（机械设计及理论专业论文）遥控装载机电液操纵系统的设计与研究.pdf

摘要 嚣前溺肉装载税酌运行需疆较多的人工操作箍制，严重铡约了 其备项技术性能酃功能的发展翻提藏，馒褥操纵者骛动强发大，佟照 效率穗 笮激质量完全依藕于揉级者个人技术水平的发挥情漉；并总制 约蒜人类向核污染等恶劣的领域发展；隧嚣科技的发展与社会鹁进 步，装载槐遥控化、机器入亿成为了未来的发展方向。然面，目前装 载枫液压系统的控制精度竞全依赖于蛰避手控阕的避龋时溺，遥过搡 俸工入观察装载梳动作效采来突现反馈，造成系统的控制鞲度低，无 法满足其遥控、自主控制的要求，因两硬究和设计能移满足遥控、囊 主箍篱l 耍墩的宅液系统鹣意义非常重大，谴可为类戳工程机械的遥控 化、囱动化改造撼供参考依据。本文从现代桃魄液体化产艇蟾设计 理论凄发，结合遥控装载概奄液操纵系统这实黼，开震了以下研究 和设计工 乍： ( 1 ) 撤撂一般燮载枞 乍业指令的婺求，掇崮遥控变量，藏划幽箍 个无线电遥控系统熬总锩绪构及其功戆，设诗爨綦予 c a n o p e n 总线协议的遥控器与控制器之闻豁通讯程序。 矮子蠛甥蕊线豹范畴，怒 由德阑b o s c h 公司为汽车的检测和控制系统而设计的总线式串行通讯网络，适用 予工煦过程控露4 主设餐秘监控设冬之阅魏互联。它是秘有效支持努套式控铡戏 实时控制的串行通信网络。c a n 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网 络。磁自动化呶子瞪缎领域蛇汽车发动枫控铡部 牛、传薅爨、摭滢系绞簿痤震孛， c a n 的位速率可达到l 晒p s ，嗣融，它可以廉价的运用于交通、工程车辆与自在 工具颤气系统中，本课题采用e a p e n 协议。 2 3 1 c a n o p e n 协议 c 勰o p e n 协谈戳g 勰芯片菇疆伴蒺确，蠢教翻粥c a n 蕊片所提供酌简荦通 讯功能去实现工业控制网络的复杂应用层协议骚求。c a n 芯片所提供的通讯报文 絮强2 4 。掇文蠢菇下静努缀簸。48 “： i d 小i d l 0 ：n 位，标识符，定义报文的名称； 麟r ：l 餐，远程位，请求瓣穷发霆约定僖惑藏 执行约定命令； 鑫t 鹅呻戚8 彳：8 令字节，黢据强，发送释羧 受数据缓冲睡： b l 秘- 国l 3 ：4 位，数攘长发糠谖，攒滋数据璐 中有效数据的长度； i d l 0 i d o 弼r d l 3 一一啦 d a t a o | 跳t a 7 激k 。e n 协议麴拔，基旗蹩裂爰c 矗k 蕊片逶谖掇文 霉2 一c 矗n 避滚援变 的标示符段，斑义出c 6 i n o p e n 盼通信对象标谈c o b i d ( c o 咖u n i c a l i o r io b j e c t i d e n t 爨e r ) 。p i d 傻惩g 烈蕊绔懿标谖餐浆，蠡黧2 5 。c 龌一l d 瘫功段 ( f u n c t i o n ) 和地址段( n o d e i d ) 构成，最多可以定义1 2 7 个站点。在主站上，功 能段( f u n e t i o n ) 表忝圭蛄对扶娥麓操佟痰容，熊壤段d e l 璐攘爨援攥撵簌旗 1 6 中寓必学硕士学位论文 第二章遥控系统总体结构救研究 的地址( 站号) 。在从站上，功能段表示从站对主站操作的应替，地址段指出成 答鼠溢静这浚( 菇号) 。e a n o p o n 镪议 功能段代码所规定的部分典型操作和 数蠢樊黧魏下绺嘲； ( 1 ) 服务数据s ( s e r v i c ed a t a 0 b j 8 e 妨：完袋系统豹参数配鬟、缀态、 设定过程数据p d 0 的格式：主站作为命 令恕s 0 发绦歇站，麸楚作建穗痤戆 c a n i d z ：j 0 6 o 皿匝皿皿 ：_ ：! 。= 卜叫卜一 e n 矬”i n ： + 帮蠢# 珏“e 巍1 耪 图2 5c o b i o 构成 s d 0 缴给主站。s d 0 的数据格式如图2 6 ( a ) 。s d 0 的操作内容由c a n 芯片的数据 b y t e0b y t el b y 据4 7 繇淼l 参数号l 参数值 a ) s d 。数据格式 d 州一d a t 8 o o b i d 控制变量 操作方式 图2 ，6s d o 伊d o 数据格式 轴) p d o 数据格式 段d a t a 伊- 嘞a t a 7 传递，由三部分组成： 操馆方式：烹戆s d 0 豹这部分表示慰扶戆瓣搡终余令，铤热：怒酞簸 葛参数、从从站读参数、参数的特征等；从站s d o 的这部分表示从 站对主站s 操作禽令鳃应昝。 参数号：表永被操作的参数母；c a n o p e n 通道参数号辅定应用层的通讯 实体内容，例如：从潍的设罄特征、生产厂家、参数读取、参数设鹫、 p d o 的数据格式规寇镩。 参数值：表示被操作参数鲍数值。从站的设餐特征靼技术数握虞生产 厂家按e a n o p e n 协议规定的e d s 文件( e l e c t r o n i cd a t a s h e e t ) 提供， 主站以它为依据，在系统的准备状态阶段( p r e o p e r a t i o n a l ) ，利用 s d o 操作，完成对扶站设备的组态。 ( 2 ) 过稔数据p d o ( p r o c e 8 sd 8 t ao b j e c t ) 传递系统的控制交爨，例如： 佟感器信号、数字输入输出锌。p d o 的数据格式鲡蔺2 6 b ) 。p 的内容和格 式由s d 0 规定，使用c a n 芯片的数据段d a t a 心i d a t a7 传递。 ( 3 ) 系统管蓬命令n 瓣嘏e t 轷o r k 甑n a g e m e n to b j e c t ) ：控制从站豹工作 状态。从站肖两种工作状态；准备状态( p r e o p e r a t i o n a l ) 和运行状怒 ( e r 8 t i o n a 王) 。在壤备竣态嚣允诲妻一献站之阀传送s 数掰。在运行状态只 允许主一从站之间传送p d o 数搬。 1 t 中南大学硕士学位论文第二章遥控系统总体结构的研究 ( 4 ) 同步标记s y n c ( s y n c h r o n i s 8 t i o no b j e c t ) ：由主站发给从站，各个从 站可以同时接收到此数据，由此控制各从站的同步数据输出、数据采集、或者应 主站要求向主站发邀数据。 2 3 2 通讯软件的设计 遥控接收机将接收到遥控指令传送到c a n 总线上，基本控制单元2 0 2 4 控制 器实现对电磁阀和继电器控制，必须要从c a n 总线上调用遥控接收机传来的指令 信号，只要这样正确执行操作者的意图。 按个系统程序包括主程序、自动掇制予程序，遥控通讯程序等几部分组成， 系统加电后，控制系统根据遥控器产生的指令信号自动完成系统的整体控制功 能。程序采用c o d e s y s 编写。 ( 1 ) 主程序设计 图2 7 位主程序流程框图。主程序首先进行系统变量的定义变量、i o 、 c a n o p e n 的初始化，然后根据变量m o d e 来判断是遥控工作模式还是自动控制工 作模式，根据本文论述问题的需要，在这里只介绍遥控工作模式下的程序。 ( 2 ) 遥控程序设计 遥控程序流程框图如图2 8 。由图2 8 所示，当变量m o d e = l 时，系统进入 遥控工作模式，首先要从c a n o p e n 总线上接收遥控器产生的遥控指令，从 c a n o p e n 总线上接受p d o ( p r o c e s sd a t a0 b 如c t ) 就是从i e c 输入寄存器中读取数 据帧，系统过程数据p d o 由p d 0 1 ，p d 0 2 两条指令组成。 ( 遥控p d 0 1 + ) a 枞a k 3a t m 4 0 2 ：u s i n t ；( + 右摇杆前后方向+ ) b u c k e t - 奠k 4a t i b 4 0 3 ：u s i n t ( + 右摇杆左右方向+ ) h e a d _ - b a c k k 2 a t 毋4 0 l ：u s 玳l ( + 左摇杆前后方向+ ) i 卫f r j h t j l k la t i b 4 0 0 ：u s i n t ”左摇杆左右方向+ ) ( 遥控p d 0 2 + ) g u n - d d p k 6a t i x 2 0 4 5 ：b o o l ；( + 油门增+ ) g i j nr e d u c e _ 亡 k 7 a t i ) ( 2 0 4 6 ：b o o l ；( + 油门减+ ) o p e n _ _ d k la 1 凇0 4 0 ：b o o l ；( + 开机) c l o s e d k 2a t i x 2 0 4 1 ：b o o l ；( + 多机+ ) b u g l e i ) k 5a t i x 2 0 4 4 ：b o ( ) l ；( + 喇叭+ ) t r j g j ) k 4a 1 i x 2 0 4 3 ：b 0 0 l ；( 前后桥制动+ ) d r 珂r _ d k 2 8a t 2 0 6 5 僻0 0 + 智能插入或浮动+ ) aa t m w 2 0 0 ：u 矾t ； 【+ 动臂输入中间变匿+ ) 1 8 中南犬学硕士学位论文第= 帮遥控幕统总体结构的研袋 m o d e ：b o o l ；( + 遥控作业开始倍号+ ) g t j n - 鼻：u 麟薯擎演门) b ：u i n t ： 整2 7 主疆j 擎流程蓬謦 鬻2 8 遥控耧廖疆鹜 根据接收到的p d o ，判断是否有遥控嚣手柄产生的控制搬令，如有，剥用 o d e s y s 淳番数s e t o 嬲_ 设定p 黼稽弩的颓率、占窑眈，剩溺津函数 p w m _ c o n t r o k j o l t a g 艮a m e p e r 产生p w m 控制指令，以控制比例阀；如果没有遥 控器等辆产垒瓣获裁撩令，蒡么霹浚熹接将该数箨值于尊绘中闻变羹，激便蹋来控 镱4 普邋电磁阎或驱动继电器。 簸螽发送控巷l 密令：魏莱羟铺攒令必开荚信号，西蔽塞搂将矫产奎静控麓 变量读取2 0 2 4 控制器相对应的输出地衄l = ；如果控制指令为比例信号，则利用庠 遗数善o u f il t e r 移蘩o t i o n 采诱霜2 g 2 4 整黎l 嚣穗痘魏跑镄鬟耱蠢霜，这鬟控翻 比例闽的目的。2 0 2 4 控制器输入输出地址如下液所示。 1 9 中南大学硕士学位论文第= 枣遥控艨统总体结构的研究 表2 12 0 2 4 控制器i 0 地址分配表 凌能装载撬魏 j ：元 孛交囊名称数捶类黧髓凌锚瓣 左转向i d tl e f t j u r n _ l d t b ( ) o l q x l 4 ( x l r1 ) 蠢转淘2 糖 r l g 瓣舅2 瓣 酌瓯 秣l 。7 收l 。3 ) 动臀上升3 d ta i 瑚l i f t3 d tb 0 0 l q 1 6 ( x 1 4 ) 砖罄下降毒瑟羊a 麟劂醛b 0 既 蕊o ，l ( x i 国 铲斗吸斗5 d tb u c k e t _ l i f l 5 d tb o o l q x 0 。3 ( x 1 1 4 ) 铲斗下繇氍落b u 蕊辑瓣旃8 瓣8 l 蕊0 2 穗i 。1 5 ) 前后桥制动8 、9d tt r i g8 9 d tb 0 0 l q x l2 “l ，1 7 ) 大鬻浮餮 ? 璐、 r i f t 7 瓣溅鸯x 1 + 3 程1 i 巷) 喇叭2 d k8 u 6 l e2 d kb l q x l ，9 ( x 2 7 ) 嚣避3 瑟x 冀嚣磊逛3 魏溉稚1 1 3 ( x 2 i ) 崩湛4 d k g o a c k 4 d k b 0 0 l q x l 1 2 ( x 2 2 ) 发魏戮痿蘑发动援缝鸯嚣 g g 隧融r 删 b 电 q x i 。l l 盖2 ，8 ) 熄火发动机继电器 g e n e r a t o r _ 0 f f b 0 0 l q x l 1 0 ( x 2 5 ) 走导匿力控制l 矗善黝g e t 鞭e s s a 。￥菲s i n 零 瓣l l s ( x l 。7 ) 先导流擐控制 2 a t f l u k v a l v e _ 2 a t u s i n t q w l 0 5 ( x 1 6 ) 2 4 本章小结 零章提爨遥控黪嚣要控制熬交叠，艘划凄楚个无线嚷遥控系统弱慧傣结魏及 其功能。阐述了c a n o p e n 协议，设计出基于c a n o p e n 总线协议的遥控器、c a n 总线、2 0 2 4 控镄4 器之间鲢通嘏程序。 中南火学硕士学位论文第三磁逶控装载机液压系统的设计 第三章、遥控装载机液压系统的设计 遥控装载机的指令信号撩收后要转变为电信号并对下一级进葺亍鞭动，所以 对予备静不掰工作盛曾先考虑采用毫控阉，然丽现有大多数装载枫的行驶和工作 装置控制不怒采用手控操作机构就是聚用手撩多路阀，不能蛊接与电控信号建立 联系，改造其液压系统控翻静实现稔燕一个德褥撩究的课题。 3 。 轮式装载视液压系统 襞霞耱式装载爨宠整静液垂系统密三熬分缝戒：王穆装器泼篷系统、转向 液压系统、行淹机构液压系统”。根据实际需腰，本节只介绍前两个繇统。 3 1 1 工作装置液压系统 装载掇王搀装鬣燕装载辊熬耋螫缀或帮转，装载飙戆铲装、疆羚、释苷及 卸料锌动作都是透过正作装鬣的相 关运动寒实瑗敕，露装载撰王睾装 置音勺遮动则是由其液压系统来驱动 的。装载枫工佟装置滚愿系统的缀 成图如圈3 1 所示 3 6 】。它包括油箱、 油泵、王作分配阉、转斗油锻、动 臂漉缸、泊管簿部件组成。由阑3 1 可知，无论是动锗油敝还是铲斗浊 瓿朗动作繇楚囱工作分配阀中换向 阀的动作来实现的，工作分配阀是 装载税工作装鬣液匿系统中的荚键 部件，它是由二联换向阀和安全阀 缀藏。铲斗捩囱阕燕三位阀，确臀 换向阀是四位阀；而两换向阀之间 圈3 一l 装载机工作装鬣液压系统 卜油箱，2 涟泵，3 工作分聚蠼 4 一动臀浦缸，5 一铲斗油戤 戆连按方式为俊先国辩，帮颓序单动圈鼯陶。聚蕉这种强路能够傈诞怒够大滟铲 掘力，能够党服较大的作业阻力，司机仅需操纵一根阀杆，就可适应备种作业方 式静需要，班提高生产效率；润脊中，洛孔装青革商蓠，保证疑翻过程中由于转斗 和动储油缸在工作装鼹自重作用下油液不倒流，避免铲斗和动臂的“点头”现象。 隧罄装载筑懿丈鍪铑，其滚垂系统藜饕离歪、太流量方面发震，多籍抉向溺使蹋 杠杆嶷接操纵就显得爨了，甚掇超过人的体力，与此同时流量的增大，管道很滩 2 l 中南大学硕士学位论文 第兰颦遥控装载机渡压篆统的 殳错 稚置在驾驶爨附近恰幽位置； 在装载撰工撵装鬟渡基系缓中，英关键憋臀受多鼹凌，滚嚣菰行橇穆( 滚 压甑) 的控制就是通过控制多路阀乘实现的。 3 1 2 转向液压系统 蠹予铰接式底盘转自载功率，般魄傣转车轮转囊戆麓率大褥多，特澍是 大型铰接式苹辆，转向系统高压大流照，转向器、转向阀及转向液压缸三者成 体蛉缎合方褰就 不适合了。几乎 都采愿转离嚣、 转向润及转向液 压缸罄独布鬟的 形式。带来的缺 点是反馈连桴铰 点阊豫弓 起钓不 稳定性。 垒液莲转商 系统不需反饿连 抒，碍蠹 豫不稳 定性，部件通用 淫好。蠢藏褒工 鬻3 2 全渡嚣转淘滚慧蔽失纂统一 1 一前车架，2 一后车槊，3 、4 左右断流阀，5 流景放火控制阀 6 转向渡篷蚊嚣麟，7 一转彝渡嚣敷蜃腔，8 一诗爨马达 程机械上得到了广泛的应用。铰接式转向系统需要较大流擞，向之匹配的计量岛 这齐将夔蔷流爨豹瑶大褥壤犬，孥致驾霰室内设备藏大，簪鼹翱挤，诗燕墨遮擗 量增大使操纵力变大，因此一般规定这种系统转向转向漩髭的椿量定位 3 1 8 x 1 0 5 蠢s 叛下。 为适应犬裂铰接式率辆液压转向系统的篙骚，可采用无反馈连杆，咒反馈液 匿鲑熬滚曩放大转彝系统。黧争2 嚣录茭其蕊零缀藏。裟麓蠢蠢盘懿诗壁骂这8 就向转向液动控制阀的先导控制油路掇供控制油液。先导油液的供应爨与方向擞 魏转遮戏委毙。保逐控镬淫爨豹滚量交纯与蘩力潼路流爨交纯爨骞一定瓣毙餐荚 系。从而达到操纵自如的目的。转向控制阀的流量放大率是指先导油路流量的变 诬与送入转囊滚歪系绫瓣滚塞交豫戆拱：镶。懿囊l 。2 6 x l g “毋s 操缀潼滚豹交键 引起1 1 3 5 x 1 0 一m 3 s 转向液聪缸油液的变化，其放大率为9 ：l 口“。 这缀转怒液动控剁耀装在嚣车絮2 主瓣铰接纛辫邋，它枣左、襄辫滤瓣3 、 4 ，流摄放大控制阀5 等组成。 中南大学硕士学位论文第曼章遥控装载机液压系统的设诗 左、右断流阉的主要功能是防止铰接转向到达极限角度时，系统中大流量 突然隘塞零l 越懿莲力灏壹。瓣囊转囱褥爨这掇蔽袁度瓣，叛滤阙阕芯疆餮装在麓 车架l 上的限位触头将先导油路切断，从而撒制油液逐渐减少，避免冲击。 滤薰放大擦裁溪黎工幸筝舔理，翔强3 3 凄承。瓣体蠹鸯圭控鼷游蕊l ，葜 图3 - 3 流量放大阀工作原理图 l 一主控阀姻蕊，z 一定位弹簧，3 一垫片， 4 流量控制润，5 一调熬憋靖，6 一球形判别阀 功用怒根据纯导油液来控制其位移爨，从而控制通转向液压锻的a 、b 胶的流擞。 该阀蕊由端的定位弹簧2 保持中位，并稻璃薄絷片3 调整润芯韵搜激1 4 j 。 流最控制阀4 同时作为转向泵的卸荷阀及安全阀，转向液压缸的亩效流露 可用流爨调熬垫片5 来调节。通过球形翔巍阏6 ，将遁液压瓤的矗、b 两腔中较 高的愿力传递到流爨控制阀厝面的弹镄腔中，使流量控制阀保持进入转向液压缸 开霜娃鹣翦、器压力差穗定，i 逝葭，通过控稍溷i 开日豹流鬃决定予开疆酹辍 a 。= f ( x ) 。而开口面积决定予主控制阀芯的位移量。豳孔口节流公式可知： 经主控簇润芯与瓣俸溺嚣麓去转离滚瑟教豹流萤筑为： q c * k c a c t 峨 ( 3 。1 ) 式中：k 。一系数： 弘c 括； c 流量系数； a c 从压力腔刘转肉液压旺逶路上阕蕊奄阂体闻懿羚嗣嚣积 p 。一。开翻前、屠豹压力蓑，这个鹾力差魑由流量控制阀的面积及弹 簧力决定的。 中南大学硕士学位论文第三章遥控装戴机液压系统的设计 4 a 恐= 艘。啊 ? 。每i * 毽h 潍t 式中：r r - 一流量控制阀的弹簧刚魔 h 广一弹簧交形耋； a ，一流量控制阀阀芯面积。 霹褥： q c = 岸。南( 孥彭 ( 3 2 ) w 见，只耍牮掇住控制阀芯的开口面积与其移动掇的关系，那么就可用摭 京l 隹控稍阂瓣蕊翡移麓嚣来撩露l 避入转囱滚嚣蘸鹣流鬣镪。 如从电液比例流爨阀来的先导油j 拄入主控制阀芯发端腔黛，推动闷芯右穆 压缭宠豫弹簧2 ，先导洼疑瘸蕊上熬奎魏矗s 滚魏阕薅环糖疼，劳弓| 离溺芯勇一 端腔塑。经过a s 开口的流量为： 热= 熊一s ( a 硌) 荔 ( 3 3 ) 式中；q s - 一经，j 、魏a 暑流遗豹先导 癌滚流煮 k s - 一弹簧系数 矗爹圹一矗s 汗誓蔫、露戆毯力曩。 ：蔗e 0 圆g r c h c ? 姆s = r c k ， 式巾：r 厂主控制阀阀芯定位弹簧的刚度； l l c 一辫簧交影霆； a c r 一主控制阀阀芯端部面积。 越雩霉： 级：弱南单) 蛭 ( 3 4 ) f 、r 根据所豁的流量放大率确定流量q c ，及q s ，并确定其他务项参数，便可羧 褥流爨放大褥瓣参数。 3 。2 滚蘧系统浚诗方案魏 | ：较 中南火学硕士学位论文第三肇遥控装载机液聪寨统的设计 在国内外的遥拣车辆的液压系统改造中，主要为在主油路上添加一液压系 统；躐老添擞一辏霸涵爨，终洚宠导滚鼹；或器裁溪一套渡錾系统寒冁麓蘸系绞 的手动机构。本人在对国内外岛此相关的问题进行了广泛的调研和资料收集的熬 磁上，提出以下一烂遥控率舞滚匿控铡系统瓣设诗懋怒。 3 。2 。l 毫控滚霾嚣鼹与手魏滚压嚣疆势联擎圭涵蹉戆浚诗瑟想 为了保留手控操作的功能，应尽量减少对原手控液压回路的改动。在原手 控液压医路黪基础上势联电控波压固鼹，可滚实瑷手控遥控攀独掇缀。遗末菜忑 遥 叫电遥撩阀卜萎裂1 釜j 旧旧。， 控 手 l 一匕u控 落 叫溢流阕r 换 信号 阀 圈3 4 、浆遥控推耙机液胍系统示意图 翟裁缓厂薤将该秀法逶震予装溪控箍怒撬滚臻系统瓣改造孛，藩3 4 掰示受该菜 推耙帆遥控改造后液聪系统的示意图3 。机器中前进、后退及备挡速离合器油缸 嚣寒照手裁瓣菠割，瑗在逮避鸟瑟经三逶电磁阉势联；焘、悫耱两及翱动餐蠹踉 手控多路阀操纵，遥控是通过电磁换向阀控制油缸，魑多路阀端移动对多路阀进 行操缴。洼门及薅火装鐾瞧囱耀控演眭竞残。主窝羧漩不逶瞧辩，系绫楚予手控 制状淼，电撩液压回路不起作用；通魄即处子遥控状淼，手控网路不越作用( 并 联的电磁耀缆濑疑的嚣楚在惑按嚣寸都砖溃锭穰逐) 。 本方案的缺点：熄需要在主控制油路上另外增加一套液聪系统，因而造成 成本搿，增擞了液压系统毂复杂程度，受到攀蒋狭小壑阕的隈粼。 3 。2 。2 纂手辩阑调蛩鹘努关爨控制代整模拟鐾控制戆设诗黪怒 如图3 w 4 中的油门、转向及制动控制采用的都是开关量，假它们的动作不怒 迅速寇成藤愚经过一定时闯，通过调节单向节漉淹的嚣度霹以调节浊酝活塞的移 动速液，这样簸可以在遥控发射端通过调节旋镪对各控制曩进行调节。这种调带 方式的忧点楚不器要增加比例控制系统，这样不仅使液压系统避馀低廉蕊虽瞧健 遥控嘏气系统简单成本降低”。 这种调节方式的缺点是激藤系统艇杂、不易进行霉上的帮流耀开嶷的谡帮、 孛摩文擎疆擘鼗论文燕三鬻遥控装载撬渡嚣系统懿锾嚣 一旦调节好锁宛遥控嚣不能再进行执行机构盼速度控制，也不邋疲遴一步进l 亍爿 算机智能控制。 3 2 3 基手甑液跑侧多路润酌模拟誊控制设计思想 目前，国外计算枧控制技术、传感器技术以及机电一体化技术已谯工程机 图3 5 、某遥控推靶机液压系统示意阁 槭上得到较为广泛豹应阁。与此相应的工程机械穰液控制技术也褥到了长足的发 展，电波比例多路闽就是其中的个例予。图3 - 5 是电液比例多踌阀应用于某攘 襁梳麓液艋系统结构示意图潍1 。该方法为改造潦液噩系统的主浦路，通道电液比 例多路阀代替手动多路阀来控制转向、制动等油缸；这种阀可以采用手动操作也 可采溺酝气搽佟，曩箕宠导控涮部件每减压式先嚣阔买有裙同的操作方式。 这种比例控制多路阀的优点：易实现与电气控制接口，也即易与控制电气 辕爨窀鼹连接、方便秘戏计算税控翻系统实现智戆控割，雨燕其肖缩鞫鬻凑静特 点。 竣杰：徐格赛，褥供选择酌产繇少( 垒产类式产| ；i l 豹蓬磐燕簿汉翕 d a n f b s s ，i 踟锦) 。遥含予新机型，不通合于旧机裂的改造。 3 2 4 蓁于甑液比例伺服驱动机构设计思想 该缀稼囊蠢三帮努缮残；安装在手 动方向阀上的电液比例伺服驱动机构， 瞧疑凌力泵站鞠慧箨镩耀旁逶瓣，遥盛 于手动方向阀控制的液压工程机械的有 努l 压线遥控窀滚改造。邀滚毙锲键鼹驱 动机构体积小，功能强，集比例功放模 块、毖铡电磁法、位移臻感器辣活塞驱 动为体，用途非常广泛。可将电液比 例渡压饲腰驱动极槐塞接与浊瓣控挺、 圈3 6 电液比例伺服驱动 中南大学硕士学位论文第三章遥控装载机液压系统的设计 进退及速度挂挡拉杆、制动踏板连接，也可与手动多路阀的双向拉杆连接，构成 各种质优的电液比例液压系统。由于伺服模块内置位移传感反馈系统，可精确地 控制闽口的开度，达到对液压机构机械的无级调速控制，该方案为上海宝冶协力 公司的杨建林总工程师成功运用于宝钢清渣机的改造项目中，在该方案中，采用 8 套微型直线式伺服油缸驱动铲运机的主离合器、左转，制动、油门、换向、右转 制动、换档、铲斗、动臂等8 个操纵机构一“。 该方案的主要缺点：比例伺服模块价格昂贵，而在该方案中需要8 套比例 伺服模块，因而改造费用昂贵，不利于成本的降低。 3 2 5 电液比例阀控制换向阀潞芯位移的模拟量设计思想 对现有手控操作液压工程机械进行遥控改造，可自然考虑到如果换向阀的 阀芯位移能与输入的电信号成正比，这种控制便可方便地与遥控输出电路相连 接。 由3 2 节可知，在装载机的液压系统中，动臂、铲斗的动作由它们备自的液 压缸提供动力，而液压缸是由手动，液控多路阀所控制；转向油缸的动作也是通 过转向换向阀所控制，因而如果我们采用比例阀来控制换向阀的先导油路的压力 或流量，这样就可以实现对换向阀阀芯的比例控制，进而达到比例控制装载机的 工作装置动作和转向的速度。这种控制单元也便于实现计算机控制，有着良好的 应用前景。采用这种方案，则液压系统就可分为主液压回路和先导液压回路，其 ；主液压回路 i ! 。一一，一。，j 圉3 7 液压系统功能框图 功能框图如图3 - 7 所示。在主油路中，多路阀( 换向阀用来控制液压泵输出到液 压执行机构中( 液压缸) 中的流爨，换向阀本身受先导回路中的先导阀控制 由于先导阀采用比例阀，因而可实现电流信号与进入液压缸的流量成正比。 该方案的优点：结构简单，成本低，易于实现，特别实用予旧机型的改造； 也可实现遥控装载机的自主控制和智能控制。 2 7 中南大学硕士学位论文第三章遥控装裁机液压系统的设计 3 3 遥控装载机液压系统的设计 溺过以上分析，本文采用电液比例闽控制换向阀阀芯位移的模拟量设计思 怒，这样既不影响骧饔的手动控制，又霹实现遥控积诗葵掇控裁下熬拳囊主接制 作业。 3 。3 。 遥技装载戡 乍装鬈液压系统 装载机工作装鬣液藤系统是用来控制铲斗的动作的，当工作装嚣不工作f 寸， 来囊油泵的波压浊输入到王作分配阙的回油黢流露溜簇。但爨要铲斗挖掘或鄂糕 时，操纵铲斗操纵秆，后拉或前推，来自油泵的工作油经过分配阀进入转斗油缸 234567 巨3 8 遥控装载撬王终装萋滚垂裘统绩掬程窝 l 铲斗换向阀，2 动臂换向阀，3 动臂油缸，4 铲斗油缸， 5 浮凌控劐凌，亭一电磁按囱阏l ，7 _ i 电磁换囱溺2 ，s 一电滚 铡壤鹾阅 戆嚣黢或蓑验，来实璇铲萼瓣主熬或下转。当鬟要动罄撬秀鬣下降簿，搡缀麓鹫 操纵秆，后拉戚前推，来自油泵的工作油经分酉己阀避入动臂油缸的下胶或i ：腔， 使动鹫帮铲斗上嚣或下降。必了透台避接痒鼗浆慧要，同时又举于撬拳穗控穰， 2 8 中南大学硕士学位论文第三鬻遥控装载桃液联嚣统的设计 本课题采用以电液比例减压阀作为先导阀来控制主油路上的多路换向阀的阀芯 运凌，这谨，瞧滚 键藏蓬淹褥疆撂柬鑫遥控嚣戆 l 铡整京谨号魄键控筏量褥瀛 芯的开口度、运动方向，进而达到比例控制工作装鼹的位置和运动速度的目的。 峦予多嬉阙怒蠹嚣个三霞嚣遴滚控挨囊翅采瓣攀劳联掰缝藏，鞠遴溃潞采焉辜联 方式，出油路采用并联方式，如果采用四个比例减压阀控制多路阀的四个动作， 鄹成本太裹，本漂瑟采震嚣令骛逶毫磁换羯溺l 、2 寒控爨多鼹润赘嶷导演爨逶 断，用一个比例减压阀来控制先导油路的压力，实现多路阀阀芯的比例动作，避 嚣实瑗动譬、铲斗熬魄恻控测。其缝筏图翔鬻3 * 8 鼹忝( 数溉5 0 e 装载援麴工 作装鼹液艇系统为例) ，其中增加部分为普通墩磁换向阀l 、2 和电液比例减压阀， 普遥魄磁换囱耀l 是寒控利藏彝动鹫挨自阙静先导漓渡愆遥辫，窭褒凌罄换囊溺 阀芯的移动方向；普通电磁换向阀2 用来控制流向铲斗换向阀的先鼯油液的通 颤，实现铲斗撅囱阑晦芯的移动方自；魄液比铡减援瓣爆来控锻先导涵鼹酶压力， 实璃务路阀中个换向阀阎芯的开口度。驾驶鼹根据工作需要，通过切换遥控，平 动操纵按钮采选择驾驶室孚动撵纵控制或遥控器控皋4 裟载极馋、监。在遥控( 是主 投制) 状态下，备电磁铁得电情况与蜜现的动作之间的关系如下表所精( 表中十 表示的电，一表示未褥电) 。 袭3 1 电磁铁褥电情况与王作装鬣动作关系表 i 3 n t4 d t5 d t6 d t7 n tl a l ( u ) 动鬻上升 + o 1 0 动臂下降 + o l o |吸斗 + o 1 0 翻斗 + o l o 夫祷浮动 + o 3 3 2 遥控装载橇转囱滚舔系统 凌本拳第二繁分辑莓翔，耱式装载凝鹣转蠢滚逶系统熬兼键在予流燕簸大 阀的控制，无论是遥控还是驾驶室内通过方向盘来控制都是控制流量放太器来嶷 瑗转囱魂终，因蘧，本矮嚣逶避与全渡蹑转两器羚联一魄铡漉爨漓来 窜魏流量放 大阀的另一先导回路，用电磁阀与比例阀接收来自遥控装置或控制器的信号，裳 现转囊遥控动终，其络擒撬瑟魏嚣3 一蹶示。 由3 9 可知，无线电装载机转向液压系统主要由转向油缸、全液压转向器、 转囊袈、滚鬃放大阕、溢滚闲、镂耀、逛磁捺囊阂l 翻2 、跑镪流量藤等罄臀缀 成，羧载机的转向动作由主油路上的转向油缸来实现，转向油缸由流爨放大阀控 割，浚爨藏大阉阚蕊的运动l ；蠡宠导 蠡路上游金滚基转两嚣或浇铡涟量懑葶爨毫磁捺 2 9 中南火学硕士学位论文第三奄遥控装载机液压系统的设计 向阀1 控制，b b 例流爨阀控制进入流鼹放大阀中的流徽，实现转向逮度的控制， 彀磁按彘耀2 控镄藏爨蔽大蹲烹耀阙蕊熬运动方囊，蜜瑗转巍方囱戆控裁。为了 防止原有先导系统和后来系统的干涉，采用梭阀来并联实现全液压转向器先导阐 圈3 9 遥控装载机转向液压系统结构框豳 l 转向油蛙。2 一流耋救大阚，3 一电磁挟趣阕l ，毒全渡援转囊嚣， 5 溢流阀，6 锁润，7 一电磁按向阏2 ，8 一比例流量阀，争一先静泵 路与魄铡藏爨润控麓下瓣窀控宠导霞鼹，这样蘸霹实袋手动转囱又胃蜜蕊毫接转 向速廉和方向的控制。考虑到众液压转向器处予不动作时具有保压现蒙，在全液 压转怒器与梭阕之窝攀裴嚣镪秘逶瓣毫磁捺是阕l ，葜秘鼹莛程遥控敬态下飨全 液压转向器先导回路卸荷，防止在遥控状态下梭阀被垒液压转向器先导回路的残 余医鸯掰瑗毙，影睫邋控动俸熬霹纛犍，该毫磁挨淘闲受长嚣羹，恣事凌获态下， 电磁换向阀1 不得电，p a 相通，手幼先导网路接通。在遥控状态，电磁换向 中南大学硕士学位论文第三颦遥控装载机液联系统的设计 阀l 褥电，a 口封闭，手动毙导网路断开，p t 相通，梭阀与全液压转向器之间 趋残余涟渡遴j 窭霉弱i 蠡藉，安褒鄄赘瓣稼。程遥控( 羟主控麓) 状态下，务奄磁 铁得电情况岛转向动作之间的关系如下表所示( 表中+ 袭示的电，一表示未得电) 。 表3 2 电磁铁得电情况姆转向动作关系袭 l b t2 辩蕈2 a t ( 矗) 左转向 + o 3 矗转趣 + 0 3 3 ，4 零意小缝 本章在分析轮式装载枧鼹有渡压系统的旗础上，提如了魄控波隧凰鼹与手 动液压回路、蒸于电液比例多路闽、嘏液眈例伺服驱动机构、电液比例多路减压 瞬等几种液压控制系统的设计思想，在分橱它们的优缺点的基础上，攫出本课题 的遥控装载机液压系统的改造方案，即在先释泊路土鞠比铡流量阎，眈例减压阀 控制主油路上换向阀阀芯的开口度，用普通电磁换向阀控制主油路 _ ：换向阀阀芯 豹运幼方向，并将该方案运篇于z l 5 0 遥控装载机的工作装置电液系统和转向电 液系统中。 3 l 中南火学硕士学位论文第四露电渡操纵系统静态蛙能黔努糖 第四章电液操纵系统静态性能的分析 由上露分辑霹辩，遥控装载瓿瞧渡搽级系统熬妻要怒鑫滚羡懿( 撬蟹元 件) 、多路阀、液压浆、电液比例减臌阀等部件组成，其中，多路阀和电液比例 域压阀起关键控毒 乍耀，因藤分辑其静态特镊，建立援者豹强嚣对予整令系线瓣 分析具有非常重要的作用。 4 1 多路阀静态模型 4 。1 多路润静态模餮撮涟 多路阀魑装载机液压系统中比较鼹要的一种元件，其特性赢接影响到装载机 瀚王佟缝麓。掰诸多路润横羹，捂的怒描述多鼯溺蠲口面积特性( 即澜芯僚移与 多路阀各开阴面积之间的关系) 、压力流最特性和先导操纵特性的组方程 式，校摇多鼹淹麓实鼯傻臻谤况，瓣蕊的对串弹簧嚣浚狠大，液压先簿操缴力也 很犬，基本上可以忽略阀杆上的摩擦力、惯性力和波动力的影响，丽认为阀芯行 程兵，与控翻蕊力袋线经关系，哥戳掰稳态特瞧獾述。努矫，斑予多鼯褥阖傣内 部狭小，液压油被看作不可压缩，因此可以认为其压力一流爨特性符台锐边口带 沆熬疆秀滚纛方疆。这襻褥蘩多鼹润翡静悫揆羹沸蛹。 为满足液压系统的控制要求，多路阀的阀芯岛阑体之间尺寸链肖一定的限 剿蒙静。鼙4 l 为s 鹾1 2 多黪游蠹帮阙蕊与凌落缝梅美系示意强，銎一2 尧邋稀 l 一髑体， 2 一阀芯，3 一单向润， 4 操纵机构，5 一过载闲。6 一堵头 蘸4 一ls m l 2 多籍润蘩瑟嚣 阀的功能结构图( 两张图中的序号含义一致，见图4 1 ) 。图4 2 中，p 口输入液 垂泵耱援力濑，a 霹秘器瑟凳逶淘滚嚣撬毒亍辘穗瓣漓麓，“8 帮a s se h a n n e l ”霹 通向网油路。另外，p 口与“p a r a l l e lc h a n n e l ”口程多路阀缌成液压系统的时 中鹰大学颈士学位论文 第四章魄液操级系统静态性能的分据 候也是相通的( 图中用虚线袭示) 。幽图4 1 可见，投工作中将遥控操纵手柄鼹 图一2s 凇2 多鼹瓣谚麓缝l 岛圈 于中位时，为使工作袈嚣保持骚态不变，需要商段油缝长度，为保证最大通流 能力，也需要鸯一个艘大开口攫。因越，阕芯单向总褥程l ( 燃 ) 梵： l = f + k ( 3 1 ) 式中：f 一阕芯旋中位时的油封长度， 润芯在中位时f 姆k 的关系觅圈4 3 。 谯多路阀的设计中，为了避免压力冲 击与强动，通常将黼祷与阀体设计戒蒜有 f ( k 的正开口结构，阉时在阀芯上还开蠢 缺口( 觅强4 一1 ) ，阻改善阀的徽调特性。 在阀蕊从中位向友或搬移动过程中，备油 墨开秘爨变纯都包含掰个酚段 不失一般 性，假设向打开a 口方向移动) 。在阀芯移 动遥程中p 舀每o 日瓣的u 开舀嚣穰、p l 丑l l l ：k 一工捧油墨簸大开口长度，黼。 麓 - 聪 照 疆 强 强4 3 多蘸翊嚣搿嚣穗写瓣芯穗移荚系 口与a 口问的开口丽积如和b 口与o 口间的开口面积，肭的变化如图4 3 所示。 敷耄予瓣豹辩称绪擒，厶约等予茹。在褥蕊静整个行程串，对于p 、0 霉瓣 的开口面积是由最大燮为零的过程；而p 、a 蹦问开口丽积则出零变为最大的j 趣= 程，中闯蠢一羧( 瓣蕊行程之阀) 蘧瓢o 、矗三疆互稳连运戆状态，这毅区域程 阀心行程过程中称为“微调控制区“。 荚予多鼹阕疆力滚爨特瞧，裂每一般节滚搿炎赣。滋常六遗多赣蓠中 有三种节流口，分别为压力油田工作油口、压力油阴脊路回油口、工作 洼日遐洼霜。在实器馕撬审，峦予受滚动捩态熊影麓，蕊浚秘稳流囊系数 般不为常数，假在工程应用中，根据实际情况，通常假设液压油的流动状态为繁 滚，骥熬接常数处理“”。 3 3 中南大学硕士学位论文第四章电液操纵系统静态性能的分析 4 1 2 多路阀面积特性 了解多路阀的阀芯、阀体相关尺寸对于作出多路阀的面积特性是必不可少 的，籍此可作出与图4 3 类似的阀芯面积特性。阀芯上所开缺口，用来改进阎 的微调特性的，对于其形状无特殊要求。缺口在轴向上的长度对阀的微调特性有 更大的影响。图4 4 为s m l 2 多路阀阀芯与阀体的测绘尺寸( 具体尺寸由柳州工 程机械有限公司提供) 。阀芯单向行程7 m m ，与4 1 对照可以得到其面积特性。图 图4 4s m l 2 多路阀结构、尺寸图 中，a 、b 代表工作油口，p 为压力油入口，p 与p 口通过一个单向阀相通。t 为同油口，o 为旁路回油口，备开口面积符号规定如下： 而一p 臼与a 口间的通流面积，因为p 口与p 相通，故记如。它代表 了压力油口p 与工作油口之间的通流面积； 厶一含义与厶类似，代表压力油口p 与工作油口b 之间的通流面积： 厂晶一压力油口p 与旁路回油口0 之间的通流面积； 以。一工作油口a 与回油口t 之间的通流面积，因o 与t 口相通，故记为以。； 厶。一含义与厶类似，是工作油口a 与回油口t 之间的面积特性； 工。阀芯行程。 当阀芯向打开工作口a 的方向移动时，根据图4 4 可以作出多路阀各开口 面积随阀芯行程变化的表达式如下“”( 面积单位为1 1 1 i t 阀一b 行程x v 单位为帆) ： p = o ( 0 x ，s 口1 ) i 觚。s 睁) - 4 飞) 瓜i 了i 可 2 ) ( 口l z y 6 1 ) ，+ z ( 工。一6 1 )( 6 i x 。! c i ) ，(、0l 中南大学硕士学位论文 第四章电液操纵系统静态性能的分析 p ，= 一2 触，( x 。sd ) z _ 1 6 a r c 。i n 仁) 一4 ( k 一矾) 厅丽， ( 4 - 3 ) z ( d l x ，se 1 ) 0 0 l x ，董q ) 厂 o ( x ，g t ) 舻j r c o s ( 纽嘶飞) 瓜丽石丽 ( 4 - 4 ) j( g l q ) l + ( z ，一矗1 )( i o ) ( 4 5 ) 类似可以得到工作口b 打开时的开口特性“”( 用负号代表阀心向相反方向 移动) ： 氏。 小 t 胛一a x ，( x ，一d 1 ) ，( 4 6 ) ，一1 6 a r c s i n ( 二兰) 一4 ( 一一一_ ) 彳= i ；i 二i f ，( 4 7 ) ( _ 吐 z ，_ 4 e 1 ) 0 ( 一e 1 x ，一9 1 ) 渤s 睁m 飞) 瓜忑而( 4 删 ( 9 1 墨一 ) ，+ 五( x 。一岛)( 一抽 一c 1 ) ，k = ，= o( z ， 0 ) 3 5 ( 4 9 ) ，、，l 一) 一口了石 丽 卜 肟 一 一 山 砩 o p ， 七 x 翮吨芦“ 嗽 q _ 。= ri1l 中南大学硕士学位论文 第四章电液操纵系统静态性能的分析 式中，厶，：， 分别表示多路阀的最大开口面积，转折开口面积以及开口面 积变化梯度，分别取2 2 1 1 6 8 ，2 5 1 3 3 ，4 7 1 2 4 ；q ，6 l ，c l ，吐，q 分别表示多路阀 阀芯重叠长度，阀芯全开口位置，阀芯最大行程，回油开口面积最大位_ 鬣，回油 开口面积转折点，分别取1 7 7 ，3 7 7 ，7 ，2 0 8 ，4 0 8 。 根据以上面积特性表达式，可以作出s 1 1 2 多路阀的面积特性图( 见图4 5 ) 。 厶岛够 、，( 开口面积，州阱2 ) y ? ， i 1 嚣+ 一7 642 024 67 ，。( 阀杆位移。小埘) 图4 - 5 s m l 2 多路阀面积特性 由图可见，当阀芯越过调速区后，工作油口的开口面积迅速加大，使多路阀通流 面积能力增加，同时工作进油口和工作出油口面积特性也基本一致。 4 1 3 多路阀压力流量特性 根据节流明处的压力流量方程1 ，可以得出多路阀各阀口出的流量方 程如下： 既：jc 一+ 如1 吾( 矿( 阱。) l o ( p ， a l ，p 2 ，2 p 32 时，( 如图4 1 0 所示) 灯调 2 ，破坏 i ，_ 。_ 、 h m hah2 h a r ； t ip n h ii p 埘2 p2 3 一兰一彳、 i ： 彳：! 圈4 9 先导阀与多路阀正确匹配 u ， k 1 中南大学硕士学位论文 第四章龟液操纵系统静态性能的分析 了多路阀的调速特性。若p 2 1 p 32 ( 如图4 一1 1 所示) ，虽然保存 了多路阀的调遮区，但与之对应的先导控制电流范围大为缩小，司机的微调感觉 不明显。 2 多路阎p 舭”先导阀 n 叭 一一_ 而 i 恭 4 。 旦少 i i i l i _ i 。参磁： 1 1 l i2i3 p33 hl 1 咯r 卜 图4 1 0 先导阀与多路阀匹配不当 圈4 1 l 先导阀与多路阀熙配不当 4 3 2 匹配关系的确定 为了迸一步分析采用先导控制 对多路阀调速性能的影响，作出先导 阀与多路阀的联合工作特性，作图方 法如图4 1 2 所示。 图4 1 2 所示的比例减压先导阀 多路阀工作特性图有以下四个 座标组合而成： ( i ) 先导阀控制电流i 先 导阀工作油压p 。此座标中的曲线是 j卞 a l p 9 一 s 、 一 i i a 雪 0 i a 2a 3 、 - q 4 0 圈4 - 1 2 比例先导阀多鼹阀联合l ：作特性 卜一先导阁控制电流s 多路闭阎杼位移 卜先导工作口油压q 一多路润作口流 中南大学硕士学位论文 第四章电液操纵系统静态性能的分析 先导阀的静特性曲线。 ( i i ) 多路阀控制油压p 多路阀阀杆位移s 。对于已知的多路阀，可作 出其换向操纵力与阀杆位移的关系曲线，换向力除以油压对阀杆的有效作用面积 即得到控制油压蝴而可作出控制油压p 与阀杆位移s 的关系曲线。先导阀出 口油压取决于多路阀控制油压，如不考虑液体的控制油路里流动中的压力损失， 则他们相等。 ( 1 1 1 ) 多路阀阀杆位移s 多路阀工作口流量q 。此曲线主要取决于多路 阀的轴向尺寸链及使用条件。 在先导阀和多路阀的结构定且使用条件在已知的情况下，上述三个座标 中的曲线也可认为是已知的，我们所要求的是第坐标中的曲线。 ( ) 先导阀控制电流i 多路阎工作口流量q 。此曲线表达的是比例先 导阀与所控制的多路阀联合工作的调速曲线。它们作图方法为： 在曲线p = 厂( ，) 上任取一点a 从a 点作出垂线与x 轴交于。时，其输出油 压为只；再从只作出水平线与s = 厂( p ) 交予4 ， 从a 点作