1、日立EX系列液壓挖掘機機電一體化控制系統分析重慶建筑大學劉振軍內容摘要:當今液壓挖掘機機電一體化程度越來越高,控制性能不斷提高,能量損失大大減小。本文以EX100W D2輪式挖掘機為例,分析介紹了采用微機控制的新一代日立EX系列液壓挖掘機的機電一體化控制系統。關鍵詞:液壓挖掘機機電一體化控制系統系統分析日立EX系列液壓挖掘機采用微處理器控制,使用了高速開關電磁閥控制的變量泵、負載傳感控制閥、可變壓力補償閥、比例電磁閥等新技術,使整機性能有了質的飛躍,屬于機電一體化程度較高的新一代挖掘機。該機的電子式負載傳感系統通過分布在系統不同位置的11個傳感器和多個開關,將負載、速度及工作模式等數據信號傳回

2、到架駛室內的微機處理系統,處理后的指令信號又通過控制器輸給各控制電機、電磁閥等,對發動機、液壓泵及閥等進行精確控制,使機器的動作、速度等與工作方式和負載條件相適應,真正實現了對全部功能動作的精確控制及發動機輸出功率與負載需求的匹配,能量損失大為減少。此外,該機微處理系統中的自動診斷功能可對挖掘機40種以上的工作狀態進行瞬時檢測,為故障診斷提供了方便。該系列挖掘機有輪胎式和履帶式,其控制系統主要部分基本相同。本文將以EX100W D2輪式挖掘機為例,分析介紹該系列挖掘機機電一體化控制系統。控制系統主要部分如圖1。1微處理控制器及輸入輸出信號控制系統采用兩個微處理控制器,即泵閥控制器和發動機控制器

3、來對整個系統進行控制。它們從系統中各傳感器和各種開關接收電信號,對所接收的信號進行分析處理后,發出控制信號,通過發動機油門開度控制馬達、開關電磁閥、比例電磁閥等對發動機轉速、液壓泵排量、壓力補償閥開度等進行自動控制,使機器隨時處于最佳工作狀態。泵閥控制器和發動機控制器的輸入輸出信號如圖2。2發動機轉速控制發動機轉速的控制是由發動機油門開度控制馬達經減速機構、T 形杠桿及軟軸操縱噴油泵調速拉圖111高速開關閥121高速開關閥231液壓油溫傳感器41油門開度馬達51油門開度傳感器61發動機轉速傳感器71泵缸體擺角傳感器81壓力傳感器91壓差傳感器101溢流閥111梭閥121可變壓力補償閥131比例

4、電磁閥組141卸荷閥151先導泵桿實現的(圖3。發動機控制器從操作板上的功率選擇開關、發動機轉速調整開關和自動怠速開關及與T形杠桿相連的發動機油門開度傳感器接收信號,對這些信號分析處理后向發動機油門開度控制 圖 2圖311噴油泵調速拉桿21熄火電機31應急繼電器41開關板51發動機控制器61油門開度步進馬達71鑰匙開關81發動機油壓開關91行走先導壓力開關101前進后退檔位開關111制動開關121行走模式開關131泵閥控制器141油門開度傳感器馬達發送脈沖信號。發動機油門開度控制馬達是一個步進馬達,其旋轉角度與控制脈沖信號頻率成線性關系,所以脈沖信號的頻率決定發動機油門開度馬達的轉角,從而精確

5、控制了發動機轉速。211發動機轉速的設定發動機轉速的設定是由油門開度傳感器檢測噴油泵調速拉桿位置,通過發動機控制器的內部程序控制油門開度控制馬達位置完成的。在油門開度控制馬達帶動噴油泵調速拉桿運動過程中,帶動油門開度傳感器轉動,油門開度傳感器將調速拉桿的轉動角度轉換為電壓信號反饋給發動機控制器,發動機控制器將該電壓信號與其內部程序設定值進行比較,然后根據功率選擇開關和轉速調整開關的設定,輸出一定頻率的脈沖信號,確定不同工況時油門開度馬達的轉角位置。打開鑰匙開關時,油門開度馬達帶動調速拉桿從停止位置轉至起動位置,發動機轉速的各設定位置與油門開度位置如圖4,一般行走工況需要的功率比作業工況大 。圖

6、4212作業工況發動機轉速控制在作業工況,發動機轉速用操作板上的功率選擇開關和轉速調整開關設置,四個功率選擇開關按鈕可分別將發動機轉速設置為怠速工況I 、輕載工況L 、經濟作業工況E 和動力作業工況P 。轉速調整開關可在功率選擇開關設置的四種工況之間調整發動機轉速,以適應不同作業條件的需要。還可用功率選擇開關和加速踏板一起控制發動機轉速,此時發動機控制器從行走制動開關和加速踏板壓力傳感器接收信號,將傳感器輸出的信號與功率選擇開關的信號進行比較,按兩者較高的值控制油門開度馬達調節發動機的轉速(圖5,使轉速調節更方便。213自動怠速控制自動怠速控制功能可使機器在作業過程中,一旦操縱手柄回中位4秒鐘

7、后,發動機轉速自動降至怠速。當按下操作板上的自動怠速開關,發動機控制器接收到自動怠速開關接通的信號,操縱手柄回中位時,先導液壓回路中的壓力開關斷開,停止向泵閥控制閥發送信號,4秒鐘內不繼續操作操縱手柄,發動機控制器便向油門開度馬達發出指令,發動機轉 圖5速降至怠速,使油耗和噪音減低。再搬動操縱手柄時,發動機轉速又上升到設置的轉速。214行走工況發動機轉速控制行走工況發動機轉速由加速踏板控制。加速踏板推動行走先導閥,先導閥輸出的先導壓力油通過前進后退檔位電磁閥控制行走液壓馬達的主滑閥。先導閥輸出油路上裝有壓力傳感器,傳感器輸出電壓與先導閥的輸出壓力成正比,即與加速踏板行程成正比。發動機控制器接收

8、到傳感器輸出的電壓信號,同時從行走制動開關、前進后退檔位開關及行走模式開關接收信號,向油門開度馬達發送信號,根據加速踏板的行程調節發動機轉速。行走工況發動機最高轉速通過行走模式E P選擇開關設置限定,E 模式為經濟行走模式,發動機最高轉速設定為2100r m in,用于平路行走。P模式為上坡模式,最高轉速為2500r m in,用于上坡時發動機提供額外動力。在行走P模式工況,有一個速度感應控制功能,當加速踏板踩到底時,發動機轉速提高到2400r m in以上,發動機控制器通過轉速傳感器檢測到該轉速信號,向泵閥控制器發出開始速度感應控制指令,同時檢測到實際轉速與設定的2400r m in的轉速差

9、,泵閥控制器便向液壓泵變量機構發出信號增大液壓泵的輸出扭矩,使發動機功率增大到極限值。在前進后退檔位開關置于空檔位置時,發動機控制器命令油門開度馬達使發動機轉速自動降至怠速。檔位開關置于前進檔或后退檔時,發動機轉速會自動提高到行走怠速(1100r m in。此外,在行走過程中,如果突然松開加速踏板,發動機控制器會使發動機轉速慢慢減小,防止行駛減速度過大造成的沖擊。215發動機熄火控制發動機熄火是由油門開度馬達和熄火馬達共同控制的。當鑰匙開關轉至熄火位置時,油門開度馬達使噴油泵調速拉桿回到停車位置,將供油量減至小于維持發動機運轉所必需的最小油量,同時應急繼電器動作,通過熄火馬達切斷燃油供給,迫使

10、發動機熄火。應急繼電器電路還與發動機機油壓力傳感器相連,發動機運轉時如機油壓力降至允許值以下時, 3秒鐘后應急繼電器動作,在啟動過程中10秒鐘內機油壓力不能上升到允許壓力,應急繼電器動作,熄火馬達切斷供油,迫使發動機熄火,從而使發動機得到了保護。3液壓系統負載傳感控制該機的電子式負載傳感控制系統由變量泵、中閉式負載傳感多路閥、卸荷閥、壓差傳感器及電氣控制部分組成。由壓差傳感器檢測負載壓力,通過泵閥控制器發出指令,根據負載的需求調節液壓泵排量,使泵輸出壓力始終比負載壓力高出一不大的恒定值(設定壓力115M Pa,從而保證液壓泵輸出功率與負載相適應,減小能量損失。311液壓泵排量調節原理主液壓泵為

11、斜軸式變量柱塞泵,泵的排量調節是通過變量控制回路中的兩個高速開關電磁閥的通斷,控制進入變量伺服缸兩腔的先導壓力油,改變缸體的擺角來實現的,缸體的擺角可在224范圍內變化。高速開關電磁閥的通斷則是由泵閥控制器發出的電信號控制的。高速開關閥的迅速啟閉精確地調節進入變量伺服缸的流量從而調節液壓泵的排量。變量過程如下:壓差傳感器A口與液壓泵輸出油道相連,B口徑節流口a及梭閥與主滑閥負載傳感油道相連,在工作時壓差傳感器不斷檢測出負載最大的執行元件的工作壓力與液壓泵輸出壓力之間的壓差,并將該壓差轉換成電壓信號(圖6送入泵閥控制器,根據壓差的大小,泵閥控制器向高速開關閥發出開關指令信號。當壓差小于115M

12、Pa時,高速開關閥1關閉,高速開關閥2打開,先導泵的控制壓力油進入變量伺服缸小腔,伺服缸大腔與油箱連通,變量活塞左移(見圖1,柱塞泵缸體擺角增大,泵的排量增加。壓差大于115M Pa時,高速開關閥1打開,高速開關閥2關閉,先導泵的壓力油同時進入伺服缸的大小腔,在大小腔差動力作用下,變量活塞右移,缸體擺角減小使泵排量變小。壓差等于115M Pa 時兩高速開關閥均關閉,伺服缸大腔油路被切斷,活塞不能運動,泵的排量便保持不變。壓差傳感器上壓差與液壓泵排量變化關系如圖7。312中位控制 圖6 圖7中閉式換向閥主滑閥處于中位時,液壓泵輸出油道被切斷,泵的輸出壓力上升,作用于卸荷閥14的控制口b ,壓力達

13、到卸荷閥調定壓力(2M Pa 時,卸荷閥開啟使系統卸荷。壓差傳感器B 口經梭閥、換向閥中位油道通油箱,B 口壓力為零,此時壓差傳感器兩端壓差為2M Pa ,泵閥控制器向高速開關閥發出信號,使泵缸體轉至最小擺角,于是泵以僅維持該壓力下系統內泄漏的最小排量運轉,功率損失很小,僅為卸荷壓力與維持此壓力的內漏流量的乘積。313微動控制在操縱先導操作手柄進行微動操縱時,先導壓力油根據操縱手柄行程大小打開主滑閥,泵輸出壓力油經可變壓力補償閥和主滑閥進入執行元件,同時經主滑閥負載傳感油道的壓力油經過梭閥和節流口a 作用于壓差傳感器B 口和卸荷閥彈簧腔,卸荷閥關閉。由于主滑閥的節流作用,在主滑閥上產生壓力降,

14、所以壓差傳感器B 口壓力總是小于A 口壓力。當壓差小于115M Pa 時,泵閥控制器向高速開關閥發出信號使泵排量增大,壓差大于115M Pa 時泵排量減小,使泵的輸出流量始終按執行元件運動速度的需求而調節,沒有流量損失。314超壓控制當負載過大執行元件不能克服工作阻力或液壓缸運動到終點而操縱手柄沒回中位時,泵出口壓力升高,經主滑閥負載傳感油道、梭閥和節流口a 的壓力達到溢流閥調定壓力(33M Pa 時,溢流閥開啟溢流。由于可變壓力補償閥、主滑閥油道及節流口a 的節流作用,泵出口壓力大于溢流壓力。當泵輸出壓力達到此時卸荷閥開啟壓力(克服彈簧力所需壓力2M Pa 加溢流閥調定壓力33M Pa 時,

15、卸荷閥打開卸荷。這時壓差傳感器上的壓差大于115M Pa ,泵閥控制器命令高速開關關閉減小泵的排量,同時泵出口壓力傳感器檢測到此時壓力達到超壓設定值,通過泵閥控制器和高速開關閥,進一步使泵排量減小到最小值,泵便工作于“零排量調節”狀態,實現了超壓切斷控制。4多路閥壓力補償控制該機液壓系統采用單泵供油,對于多個回路并聯的系統,當各執行元件的負載不同時將無法進行復合動作。采用帶可變壓力補償閥的多路換向閥,每個主滑閥前串聯一個可變壓力補償閥,補償閥的開度由主滑閥前后壓差和經減壓閥減壓的先導油壓以及比例電磁閥的輸出壓力共同控制,通過補償閥開度的變化來控制進入主滑閥的流量,保證復合動作的實現,以及不同作

16、業方式時,對各執行元件不同速度要求的控制。411復合動作控制在同時操作幾個執行元件進行復合動作時,先導壓力油打開主滑閥,泵輸出的壓力油首先進入負載較小的執行元件,壓差傳感器先檢測出與壓力較低的執行元件相關的壓差。泵閥控制器收到壓差傳感器信號以及先導操縱回路上壓力開關的信號,判斷為幾個執行元件正在被操縱,于是向高速開關閥發出信號增大泵排量,同時也向比例電磁閥發送控制電信號,提高比例電磁閥輸出壓力,該壓力作用于補償閥上,使負載較低的回路中的補償閥開度減小,限制流向負載小的執行元件的流量,液壓泵輸出壓力上升。然后通過各組主滑閥中的梭閥,壓差傳感器上的壓差降為零(負載較高的執行元件動作以前A 、B 口

17、壓力相等,泵閥控制器使泵排量繼續增大,壓力繼續上升,直到負載較大的執行元件開始動作。重復上述過程,最終使負載最大的執行元件動作。壓差傳感器檢測出與負載最大的執行元件相關的壓差,(下轉35頁3.6柔性制造技術(FM T9柔性制造技術(FM T,F lex ib le M anufactu ring T echno logy以微電子技術、計算機技術、智能化技術為支柱,與傳統制造技術融合,具有先進性、柔性、自動化、智能化、省力和高效的制造技術。它是從機械轉換、刀具更換、夾具可調、模具轉位等硬件柔性化的基礎上發展成為自動變換、人機對話轉換、智能化任意變化地對不同加工對象實現程序化柔性制造加工的一種嶄新

18、技術。FM T是對各種不同形狀加工對象進行有效地且適應性地轉化為成品的各種技術的總稱。4結束語對先進制造技術的內涵,有狹義和廣義兩種理解。狹義的理解,先進制造技術僅是“使原材料成為產品所運用的各種先進技術”。但是,現代制造不僅僅指制造產品,而是指從市場調查、戰略決策、產品開發設計、原材料采購進貨、加工生產、售后服務、市場反饋、以及環境保護到人才引進、培養和職工培訓等等一個完整的系統工程的統籌實施過程。因此,廣義的理解,先進制造技術是“制定、實施并完成產品制造系統工程所運用的各種先進技術。”先進制造技術是一個國家、一個民族賴以繁榮昌盛的最根本的基礎。要振興中國制造業,振興中華,發展先進制造技術是

19、至關重要的。因此,加強對先進制造技術的研究、開發和運用,是國家目標、國家利益和全社會利益。參考文獻1蔡建國1采用成組技術,贏得競爭優勢1機電一體化,1996,6:262鄒元超1論標準化在中國式先進制造模式中的地位和作用1中國標準化,1997,4:793鄒元超1略論先進制造技術的層次1中國工程師,1996,5:13144房貴如,劉維漢1先進制造技術的總體發展過程和趨勢.中國機械工程,1995,6(3:7105張申生1我國研究先進制造技術應重視的幾個問題1中國機械工程,1995,6(4:466李沛鈺1振興中國機械工業的必然途徑1工廠建設與設計,1996,6:25277吳澄,熊光楞1計算機集成制造系

20、統1百科知識,1994,12:40418鄒元超1采用GT重組機械工業生產結構1成組技術與生產現代化,1997,1:36轉129李指俊1柔性制造技術及其發展趨勢1機電一體化,1996,1:1518作者地址:武漢市武昌余家頭水運村722126號郵政編碼:430063收稿日期:1997.4.25(上接43頁并按此壓差進行負載傳感控制。當負載較小的執行元件上的載荷發生變化時,主滑閥前后壓差也發生變化,該壓差作用于補償閥上與比例電磁閥輸出壓力一起調節補償閥的開度。這樣,通過調節各回路中補償閥的開度,使負載不同的各執行元件的流量合理分配,實現了復合動作的需要。在進行單獨操作時,泵閥控制閥通過先導壓力開關檢

21、測到只有一個執行元件被操縱,因此不向比例電磁閥發送信號,可變壓力補償閥處于全開狀態。412不同作業方式的控制通過作業方式選擇開關可設定四種作業方式:一般作業方式、挖溝作業方式、平整作業方式和精細作業方式。泵閥控制器收到作業方式選擇開關信號,向各比例電磁閥發送控制信號,通過控制各可變壓力補償閥開度,實現不同作業方式時對各執行元件動作和速度的控制。一般作業方式時,所有執行元件均可正常動作,以滿足一般裝卸需要。挖溝作業方式時,當回轉與動臂提升同時操縱時,回轉動作優先。平整作業方式下,斗桿收回的同時動臂提升和鏟斗的動作變慢,一旦斗桿收回動作停止,動臂和鏟斗的動作速度恢復正常。精細作業方式下除動臂下降動

22、作外,所有其它動作都控制在低速。從而使操作精確性得以提高。參考文獻1米智楠等1高速開關閥及其應用1工程機械與維修,19961412王長江1當今挖掘機對液壓系統的要求及液壓系統發展方向1工程機械與維修119971113周明龍1國外機電一體化技術在液壓挖掘機上的應用1工程機械與維修,1996141作者地址:重慶建筑大學機電學院郵政編碼:630045收稿日期:19971413CONS TRUC T I N O MACH I ERY N A b s tra c ts a nd Ke yw o rd s N o 111998 The Con struction Veh icle W H4 for Var

23、 ious Underground P ip ing T he con st ruct ion veh icle W H 4 is a sm a ll versa t ility con st ruct ion m ach ine. It is very effect ive and p rac2 t ica l in con st ruct ion p ro ject of va riou s underg round p ip ing. M ach ine st ructu re, p rincip a l p a ram eters and w o rk ing equ ipm en t

24、 and it s funct ion a re in t roduced in th is p ap er. Key words: work ing equ ipm en tunderground p ip ing D r ill ing R ig M odel Ta ishan JM Z- 150 D rilling R ig m odel T a ishan JM Z2150 is a new hyd ro 2 echan ica l d rilling m ach ine fo r ancho r rod. R e2 m ducer is u sed a s a t ran sm is

25、sion and t ran sferring device of ancho r ro ta t ing fo rce. M odu la r design st ructu re and hyd ro 2 echan ica l com b ina t ion typ e a re u sed. T h is p ap er describes design st ructu re p a ram eter and the m fea tu res1T h rough design, m anufactu ring, test ing and p ract ica l d rilling,

26、 best resu lt is ob ta ined. P rovincia l eva lua t ion w a s app roved. T he w riter is app ly ing fo r a na t iona l p a ten t of the m ach ine. Key words: D r ill ing mach ine for anchor rod hydro-m echan ica l structure m odular type anchor to so il or rock Effects of tem p era tu re, dynam ic f

27、requency and load of rubber m a teria l on p rop erty of ab so rber a re ana lyzed. To m eet the requ irem en t of vib ra tion iso la tion and no ise 2decrea sing of con struction equ ipm en t, p hysica l and m echan ica l no rm s of rubber m a2 teria l a re sta ted. T he w riter gets po lynom ia l

28、function from rubber nom og ram. T he cha racteristic of rubber m a teria l is au to 2 m a tica lly inqu ired by com p u ter, and CAD fo r ab so rber is rea lized in va riou s tem p era tu re and vib ra tion frequency. Ana lysis of Con trol System of Electrom echan ica l In tegra l iza tion for Hydr

29、aul ic Excava tor EX Ser ies of H itach i N ow aday s the level of elect rom echan ica l in teg ra liza t ion of excava to r is m o re and m o re h igh. Con t ro l p rop erty is increa sing con t inueou sly, and energy con sum p t ion is decrea sing eno rm ou sly. T h is p ap er takes w heel excava

30、to r EX 100 D 2 a s ax exam p le, m icrocom p u ter con t ro l sy stem of elect ro 2 echan ica l in teg ra l2 W m iza t ion fo r new EX series H itach i hyd rau lic excava to r is sta ted. Key words: hydraul ic excava torelectro -m echan ica l in tegra l iza tion con trol system system ana lysis Ed ited by: Ed ito ria l O ffice of CON STRU CT I ON M A CH I ER Y N 21 Fang jia H u tong, A nd ingm en N ei, B eijing, Ch ina Address: Ch ief Ed itor: Zhang Sh iy ing Tel: