳感器9獲取左泵11和右泵10泵口處的壓力值外，還通過動臂提升先導壓力傳感器15、鏟斗回收先導壓力傳感器16、斗桿回收先導壓力傳感器20分別采集斗桿回收先導壓力、動臂提升先導壓力和鏟斗回收先導壓力；（3）在斗桿合流閥芯3的先導油路中加裝了斗桿回收比例電磁閥19、斗桿打開比例電磁閥20，可通過控制器12對各電磁閥進行控制，進而控制斗桿合流閥芯3的開口特性。

3 實現原理

當操作挖掘機斗桿時，每當斗桿打開停止，通過控制器12可以輸出程序中預設的比例電流值，控制斗桿打開比例電磁閥19的開口關閉速度，使斗桿合流閥3打開端先導回油有一定的背壓，從而達到減緩斗桿合流閥3復位，調節斗桿合流閥3的開口特性，降低液壓沖擊，減小整機震動的目的，如圖3所示，曲線a為原閥芯背壓，曲線b為應用緩震控制后的閥芯背壓[2]。

圖3 閥芯回油背壓曲線對比

但如果只是簡單的應用以上控制方法，可能會對某些需要斗桿迅速切換的操作產生不利影響。例如連續平地作業時，斗桿需要在打開/回收之間快速切換，如果仍然對斗桿合流閥3的復位速度進行限制，會導致閥芯復位過慢，反向運動受阻，使斗桿動作響應慢，影響工作效率。

為了兼顧不同工況的需求，需要通過采集主泵壓力和先導壓力等信號，并在控制程序中采用對應的邏輯算法來判斷機手的操作意圖，對整機工作狀態進行精確識別，將整機工作狀態分為平地作業狀態及其他狀態，并根據不同的工作狀態啟用對應的控制策略，以滿足挖掘機不同工況的使用要求，實現智能化匹配控制：

當識別出挖掘機進行平地作業時，此時對斗桿打開比例電磁閥19不作控制，使其在斗桿打開動作停止時可以迅速恢復最大開口，減小斗桿合流閥3的回油背壓，使斗桿合流閥3可以快速復位，提高斗桿回收動作的響應性，達到與現有系統相同的效果。

當識別出挖掘機在進行其他作業時，則輸出程序中預設的斜率電流，使斗桿打開比例電磁閥19開口緩慢減小，使斗桿合流閥3保持一定的回油背壓并勻速復位，達到減小震動，提高整機操作舒適性的目的[3]。

具體控制算法流程如圖4所示。

4 效果驗證

通過對駕駛室進行振動測試（如圖5），應用該智能緩震液壓控制系統后，機手在進行平地作業時效率不受影響，在進行其它作業時，斗桿打開停止沖擊降幅明顯，采用加速度傳感器采集駕駛室的振動數據進行對比，振動峰值從原系統的±0.6G降至±0.3G，降幅達到50%（如圖6），整機穩定性和操作舒適性得到較大提升[4]。

圖4 控制算法流程圖

圖5 駕駛室振動測試

圖6 駕駛室Z向振動加速度對比

5 結束語

本文介紹的一種挖掘機智能緩震液壓控制系統，僅需在現有系統的基礎上增加少數硬件，并對控制器刷寫配套的程序即可實現，改造成本較低。

應用了該系統的挖掘機可以通過采集相關信號進行邏輯判斷，實現智能識別機手操作意圖，并自動匹配對應控制策略，自適應不同工況的功能，無需人工選擇工作模式，在實現減小整機震動，提升挖掘機操作舒適性的同時，滿足多種工況的要求。通過此案例的成功實施，還可延伸拓展其它智能控制功能，發展前景廣闊。