裝載機智能減阻鏟裝控制策略及實驗研究

盧一鳴， 劉昕暉， 曹丙偉， 陳 偉， 李昊旻

(吉林大學 機械與航空航天工程學院， 吉林 長春 130022)

引言

裝載機鏟裝過程中會因鏟裝阻力過高而出現失速打滑的現象[1]，引起輪胎磨損嚴重、油耗增加等問題[2]。國內外學者在20世紀就已對鏟裝阻力進行分析，其中姚踐謙等[3]在多系數法鏟斗插入阻力計算方法的基礎上進行了深入研究，提出了適用于小顆粒直徑的插入阻力計算方法。COETZEE C J等[4]建立DEM模型，通過模擬裝載機鏟裝過程，對鏟裝阻力進行預測。HELGESSON J等[5]基于EDEM軟件分析了鏟斗的結構參數對作業阻力的影響。

同時針對裝載機鏟裝阻力過高影響工作效率的問題，國內外目前主要是從振動工作裝置、改變鏟斗結構和調整工作裝置鏟裝時作業姿態三方面去解決。其中在振動工作裝置方面，范德強等[6]通過將轉斗油缸作為鏟斗激振元件，振動油缸來振動鏟斗，產生沖擊力，進而破壞物料來解決此問題。高國棟等[7]設計了振動掘削液壓系統，實現了減阻鏟裝的功能。許星等[8]通過實驗驗證了振動參數對挖掘阻力的影響。然而上述研究均是對鏟斗振動裝置結構上的改進，需單獨增加一套系統，無疑會帶來成本上的增加，同時工作裝置持續振動會對機械結構的壽命和駕駛者的舒適度有一定影響。在改變鏟斗結構方面，SHMULEVICH等[9]基于離散元法分析了鏟斗形狀對插入阻力的影響，并對裝載機鏟斗進行了改進。李茹等[10]基于EDEM對導入的鏟斗模型進行鏟裝分析，通過改變物料的形狀和大小對鏟斗受力進行分析，并對鏟斗結構進行改進。然而鏟斗經多年設計結構較為成熟，通過改進鏟斗進一步減阻鏟裝難度較大。在通過調整工作裝置作業姿態進行減阻鏟裝方面，CAO Bingwei等[11]基于電液比例控制技術實現了基于扭矩差值的減阻插入，降低了功率損耗，但考慮到電液比例控制系統的成本較高，使得在現有液壓系統上的改進來降低成本變得更為合理。

針對上述問題，本研究通過對裝載機鏟裝過程中的作業阻力進行分析后，對現有裝載機的液壓系統進行改進，同時根據液壓系統控制需求，以打滑時車速與輪速關系為基礎，提出基于輪速差值的裝載機智能減阻鏟裝控制策略，以改變鏟斗作業時姿態來降低作業阻力。

1 減阻鏟裝理論分析

裝載機鏟裝工作時，鏟斗在增加斗內物料的同時其齒尖附近處會對前方料堆施加向前的載荷，從而增加鏟斗前方物料的致密性(即密實核形成)[12]，如圖1所示，其中密實核長度Lt與裝載機鏟斗在堆料中水平插入深度Lc的關系為：

(1)

式中,da—— 堆料顆粒直徑

Kf—— 鏟斗形狀系數

Kg—— 鏟斗斗底與地面夾角間影響系數

當裝載機鏟斗在堆料中插入深度增加時，鏟斗前方物料的致密性增高(密實核的長度增長)，其中密實核上方的面積會以指數大于1的函數遞增。當密實核長度增大到一定值時，發動機提供的扭矩無法達到前行的要求，會導致裝載機輪胎打滑，造成功率浪費[13]。通過多系數法對裝載機工作時的鏟斗受力分析發現，

鏟斗所受阻力主要受物料塊度、料塊種類、插入深度、鏟斗類型和尺寸等多種因素影響[14]，其中插入阻力為：

(2)

式中，K1—— 物料塊度和松散度影響系數

K2—— 物料種類影響系數

Lc—— 鏟斗插入料堆深度

Bg—— 鏟斗寬度

K3—— 料堆高度影響系數

圖1 鏟斗分析圖Fig.1 Bucket analysis diagram

鏟起阻力為：

FZ=22LcBgτ

(3)

式中，τ—— 提升鏟斗時物料的剪切應力

轉斗阻力為：

FY=Me+(QH+Ge)lB

(4)

式中,Me—— 開始轉斗時靜阻力矩

QH—— 裝載機額定載重量

Ge—— 鏟斗自重

lB—— 鏟斗重心到鏟斗回轉中心水平距離

其中轉斗時靜阻力矩為：

Me=11FX[0.4(x-0.25lc)+y]

(5)

式中,x—— 鏟斗回轉中心與斗刃的水平距離

lc—— 鏟斗回轉中心至作用在轉斗連桿上的力的垂直距離

y—— 鏟斗回轉中心與地面的垂直距離

若想在不降低裝載機滿斗率的前提下降低作業阻力，增大物料堆的松散度，即降低物料致密性，可以通過降低松散度影響系數K1，來降低鏟裝物料時的剪切力和一系列作業阻力。物料種類及松散度與影響系數K1關系如表1所示，無論在何種堆料下，松散度好時K1值小于松散度差，進而驗證了破壞堆料致密性在一定程度上能降低作業阻力，從而有可能解決牽引力不足的打滑問題。由此可以通過自動提升動臂的方式，改變鏟斗在物料中的姿態來破壞物料的密實結構，進而降低作業阻力，使裝載機的動力能夠繼續維持鏟裝前行。

表1 物料種類、松散度與影響系數K1關系Tab.1 Relationship between material type, looseness and K1

2 液壓系統改進

基于上述理論分析得到了本研究的減阻鏟裝控制方式，為了實現上述功能，需對現有裝載機的工作裝置液壓系統進行改進，達到控制成本的目的。如圖2是對現有裝載機工作裝置液壓系統的改進設計圖，改進后液壓系統基本組件包括：操控手柄模塊、控制模塊、多路閥(液控換向閥、減壓閥、單向閥)、溢流閥、液壓缸模塊、動力源等，其中控制手柄由先導泵供油，主閥采用定量泵供油。

(1) 打滑時：智能減阻鏟裝功能開啟，裝載機打滑自檢檢測到輪胎打滑時，控制器會向液壓系統中輸入控制信號，此時液壓系統中的二位三通閥F1電磁鐵通電，控制油路推動動臂聯F2閥芯向下移動，系統中高壓油流入動臂油缸無桿腔，實現動臂提升，進而破壞鏟斗附近物料的致密性；

(2) 未打滑時：表明裝載機提供的動力足以克服前行的阻力，此時二位三通閥F1電磁鐵斷電，動臂聯F2關閉，定量泵停止向動臂油缸無桿腔供油，裝載機恢復正常前行鏟裝工作。若裝載機再次出現打滑狀況，液壓系統將重復智能減阻鏟裝功能，再次破壞物料致密性，保障裝載機恢復正常工作；

(3) 其他情況：當裝載機工作手柄的動臂開關開啟后，通過控制手柄運動，控制動臂聯F2閥芯動作，進而控制動臂液壓缸，完成動臂下降和舉升工作；當裝載機工作手柄的鏟斗開關開啟后，通過控制手柄運動，控制鏟斗聯F3閥芯動作，進而控制鏟斗液壓缸，完成鏟斗的轉動。

1.先導泵 2.油箱 3.工作泵 4.多路閥 5.液壓缸模塊6.手柄控制模塊 F1.二位三通閥 F2.動臂聯 F3.鏟斗聯 F4.減壓閥圖2 液壓原理圖Fig.2 Hydraulic schematic

如圖3所示，由駕駛熟練者手動提升動臂進行鏟裝測試，當裝載機鏟裝過程形成密實核后，駕駛者操控手柄提升動臂盤破壞密實核。經多次實驗測得，駕駛者向二位三通閥F1輸入0.8～1.3 MPa左右控制信號，動臂油缸會產生46 mm 左右位移， 工作裝置能夠通過舉升姿態破壞密實核，所以本研究選擇二位三通閥F1控制信號為0.8 MPa。

圖3 常規鏟裝階段裝載機液壓系統實驗曲線Fig.3 Experiment curve of hydraulic system of loader in conventional shovel loading stage

此外，由圖2可知，本研究提出的智能減阻控制策略，只需在原有液壓系統的基礎上添加二位三通閥F1和減壓閥F4即可實現。圖4為裝載機基于減阻插入的電控系統與本研究的改進液控系統對比圖， 相比于電控系統，在同樣完成智能減阻插入的前提下，本研究改進的液控系統其控制過程更為簡便。電液比例控制系統需要通過控制手柄輸出連續的電壓信號，電壓信號經控制器校正處理后變成電流信號控制電液比例閥塊，控制液壓缸完成相應動作[15]。液控裝載機在不影響正常的工作功能下摒棄了電液比例閥塊，直接采用液控閥塊進行驅動，能夠降低實際使用成本。

1.液控手柄 2.液控系統控制器 3.二位三通閥F1 4.液控系統多路閥 5.工作裝置 6.電控手柄 7.電控系統控制器 8.電控系統多路閥圖4 控制系統對比Fig.4 Control system comparison

3 智能減阻鏟裝控制策略

根據液壓系統控制要求，智能減阻鏟裝功能應在裝載機鏟裝功能開啟后自動開啟，避免駕駛者重復操控手柄來提升動臂破壞密實核，以達到降低作業強度的目的。此外裝載機智能減阻鏟裝功能可以同其他鏟裝功能同時使用，不會因智能減阻鏟裝功能開啟而降低鏟裝作業效率。然而傳統的裝載機只能通過駕駛者經驗來判別裝載機是否打滑，無法實現智能化的自我檢測[16]。結合上述理論分析及鏟裝實驗數據，可將鏟裝時的輪胎轉速與實際車速進行對比，兩者之間的差值作為鏟裝工況下輪胎滑轉與否的判定條件。此外，出現的差值可能是因為駕駛者突然踩油門造成的地面附著力不足出現短時間失速打滑，只有當裝載機輪速和車速出現差值且維持一定的時間以上，才可以判別出裝載機是因為鏟裝時物料致密性過大引起牽引力不足出現失速打滑?；魻柺睫D速傳感器技術成熟，價格便宜且便于安裝，本研究通過霍爾式轉速傳感器完成對輪速的測量，并以此為基礎提出智能減阻鏟裝控制流程，如圖5所示。

1.液壓系統控制器 2.霍爾式轉速傳感器圖5 控制流程Fig.5 Control process

智能減阻鏟裝控制策略如圖6所示。在前后傳動軸合適的位置安裝的霍爾式轉速傳感器讀取出傳動軸轉速，并將該數字信號輸入至液壓系統的控制器中，控制器根據裝載機一擋減速比換算得到裝載機的車速。同時裝載機的真實速度則通過CAN總線獲取，獲取的車速真實值輸入到液壓系統的控制器中。液壓系統控制器通過比較兩者的差值及差值維持時間判別裝載機是否打滑。當二者速度差值大于0.5 km/h，且差值維持時間超過2 s后，液壓系統控制器識別出輪胎滑轉，控制器只向二位三通閥F1輸出電壓，并不向其他閥塊輸入控制信號，不影響裝載機其他功能使用。此時二位三通閥F1產生0.8 MPa先導壓力，從而完成動臂的自動提升，調整裝載機工作裝置作業姿態，降低作業阻力。

圖6 控制策略Fig.6 Control strategy

4 實驗驗證

在完成液壓系統改進設計后，對裝載機工作裝置液壓系統進行了實際改造。在完善智能減阻鏟裝控制策略后，在前后傳動軸上各安裝了一個霍爾式轉速傳感器，如圖7所示。

1.二位三通閥F1 2.液壓系統控制器3.液控手柄 4.霍爾式速度傳感器 5.傳動軸圖7 液壓系統改進及實驗設備安裝Fig.7 Hydraulic system optimization and experimental equipment installation

連接數據采集設備后，對鏟裝過程中的工作泵壓力p3、動臂無桿腔壓力p2、動臂無桿腔先導壓力p1、發動機轉速n、發動機扭矩T和發動機功率P進行了采集，得到的數據曲線如圖8所示。

由圖8可知，0～6 s為前行插入階段，隨著鏟斗插入深度的增加，裝載機前行所受阻力也在持續增加；第6秒時系統判別出裝載機因鏟裝阻力過大出現打滑，裝載機智能減阻功能啟動，液壓系統控制器向二位三通閥F1發出信號，動臂無桿腔先導壓力自動升為0.8 MPa 左右，工作泵和動臂無桿腔壓力均持續升高，動臂舉升對堆料密實核進行破壞，此時發動機轉速、扭矩和功率也相應的上升，第17秒時達到峰值，轉速為1912 r/min，扭矩為673 N·m，功率為121 kW；第20秒時，裝載機打滑結束，裝載機智能減阻功能關閉，動臂無桿腔先導壓力降為0 MPa，工作泵和動臂無桿腔壓力均持續下降，鏟斗繼續在物料中前行插入階段，此時發動機功率、扭矩和轉速下降，發動機輸出功率主要用于裝載機前行；第22秒時系統又判別出裝載機因鏟裝阻力過大出現打滑，裝載機智能減阻功能啟動，重復上述工作；第24秒時，鏟斗裝滿物料，駕駛者操縱液控手柄舉升動臂，動臂無桿腔先導壓力升為1.65 MPa左右，工作泵和動臂無桿腔壓力略微升高，發動機轉速、扭矩和功率也相應的提升，第30秒完成對鏟斗內堆料的轉移；30～45 s為鏟斗繼續在物料中前行插入階段，此時發動機輸出功率主要用于裝載機前行；第45秒時控制器判別出裝載機打滑，裝載機智能減阻功能啟動，動臂無桿腔先導壓力繼續自動升為0.8 MPa，工作泵和動臂無桿腔壓力均持續升高，動臂舉升對堆料密實核進行破壞；第55秒時發動機轉速達到峰值2153 r/min，發動機扭矩達到峰值634 N·m，發動機功率達到峰值123 kW；第65秒時，裝載機打滑結束，智能減阻功能關閉，發動機功率和轉速下降。

5 結論

本研究分析裝載機鏟裝產生輪胎滑轉的原因后，明確了降低物料致密性可減少鏟裝時的作業阻力，并由此提出了通過自動提升動臂來改變工作裝置作業姿態從而降低滑轉現象的方法。結合現有液控液壓系統，提出了只需增加減壓閥和二位三通閥F1來實現減阻插入機理的液壓系統改進方案。在傳動軸合適位置安裝霍爾轉速傳感器后， 明確了比較輪速和車速及差值維持一定時間的智能減阻鏟裝控制策略，進行了鏟裝實驗驗證。結果表明：裝載機鏟裝作業時，可根據上述差值自動提升動臂，產生了0.8 MPa左右的先導壓力，達到了減阻插入的目的，大大降低了輪胎發生滑轉的概率，實現了一定程度的功率節省。