一種單斗液壓挖掘機實訓臺的故障碼設計探討*

趙煥玲

(貴州職業技術學院，貴州 貴陽 550023)

0 概述

液壓技術廣泛應用于工程機械，在國家各種重大工程建設中發揮著非常重要的作用。液壓單斗挖掘機是常見的工程機械設備，由于設備結構復雜，涉及技術領域廣泛，在使用過程中，會出現各種不同的技術故障，影響工程進度。為了滿足設備在發生故障后，能夠快速定位，排除故障的目的，通過對液壓單斗挖掘機設計典型故障碼，在設備出現故障后，能夠對典型故障進行自行診斷并快速排除，達到機械控制、電氣控制和液壓等系統的協調控制，縮短維護時間，降低維修成本。

1 單斗液壓挖掘機實訓臺

履帶式單斗液壓挖掘機為挖掘機的常用形式，主要包含工作裝置、回轉機構、動力機構、傳動機構、行走裝置和輔助裝置等系統。單斗液壓挖掘機實訓臺按比例縮小、改進設計制作而成，取消整機行走裝置，保留工作裝置和上部轉臺，主要由鏟斗、斗桿、動臂及相關液壓系統等組成，裝有轉臺及液壓馬達，臺式結構，控制操作于一體[1]，外形尺寸為1550 mm×650 mm×1800 mm，臺面采用冷軋鋼板經噴塑、防腐處理，液壓站放置于液壓臺主柜內。整體結構緊湊協調，實用性強，單斗液壓挖掘機實訓臺結構組成及外形圖如圖1。

圖1 單斗液壓挖掘機實訓臺結構組成及外形圖

在工作過程中，單斗液壓挖掘機需要完成包含動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉動、平臺回轉、整機行走等動作，在一個循環作業中可以組成復合動作[2]。

2 液壓系統原理設計

單斗液壓挖掘機實訓臺可實現“挖掘→提升、回轉→卸載”的自動工作循環，和“挖掘→提升→回轉→卸載→自動復位”單獨按鈕控制，其液壓原理圖如圖2所示。

1-過濾器；2-葉片泵；3-電動機；4-安全溢流閥；5-壓力表；6，7，8，9-電磁換向閥；10-液壓馬達；11-回轉減速器；12，14，16-液壓缸；13-動臂；15-斗桿；17-鏟斗。

關閉所有的故障開關，打開電源，按下啟動鍵，調節溢流閥3～4 MPa，將切換按鈕調至“手動”，此時即可用操縱桿控制挖掘機。

單斗液壓挖掘機實訓臺其控制原理圖如圖3所示，可實現單獨動作如下：

(1)鏟斗單獨伸出。扳動操縱桿，PLC輸入端X0有輸入信號，輸出端Y0有輸出信號，電磁閥6右線圈得電動作，右位接入系統，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥6的A口→液壓缸16的有桿腔→鏟斗伸出，液壓缸16的無桿腔→電磁換向閥6的B口→油箱。

(2)鏟斗單獨收回。扳動操縱桿，PLC輸入端X1有輸入信號，輸出端Y1有輸出信號，電磁閥6左線圈得電動作，左位接入系統，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥6的B口→液壓缸16的無桿腔→鏟斗收回，液壓缸16的有桿腔→電磁換向閥6的A口→油箱。

(3)斗臂單獨伸出。扳動操縱桿，PLC輸入端X2有輸入信號，輸出端Y2有輸出信號，電磁閥7右線圈得電動作，右位接入系統，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥7的A口→液壓缸14的有桿腔→斗臂伸出，液壓缸14的無桿腔→電磁換向閥7的B口→油箱。

(4)斗臂單獨收回。扳動操縱桿，PLC輸入端X3有輸入信號，輸出端Y3有輸出信號，電磁閥7左線圈得電動作，左位接入系統，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥7的B口→液壓缸14的無桿腔→斗臂收回，液壓缸14的有桿腔→電磁換向閥7的A口—油箱。

(5)動臂單獨提升。扳動操縱桿，PLC輸入端X4有輸入信號，輸出端Y4有輸出信號，電磁閥9右線圈得電動作，右位接入系統，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥9的A口→液壓缸12的無桿腔→動臂伸出，液壓缸12的有桿腔→電磁換向閥9的B口—油箱。

(6)動臂單獨下降。扳動操縱桿，PLC輸入端X5有輸入信號，輸出端Y5有輸出信號，電磁閥9左線圈得電動作，左位接入系統，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥9的B口→液壓缸12的有桿腔→動臂下降，液壓缸12的無桿腔→電磁換向閥9的A口→油箱。

(7)右旋。扳動操縱桿，PLC輸入端X7有輸入信號，輸出端Y7有輸出信號，電磁閥8右線圈得電動作，右位接入系統，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥8的A口→液壓馬達→電磁換向閥8的B口→油箱。

(8)左旋。扳動操縱桿，PLC輸入端X6有輸入信號，輸出端Y6有輸出信號，電磁閥8左線圈得電動作，左位接入系統，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥8的B口→液壓馬達→電磁換向閥8的A口→油箱。

電磁換向閥7控制液壓缸14控制拖動斗桿15運動，電磁換向閥9控制液壓缸12控制動臂的運動，電磁換向閥8控制馬達，通過回轉減速器11帶動整個駕駛室回轉運動。

3 電氣控制系統設計

實訓臺采用三相AC380V 50Hz電源，電氣控制采用直流24V電源，可編程序控制器(PLC)電氣控制方式[3]，機-電-液一體化控制，具有手動控制和自動控制兩種方式。PLC是液壓單斗挖掘機電器控制系統核心模塊，采用的三菱PLC FX3SA-20MR模塊，I/O輸出8點，輸入12點，實訓臺遙感、位置開關等操作控制信號與PLC輸入端相連，能夠實現實時有效的控制， PLC控制原理圖如圖3，電氣控制原理圖如圖4。

圖3 PLC控制原理圖

圖4 電氣控制原理圖

通過可編程序控制器(PLC)指令編程、梯形圖編程，與計算機的通訊、在線調試，優化挖掘機的液壓傳動控制。同時，通過上位機和下位機的連接，PC機端演示實驗運行過程，利用PLC軟件編程，實現挖掘機工作過程，PLC軟件編程見圖5。

圖5 三菱FX3SA-20MR PLC軟件編程

4 電氣控制系統故障碼設計

針對液壓挖掘機的特點進行分析，對實訓臺設置故障碼為K1～K10的電源、泵啟動等10種典型故障[4]，通過故障碼對應開關控制故障出現、關閉。具體故障碼設置如下：

1)故障碼K1：交流電源故障

設置在急停之后泵停止按鈕之前，打開此撥動開關，三相缺一相，導致相序保護器不啟動，實驗臺斷電，交流電發生故障，PLC無電源，DC24V電源故障，故障指示燈也會熄滅。泵站無法正常啟動。

2)故障碼K2：直流電源故障

設置在急停(交流電源故障)之后，直流電源之前，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC無交流電源，DC24V直流電源無電，失去220V電源來源，所以故障指示燈也會熄滅。泵站正常啟動。

3)故障碼K3：泵啟動故障1

設置在泵停止按鈕之后，泵啟動按鈕之前，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC工作正常，DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站無法正常啟動。

4)故障碼K4：泵啟動故障2

設置在泵停止按鈕(泵啟動故障1)之后，泵自鎖之前，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC工作正常，DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠點動，無法正常啟動。

5)故障碼K5 ：PLC輸入故障

設置在DC24V輸出之后，PLC輸出公共端S/S之前，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC無輸入，DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠正常啟動[5]。

6)故障碼K6：PLC輸出故障

設置在DC24V輸出之后，PLC輸出公共端COM之前，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC輸入正常，PLC無輸出，DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠正常啟動。

7)故障碼K7：鏟斗故障

設置在PLC輸出Y1之后，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC輸入正常，PLC輸出Y1故障，鏟斗無法正常工作。DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠正常啟動。

8)故障碼K8：回旋故障

設置在PLC輸出Y7之后，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC輸入正常，PLC輸出Y7故障，回旋馬達無法正常工作。DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠正常啟動。

9)故障碼K9：斗桿故障

設置在PLC輸出Y3之后，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC輸入正常，PLC輸出Y3故障，斗桿無法正常工作。DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠正常啟動。

10)故障碼K10：泵站故障

設置在PLC輸出Y5之后，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC輸入正常，PLC輸出Y5故障，動臂無法正常工作。DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠正常啟動。

5 單斗液壓挖掘機實訓臺應用

通過貴州職業技術學院精品開放課程教學團隊設計并通過校企合作進行研發生產，同時與昆山同創科教有限公司合作研制生產一臺帶有故障碼的液壓單斗挖掘機實訓臺，如圖6。

圖6 單斗液壓挖掘機實訓臺

該實訓臺能夠完成單斗液壓挖掘機作業動作以及機-電-液一體控制實物演示實驗，分析液壓傳動結構與液壓控制系統原理，通過PLC軟件仿真并上傳PLC控制板，并進行單斗液壓挖掘機演示控制。同時，通過選擇設定的典型故障碼，對單斗液壓挖掘機在工作過程中出現的常見典型故障進行復現，便于故障分析、排除、維護和保養。

6 后續

本實訓臺僅設置故障碼K1～K10等典型故障，為了滿足工程實踐需要，可以通過PLC軟件對故障碼進行設置，完善實訓臺故障碼的擴展模塊功能。