自卸車輛液壓操控系統(tǒng)研究

鄭玉濤 蘇龍賓 楊樹林

（河北華春液壓汽配有限公司，河北邢臺(tái) 054900）

0.引言

自卸車的液壓操控系統(tǒng)是自卸車的重要設(shè)備，但是由于道路、氣候、使用不規(guī)范等緣故，液壓操控系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障，對自卸車輛的使用產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響[1]。本次研究的對象為礦用自卸車，礦用自卸車的負(fù)載相較于其他型號自卸車更大，整機(jī)的噸位在滿載的時(shí)候通常在70t以上，最大噸位甚至可以達(dá)到750t，所以對于液壓操控設(shè)備有著強(qiáng)度方面的要求，同時(shí)礦用自卸車的工作環(huán)境更加惡劣，需要在礦場高強(qiáng)度作業(yè)，這對液壓系統(tǒng)提出了更苛刻的要求。本文以礦用自卸車為研究對象，首先對當(dāng)前自卸車輛液壓控制系統(tǒng)的主要問題和優(yōu)化方向進(jìn)行了討論，其次基于當(dāng)前智能化趨勢從液壓元件、液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)操控方式等方面對智能自卸車輛液壓操控系統(tǒng)進(jìn)行研究，希望能為相關(guān)液壓系統(tǒng)的拓展提供一些方向。

1.當(dāng)前自卸車輛液壓控制系統(tǒng)主要問題和優(yōu)化方向

液壓系統(tǒng)是自卸車的重要組成部分，負(fù)責(zé)完成對自卸車車廂部分進(jìn)行運(yùn)作，進(jìn)而完成裝卸操作。其運(yùn)作與案例為通過手控閥的相關(guān)操作，將原本處于底盤氣室的氣體送到換向閥，通過制造壓強(qiáng)差將液壓油傳動(dòng)到油缸，（通過安裝在駕駛室內(nèi)的手控氣閥的操作，控制壓縮空氣經(jīng)對應(yīng)氣管，利用氣壓控制液壓換向閥油路切換，從而實(shí)現(xiàn)車廂的舉升、中停和下降功能）[2]。但是自卸車輛的液壓系統(tǒng)也很容易出現(xiàn)相應(yīng)的故障，這主要是因?yàn)橐簤合到y(tǒng)的各個(gè)組成部分，比如換向閥、齒輪泵、手控泵等部分出現(xiàn)了問題。當(dāng)前主流自卸車液壓控制系統(tǒng)的問題主要出現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 轉(zhuǎn)向及升舉方面

因?yàn)樽孕盾嚨墓ぷ鲝?qiáng)度較大，轉(zhuǎn)向升舉方面都是基于舉升液壓缸、轉(zhuǎn)向液壓缸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向泵進(jìn)行運(yùn)作，這就導(dǎo)致了這些部件通常都處于高強(qiáng)度的工作狀態(tài)，使得液壓元件容易發(fā)生泄漏等故障[3]。

1.2 制動(dòng)系統(tǒng)方面

本次研究的對象為礦用自卸車，其液壓系統(tǒng)的制動(dòng)需求相較其他型號自卸車更為嚴(yán)格。通用礦用自卸車的滿載噸位為70t，最大噸位甚至可以達(dá)到750t，滿載的整機(jī)重量基本都能達(dá)到空載整機(jī)重量的一倍以上，極易使得液壓系統(tǒng)的摩擦片出現(xiàn)磨損，使得制動(dòng)器的排量激增，每次需要很長的時(shí)間才能完成制動(dòng)過程，出現(xiàn)相應(yīng)的制動(dòng)滯后現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下可能危及使用人員的生命財(cái)產(chǎn)安全[4]。

1.3 散熱系統(tǒng)方面

自卸車的液壓系統(tǒng)通常為直驅(qū)式散熱系統(tǒng)，其通常情況下需要滿足最大發(fā)熱量的環(huán)形工況才能完成液壓系統(tǒng)的散熱，加大了整體液壓系統(tǒng)的能源損耗。溫度過高還會(huì)造成齒輪泵的損耗。此外液壓油箱、齒輪泵、換向閥、齒輪泵、手控泵等部位也都是容易出現(xiàn)問題的部位[5]。

本次研究的礦用自卸車型號為山東某礦車制造廠生產(chǎn)的WCJ10E防爆柴油機(jī)無軌膠輪車，該礦車由前后車架、車廂、液壓系統(tǒng)、駕駛操作系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。針對上述問題，我認(rèn)為可以從基于當(dāng)前智能化趨勢從液壓元件、液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)操控方式等方面對智能自卸車輛液壓操控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2.智能自卸車輛液壓操控系統(tǒng)研究

2.1 轉(zhuǎn)向舉升控制元件

轉(zhuǎn)向舉升控制元件的重要性在于連接前后兩部分車架，能夠通過液壓油的壓力使得礦用自卸車進(jìn)行自卸操作，所以舉升液壓缸、轉(zhuǎn)向液壓缸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向泵等元件需要基于礦用自卸車的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行選擇。

（1）轉(zhuǎn)向液壓缸。其中轉(zhuǎn)向液壓缸的負(fù)載計(jì)算公式為：

其中TL為轉(zhuǎn)向扭力矩，單位為N·m；G為轉(zhuǎn)向橋，單位為N；e為轉(zhuǎn)向節(jié)主銷偏移距，根據(jù)實(shí)際礦用自卸車參數(shù)，e取80mm；B為轉(zhuǎn)向輪斷面寬，根據(jù)實(shí)際礦用自卸車參數(shù)，B取315mm；f為輪胎和地面摩擦系數(shù)，根據(jù)實(shí)際礦用自卸車參數(shù)，f取0.8。代入整體轉(zhuǎn)向橋載重6500kh，可得TL為4615.53N·m。

轉(zhuǎn)向油缸的最大負(fù)載計(jì)算方式為TL除以最小轉(zhuǎn)向力臂，根據(jù)實(shí)際礦用自卸車參數(shù)，代入最小轉(zhuǎn)向力臂為100mm，可得轉(zhuǎn)向油缸的最大負(fù)載量是46155.3N。基于此參數(shù)，本次研究選擇轉(zhuǎn)向液壓缸型號為內(nèi)徑63mm，活塞桿直徑45mm，額定壓力16MPa，行程435mm。

（2）舉升液壓缸。舉升液壓缸最大負(fù)載的計(jì)算方式為FPmax=（G1+G2）×9.8，其中G1為車輛額定載重，根據(jù)實(shí)際礦用自卸車參數(shù)為10t，G2為車廂質(zhì)量，根據(jù)實(shí)際礦用自卸車參數(shù)為500kg，所以計(jì)算可得舉升液壓缸的最大負(fù)載為51.45kN。基于此參數(shù)，選擇舉升液壓缸的活塞桿直徑為56mm（200mm），類型為雙極液壓缸（3～6節(jié)多級），第一級內(nèi)徑為100mm，行程為354mm，第二級內(nèi)徑為80mm，行程為367mm。舉例為礦用車型號是否太老，現(xiàn)主流70t～120t噸寬體礦卡，自卸車和礦卡液壓缸，普遍選用3～6節(jié)多級缸型號，參考數(shù)據(jù)海沃FEE（兩端鉸耳型前頂液壓舉升油缸）第一級直徑為110mm～226mm、行程為2785mm～9030mm的油缸。請查閱匯總現(xiàn)主流舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.2 液壓儲(chǔ)能系統(tǒng)元件

針對電動(dòng)輪礦用自卸車下降制動(dòng)能量回收的需求，需要研發(fā)大容量、高功率、低成本、高效率、長壽命以及能適應(yīng)惡劣野外環(huán)境的儲(chǔ)能系統(tǒng)。蓄電池和液壓儲(chǔ)能技術(shù)在車輛上己經(jīng)有非常成熟的應(yīng)用，而超級電容和壓縮空氣等新型儲(chǔ)能方式在車輛上應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。我國露天礦山主要分布于北方高寒地區(qū)，這里年均溫差較大，冬季低溫通常能低至-300℃甚至-400℃。若在這些地區(qū)采技術(shù)最成熟的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以回收礦用自卸車下降勢能，則其所處的低溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致電池性能降低，影響制動(dòng)能量的回收。同時(shí)，低溫下大功率的充放電也會(huì)加速電池的衰減，增加儲(chǔ)能方案的成本。液壓蓄能器儲(chǔ)能系統(tǒng)己廣泛應(yīng)用于各類工程車輛，是一種成熟的替代儲(chǔ)能技術(shù)。但其能量密度較低，多為2Wh/L以下，無法滿足礦用自卸車下降勢能回收的需求。

超級電容器是近年來發(fā)展起來的一種介于常規(guī)電容器與蓄電池二者之間的新型儲(chǔ)能元件。與蓄電池相比，具有功率密度高，能夠大電流快速充放電，循環(huán)使用次數(shù)長等優(yōu)點(diǎn)。但由于超級電容能量密度相對較低，主要在電動(dòng)車輛上與蓄電池配合使用，在啟動(dòng)、制動(dòng)等大電流充放電工況下工作。為了改善電動(dòng)輪礦用自卸車在循環(huán)工況下的整車燃油經(jīng)濟(jì)性，需要將氣液式儲(chǔ)能系統(tǒng)在車輛下降工況時(shí)儲(chǔ)存的能量在車輛舉升時(shí)釋放，以提供所需的部分牽引力來減少發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率需求，從而降低車輛燃油消耗。

在下降工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)被發(fā)電機(jī)反拖，富余的機(jī)械功率由循環(huán)式氣液儲(chǔ)能系統(tǒng)回收轉(zhuǎn)化為壓力能。臺(tái)架實(shí)驗(yàn)時(shí)，以下降電制動(dòng)功率輸入自研的發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)反拖發(fā)動(dòng)機(jī)，其余功率經(jīng)分動(dòng)箱輸入用于模擬舉升泵負(fù)載的電動(dòng)機(jī)。此時(shí)，負(fù)載電動(dòng)機(jī)處測得的輸入機(jī)械功率就是氣液儲(chǔ)能系統(tǒng)的精確回收功率，以作為后續(xù)循環(huán)式氣液儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量管理策略分析和優(yōu)化模型的輸入量。

在舉升工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和氣液式儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合輸出機(jī)械功，再經(jīng)電傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為車輛所需的驅(qū)動(dòng)功。基于后續(xù)的循環(huán)式氣液儲(chǔ)能系統(tǒng)分析和優(yōu)化所得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照對應(yīng)的最優(yōu)能量管理策略得到了氣液式儲(chǔ)能系統(tǒng)的舉升輸出功率。臺(tái)架實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過變頻器驅(qū)動(dòng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)輸出此功率，用來模擬液壓馬達(dá)的輸出。為了使在發(fā)動(dòng)機(jī)和氣液式儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)下直流母線處的電功率與實(shí)車測定的舉升電功率相匹配，以后續(xù)優(yōu)化分析得到的對應(yīng)最優(yōu)能量管理策略下發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速器信號為基準(zhǔn)，作閉環(huán)控制。這樣，在測試實(shí)驗(yàn)后，通過燃油液位傳感器得到了不同儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量管理策略下電動(dòng)輪礦用自卸車的燃油消耗量。再與實(shí)車循環(huán)工況測定的燃油消耗量作對比，便可以評價(jià)儲(chǔ)能系統(tǒng)對礦用自卸車燃油經(jīng)濟(jì)性的改善情況。根據(jù)上述液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)以及實(shí)際礦用自卸車參數(shù)要求，結(jié)合蓄能器類型標(biāo)準(zhǔn)，確定液壓制動(dòng)系統(tǒng)中由2個(gè)2L蓄能器進(jìn)行供能，選擇北京海納EHV 1.6-350/90型蓄能器。制動(dòng)踏板閥類型為串聯(lián)調(diào)節(jié)、踏板操縱，配合雙路充液閥選擇MICO公司的06-466-240型串聯(lián)雙回路制動(dòng)踏板閥。為了實(shí)現(xiàn)大容量車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的輕量化，循環(huán)式氣液儲(chǔ)能系統(tǒng)需要盡量實(shí)現(xiàn)“滿沖滿放”。這意味著，蓄能器總?cè)莘e要盡可能接近實(shí)際儲(chǔ)能過程中氮?dú)獾捏w積變化量，讓每個(gè)蓄能器的容積都能夠被完全利用。這樣就能減少蓄能器總?cè)哂嗳莘e，降低蓄能器的重量，也能進(jìn)一步減少所需循環(huán)液壓油的體積，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)所帶來的額外車載載荷，從而提高礦用自卸車的燃油經(jīng)濟(jì)性，減少二氧化碳排放。

3.智能自卸車輛液壓操控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 智能模塊

為了實(shí)現(xiàn)智能自卸車液壓系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控與監(jiān)控，本次研究也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的煤礦礦用自卸車液壓系統(tǒng)監(jiān)測平臺(tái)，該平臺(tái)主要用于實(shí)現(xiàn)礦場自卸車液壓系統(tǒng)的真實(shí)鉆進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測和自卸車液壓系統(tǒng)的工況參數(shù)監(jiān)測。該平臺(tái)由軟件部分和硬件部分以及軟硬件之間通訊組成。硬件由虛擬遠(yuǎn)程操控臺(tái)、下位機(jī)、傳感器、電磁閥組、液控多路閥、自卸車液壓系統(tǒng)和上位機(jī)組成。

工作原理如下：礦用自卸車液壓系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控臺(tái)發(fā)出控制指令，通過PLC主機(jī)和模擬量輸入模塊FX2N-8AD采集遠(yuǎn)程操控臺(tái)上安裝的開關(guān)、手柄、旋鈕等控制指令。一路控制指令通過CAN總線發(fā)送到自卸車液壓系統(tǒng)端控制器PLC，自卸車液壓系統(tǒng)端控制器PLC通過模擬量輸出模塊FX2N-8DA以及自帶I/O輸出完成模擬量和開關(guān)量控制電磁閥開啟，進(jìn)而控制液控多路閥開啟完成真實(shí)自卸車液壓系統(tǒng)的鉆進(jìn)動(dòng)作；另一路控制指令通過S C-09通信線傳送到Quest3D虛擬環(huán)境，驅(qū)動(dòng)虛擬自卸車液壓系統(tǒng)與真實(shí)同步運(yùn)動(dòng)。在自卸車液壓系統(tǒng)鉆進(jìn)過程中，下位機(jī)PLC同時(shí)采集安裝在自卸車液壓系統(tǒng)關(guān)鍵部位上的工況傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析預(yù)處理后，經(jīng)CAN總線將監(jiān)測信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)端虛擬監(jiān)測平臺(tái)，通過MySQL數(shù)據(jù)庫對傳感器特征值數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔并實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)測平臺(tái)上。

3.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是由C#基于Visual Studio平臺(tái)設(shè)計(jì)而成，主要完成驅(qū)動(dòng)單元實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)操作，功能包括系統(tǒng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)交互、控制模式、參數(shù)配置和報(bào)警信息等模塊。由于只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)位置的操作，在模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中，最優(yōu)破碎作業(yè)軌跡模型的植入需在計(jì)算機(jī)中修改PLC代碼實(shí)現(xiàn)。

4.總結(jié)

本文以礦用自卸車為研究對象，首先對當(dāng)前自卸車輛液壓控制系統(tǒng)主要問題和優(yōu)化方向進(jìn)行了討論，其次基于當(dāng)前智能化趨勢從液壓元件、液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)操控方式等方面對智能自卸車輛液壓操控系統(tǒng)進(jìn)行研究。主要研究成果為：

（1）確定了液壓元件參數(shù)。其中本次研究選擇轉(zhuǎn)向液壓缸為內(nèi)徑63mm，活塞桿直徑45mm，額定壓力16MPa，行程435mm；舉升液壓缸的活塞桿直徑為56mm，類型為雙極液壓缸，第一級內(nèi)徑為100mm，行程為354mm，第二級內(nèi)徑為80mm，行程為367mm；液壓制動(dòng)系統(tǒng)中由2個(gè)2L蓄能器進(jìn)行供能，選擇北京海納EHV 1.6-350/90型蓄能器。制動(dòng)踏板閥類型為串聯(lián)調(diào)節(jié)、踏板操縱，配合雙路充液閥選擇MICO公司的06-466-240型串聯(lián)雙回路制動(dòng)踏板閥。

（2）硬件由虛擬遠(yuǎn)程操控臺(tái)、下位機(jī)、傳感器、電磁閥組、液控多路閥、自卸車液壓系統(tǒng)和上位機(jī)組成。軟件是由C#基于Visual Studio平臺(tái)設(shè)計(jì)而成，主要完成驅(qū)動(dòng)單元實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)操作，功能包括系統(tǒng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)交互、控制模式、參數(shù)配置和報(bào)警信息等模塊。