（机械电子工程专业论文）推土机铲刀升降微机控制系统研究.pdf

摘要 推土机在工程建设中起着重要的作用，其铲刀控制系统则是整个作业系统关键部 位，在很大程度上影响了推土机的生产效率和作业质量。传统推土机铲刀控制系统存在 驾驶操纵复杂、劳动强度大等缺点，而且有很大的滞后性和不确定性，因此研究铲刀微 机控制系统，对推土机铲刀控制系统进行自动化改造，具有重要意义。 本文在综合分析研究国内外推土机自动控制技术的研究成果和发展状况的基础上， 针对目前推土机存在的问题，提出了铲刀升降微机控制系统的设计思想，并建立了铲刀 升降微机控制的模型。论文通过对推土机铲掘作业过程分析，提出了铲刀升降微机控制 系统的设计方案，详细分析了推土机在作业过程中的受力情况，论证了设计方案的可行 性；阐述了控制系统各部分( 传感器、信号处理系统、控制器、执行器) 的结构和设计 方法，设计了各部分的外围电路。由于系统要对铲刀升降油缸内的压力变化进行实时监 控，根据需要选择了合适的压力传感器，并选择了安装位置；外界环境以及系统本身会 带来干扰问题，因此设计了低通滤波器和看门狗电路，解决了抗干扰问题。论文还分析 总结了推土机铲刀液压系统，在原有铲刀液压系统的基础上，并联了铲刀微机控制液压 系统，使原系统既适用于普通液压控制又适用于微机控制。最后，进行了模拟实验与程 序调试，提出了进一步的改进方案。 关键词：推土机、铲刀升降、微机控制系统、单片机、压力传感器 a bs t r a c t t h eb u l l d o z e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ，a n dt h ec o n t r o l s y s t e mo f t h eb l a d ei sak e yp a r to ft h ew h o l ew o r k i n gs y s t e m ，i ta f f e c t st h ew o r k i n g e f f i c i e n c ya n dw o r k i n gq u a n t i t y t h ec o n t r o ls y s t e mo f t h et r a d i t i o n a lb u l l d o z e rb l a d eh a s s u c hs h o r t c o m i n g st h a to p e r a t i o ni sc o m p l e xa n dt h el o a d e ro ft h el a b o ri sl a r g e ，a n dt h e r ea r e l a ga n du n c e r t a i nf a c t o r s ，s ot h es t u d yo f b l a d em i c r oc o m p u t e r - c o n t r o ls y s t e ma n dt h e a u t o i m m u n i z a t i o ni m p r o v i n go ft h et r a d i t i o n a lb u l l d o z e rb l a d ei ss i g n i f i c a n t o nt h eb a s eo fa n a l y z i n ga n ds t u d y i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls t u d yr e s u l t s ， d e v e l o p m e n ts t a t i o n si nt h ea s p e c to f t h et e c h n o l o g yo fb u l l d o z e ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ， t h em o d e lo fb l a d ef l u c t u a t i o nc o n t r o ls y s t e mw a sb u i l t ，a n dt h em i c r oc o m p u t e r - c o n t r o l s y s t e mw a sd e s i g n e d t h es h o v e l i n gp r o c e s sa n dt h es t r e s sc o n d i t i o n si nw o r k i n gp r o c e s s o f t h eb u l l d o z e rw e r ea n a l y z e d ，t h ed e s i g ns c h e m eo ft h em i c r oc o m p u t e r - c o n t r o ls y s t e mo ft h e b l a d ea n dd e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g ns c h e m ew e r ep r e s e n t e d ；t h es t r u c t u r ea n d t h ed e s i g nm e t h o do fe a c hp a r t ( p i e z o e l e c t r i cs e n s o r ，f o r w a r dc h a n n e l ，b a c k w a r dc h a n n e l ) o f t h es y s t e mw e r ee l a b o r a t e d ；t h eo u t e rc i r c u i t so fe a c hp a r tw e r ed e s i g n e d t h es y s t e mm u s t s u p e r v i s et h ep r e s s u r ev a r i e t yo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mo fb l a d e ，s ot h ea c c o m m o d a t ep r e s s u r e s e n s o rm u s tb ec h o s e n ；t h es y s t e mw a si n t e r f e r e db yi t s e l fa n dt h ee n v i r o n m e n t ，s ot h ef i l t e r a n dt h ew a t c hd o gw e r ed e s i g n e d ，w i t c hs o l v e dt h ep r o b l e mo fa n t i - j a m m i n g t h ep a p e r a n a l y z e dt h eh y d r a u l i cs y s t e mo f t h eb l a d e ，a n do nt h eb a s eo ft h eo r i g i n a lh y d r a u l i cs y s t e m ， d e s i g n e dh y d r a u l i cs y s t e mo ft h em i c r o c o m p u t e rs y s t e mo ft h eu pa n dd o w no fb l a d e ，w h i c h c o u l db eu s e di nb o t hh y d r a u l i c c o n t r o ls y s t e ma n dm i c r oc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e m ；f i n a l l y ， c o l l e c t e da n di m i t a t e do ft h es i g n a l ，a d j u s t e dt h ep r o c e d u r e s ，a n dp u tf o r w a r dt h ef u r t h e r i m p r o v e m e n tp r o j e c ta n dm e a s u r e s k e yw o r d s ：b u l l d o z e r ；b l a d ef l u c t u a t i o n ；m i c r oc o n t r o l l e rs y s t e m ；m i c r oc o m p u t e r ； p r e s s u r es c i i s o r 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：驰应编 细7 年，月心日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：珈凌菇 导师签名： f 岛确奸 细7 年j 月倡日 枷年i - j q 岁。日 长安入学硕t - 学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 工程机械被广泛应用于冶金、矿山、铁路、公路、水电、码头、城市建设以及林业、 农业等国民经济和国防建设中，是各种建设工程机械化施工不可缺少的技术装备。作为 工程机械中最基本的推土机则在建筑、采矿、筑路、水利、农林及国防建设等土石方工 程中被广泛的应用。正因为工程机械在各类工程建设中的高质量、高速度、低成本和高 效益的完成各种施工任务，各工业发达国家都十分重视发展工程机械，尤其是推土机。 1 1 1 国内推土机的发展现状及趋势 国内推土机行业的发展起始于2 0 世纪7 0 8 0 年代，以生产履带式推土机为主，除 普通型推土机外，还生产多种型号的低比压湿地推土机和其他专用推土机。 近十年来，我国推土机行业发展较快，据统计，我国生产的推土机已经有3 0 多种 规格，年生产能力约为4 0 0 0 台，产品结构有了很大的改进，整体性能也有所提高。国 内推土机生产厂家、工程机械研究部门和高等院校等近年来对推土机技术的发展也做出 了突出的贡献。天津工程机械研究院和上海彭浦机器厂联合开发研制的上海4 1 0 型履带 式推土机是我国目前自行研究开发的最大功率的推土机，发动机功率为3 0 6 k w ，成功的 解决了大功率推土机的关键技术难题。 但我国在发展推土机自动控制技术方面还面临许多困难，在运用集成电路技术、微 电子技术、传感技术、信息技术和自动控制技术，实现节能化和智能化方面，仍处于起 步阶段。目前国内主要有徐州工程机械集团有限公司、三一重工股份有限公司、天津工 程机械研究院、长安大学工程机械学院等在从事这方面研发工作，已经完成了道路施工 机械中的装载机、材料拌和站、自卸车、摊铺机和压路机等单机的自动化化改造，初步 掌握了机群自动化系统的设计和制造技术，但是推土机自动控制技术方面，还有待于进 一步的研究和开发。1 1 】【2 】 1 1 2 国外推土机的发展现状及趋势 美国卡特皮勒公司是世界上最大的工程机械生产厂家。自1 9 3 1 年开始生产推土机， 到1 9 4 1 年生产系列推土机，再到1 9 8 6 年d i i n 系列推土机的研发表明该公司己拥有了 整套从结构原理、设计技术到工艺水平的系统的推土机理论。在技术更新方面，该公 第一章绪论 司推土机在节能、提高舒适性等方面取得了很好的效果，而且在采用高新的控制理论和 控制技术方面也做了大量的尝试。 同本小松制作所是当今世界第二大工程机械制造商。相较卡特皮勒公司，其生产的 推土机型号更多，品种更齐全，而且该公司在推土机技术更新和改进方面也做了大量的 研究。小松制作所自1 9 4 7 年生产出d 5 0 型推土机，到1 9 8 6 年7 5 0 马力的d 4 7 5 1 型， 到1 9 9 1 年推出目前世界上功率最大的d 5 7 5 a 1 大型推土机，历经五十余载，其间推土 机型号有数十种，包括大型、中型、小型、两栖、湿地等各种用途的推上机。目前，小 松制作所也在以节能和舒适性为目标对推土机性能进行改进。【4 3 l 国外推土机产品近年来以电子信息技术为先导，在扩大电子技术的应用，提高推土 机可靠性、经济性、操纵舒适性、维修保养性以及环保性等方面发展的一些新技术，主 要在计算机故障诊断与监控、精确定位与作业、发动机电子控制和人机工程学等方面， 进行了大量的研究应用。除了利用g p s ( 全球定位系统) 、g i s ( 地理信息系统) 和g s m ( 全球移动通讯系统) 技术开发的基于g p s 的推土机定位系统外，国外一些推土机也 采用无线电遥控、激光、电子技术、传感技术、微机控制等先进技术，实现了推土机工 作装置的自动控制。 1 1 3 存在问题 随着工业、农业、军工业生产的发展，对工程机械自动化程度的要求也越来越高。 我国推土机技术的发展也以提高产品技术含量，推进技术进步，加快消化吸收引进技术， 开发系列化的新产品，推广应用现代微电子技术和自动控制技术为目标，对推土机进行 改造。 工作装置作为工程机械的工作部分，对其研究工作是对整机开发工作的基础。目前 国内对于推土机工作装置控制系统还主要采用液压传动控制技术，由于推土机在作业 中，都是依靠驾驶人员根据铲刀受到的阻力的大小作出判断，手动操作控制器来控制铲 刀升降，特别是在土质、岩质、地形条件多样化的环境下施工，操作人员需频繁地操作 铲刀升降或变换档位，不仅对于驾驶员的操作水平要求较高，而且还不可避免的存在较 大的迟缓性和不准确性，造成生产效率低、作业质量差、劳动强度大等问题。 国内外针对推土机工作装置的改进也做了大量的研究，我国出版的国外工程机械 中“推土机的机电一体化现状一文介绍了同本小松公司采用机电一体化技术，以提高 推土机操作性能、作业性能、驾驶舒适性及经济性而设计的自动化推土机；已获我国专 2 长安人学硕j ：学位论义 利的“机电液一体化推土机”，依靠电控系统，使推土机实现闭环控制，但这些对推土 机的改进均未针对推土机铲掘作业过程存在的问题来改进。 因此，进行推土机工作装置自动控制系统的开发研究工作，采用先进控制技术对传 统的铲刀液压控制系统进行改造，开发铲刀微机控制系统，可以大大减轻驾驶员的劳动 强度，显著提高推土机的生产效率和和作业质量，具有重大的现实意义。 1 2 推土机铲刀自动控制系统概述 推土机在作业时，将铲刀切入土中，依靠拖拉机的牵引力，完成切土、推土、填土、 平地以及松土( 由松土器完成) 等作业。根据推土机的工作过程，推土机工作装置自动 控制主要包括以下的几个方面的内容： 1 、铲刀升降自动控制 铲刀升降自动控制系统是针对推土机铲掘作业过程存在的问题而提出的一种改进 设想。由于推土机作业时，铲刀受到的推土阻力与铲刀切土深度成正比，切土越深，阻 力越大。通过直接或间接的测试推土机推土压力，由微机控制系统对压力进行分析处理， 不断的调整铲刀的高度，使得推土机在各种工况下能够保持正常的作业。 2 、铲刀调平自动控制 推土机铲刀自动调平控制系统是在铲刀控制系统上加装上基准传感器检测铲刀实 际高度，同时与设备目标高度值进行比较，然后由电液比例控制系统来控制铲刀的高度 以满足作业要求。 3 、铲刀复位自动控制 铲刀抬高或降低后，微机控制系统通过对位移传感器测得的铲刀的实际位置信号与 设定位置相比较，控制铲刀落到或升到设定位置。 由于在推土机铲掘作业过程中，不断的提升与下放铲刀是引起驾驶员疲劳，导致工 作效率低下的一个主要原因，故本文主要研究的是利用微机控制技术对推土机铲刀升降 的自动化改造。 1 3 本文研究的内容及意义 1 3 1 研究内容 本文主要针对推土机在铲掘作业过程中存在的问题，研究铲刀升降微机控制，该系 统实质上是对铲刀负荷和切土深度的一种控制方法。研究内容如下： 3 第一章绪论 1 、在广泛参阅国内外文献和对推土机工作过程研究的基础上，针对传统推土机作 业效率低、作业强度大等问题，提出了推土机铲刀升降微机控制系统的设想。 2 、结合推土机自身的特点，提出推土机铲刀升降微机控制系统的设计方案、选择 控制信号，并进行初步论证。在推土机铲刀液压系统的基础上，设计铲刀升降微机控制 液压系统。 3 、通过对推土机作业过程中的运动学规律分析以及铲刀受力分析，论证所选方案 的可行性。 4 、提出具体的铲刀升降微机控制系统的设计思路，完成控制器、执行器的硬件设 计和外围电路设计，选择合适的传感器并对其安装位置进行论证，设计有源滤波电路和 抗干扰电路，解决由于油泵供油波动以及周围环境带来的干扰问题。 5 、根据单片机软件系统的特点，按系统需要设计了数据采集与输出，显示器及键 盘等功能。 6 、进行信号采集与系统测试的模拟实验，并在k e i l z v i s i o n 中调试程序。 7 、在总结本论文研究结果的基础上，指出存在问题并提出进一步完善的设想。 1 3 2 研究意义 对于推土机而言，提高劳动生产率和作业质量，改善其操作舒适性是对其进行改造 控制的目标。发展推土机铲刀升降微机控制技术可以带来以下的优点： 1 、减轻驾驶员的劳动强度。将驾驶员从频繁的操纵控制中解放出来，可以大大降 低驾驶员的劳动强度，提高驾驶员的工作效率。 2 、提高劳动生产率。利用自动化控制技术，对推土机工作装置的自动化改造，可 以充分发挥车辆的动力性，使推土机具有良好的牵引性能、动力性和经济性，进而提高 劳动生产率。 3 、合理利用能源。推土机的油耗与驾驶员的操纵水平密切相关。随着自动化控制 技术的在推土机上的应用，能够合理利用能源，实现动力性与经济性的统一，在能源危 机的今天有着特别重要的意义。 4 、增加推土机行驶的安全性。微机控制技术的应用在降低驾驶员劳动强度的同时， 也增强了行车的安全性。 5 、改善推土机的排放性能。通过对推土机工作装置的合理控制，使其更好的适应 外界工况的变化，可以改变发动机的负荷状况，使发动机处于良好的工作状态，从而改 4 长安人学硕f ：学位论文 善车辆排放性能。1 9 j 采用先进的微机控制技术提高工程机械的工作效率和作业质量，已成为我国工程机 械技术开发的重点。随着微电子技术和计算机基础技术的发展，单片机系统在传统机械 自动化改造中起到了重大的作用。同样，采用单片机为控制器的先进控制技术对传统的 推土机进行改造，使之在传统的机械操纵的基础上，能够根据具体工况自动控制铲刀的 升降，有效的解决了推土机作业过程中存在的问题。因此本论文的研究具有重要意义。 5 第一二章铲刀丁i 降微机拧制方案设计 第二章铲刀升降微机控制方案设计 本文主要针对推土机在铲掘作业过程中存在的问题，提出铲刀升降微机控制的设 想，该系统可以解决传统推土机操纵复杂、不易控制的缺陷，改变通过观察铲刀两边的 切土深度情况和倾听发动机的声音来控制铲刀升降的现状，从而提高推土机作业效率和 作业质量，减轻操作人员的劳动强度，实现推土机工作装置自动控制。 2 1推土机铲刀升降控制系统工作过程 推土机在进行铲掘工作时，操作人员手动控制铲刀强制切入土壤后，切换到自动控 制位置。当切土深度发生变化时，推土机铲刀受到的阻力也随之发生变化，阻力变化的 信号通过力传感器传给单片机组成的控制器，控制器控制电液比例换向阀，操纵铲刀升 降，适应外界载荷的变化。工作中，需根据推土机极限工况确定其工作阻力的上下极限 值( 即确定铲刀升降的临界值) ，系统还需要根据这两个极限值设定一个中间值( 中间 区域) 来确定比例换向阀的开关和流量。当推土机受到的阻力大于等于上限值时，控制 器控制电液换向阀打开，铲刀上升。在铲刀上升过程中，阻力不断减小，当阻力减小到 系统设定的中问值时，控制器控制比例换向阀切断供油，使铲刀提升油缸闭锁，继续铲 掘作业。同理，若推土机入土太浅使推土机受力小于下限值时，控制器则控制电液换向 阀向反方向供油，实现铲刀的下降，这样即可实现铲刀升降的自动控制。 由以上铲掘作业过程分析可知，铲刀升降控制系统主要根据推土机的工况对铲刀 进行实时的控制，使其保持在一个合理的工作范围内，该系统需要实现的功能目标有： 1 、在推土机操作台上有设计有“手动自动”两个按钮，在手动操作推土机在强制 入土后，铲刀升降油缸主控阀将油路闭锁，此时可以选择“自动”的工作状态； 2 、在“自动 工作状态下，控制系统对铲刀升降油缸内油液压力进行实时测量， 然后通过控制器将测得的实际压力与标定的压力上极限值进行比较分析，当实际压力大 于设定压力上限值时，则控制电液比例换向阀使铲刀上升； 3 、在铲刀上升的过程中，升降油缸内油液压力逐渐下降，此时需控制电磁比例换 向阀使得铲刀提升速度减慢，从而使实际压力逐渐逼近系统设定的中间值，当实际压力 小于等于设定压力中间值时，控制电磁阀关闭，停止铲刀上升，推土机继续运行；铲刀 下降过程同理。 4 、显示器显示当前铲刀升降油缸的压力，若系统异常，显示器显示故障代码并报 6 长安人学硕i ：学位论文 警，键盘控制显示器丌关、系统检测及铲刀复位等功能。 2 2 推土机铲刀升降微机控制系统方案设计 本论文在广泛学习国内外先进技术的基础上，在导师的指导下，对于铲刀升降控制 系统的控制信号采集以及实现方法、过程，提出以下几个方案。 2 2 1以发动机转速作为控制信号 推土机在一定的工况下，发动机输出功率一定时，铲刀负荷增加，转速下降；反之， 铲刀负荷减小，转速上升。所以选择发动机转速作为控制铲刀升降的控制信号是一个可 行方案，而且转速信号具有易测量的优点。实际工作中转速测量可用霍尔转速传感器采 用计算形式测量，简单、方便、快捷、实用。但是，这种方案只适用于机械式推土机， 对于液压式推土机，由于其发动机上的液力变矩器是一个无级变速器，发动机的转速随 外负荷的变化的范围很小，因此选择发动机转速作为控制信号不适用于液压式推土机， 适应面窄。 2 2 2 以推土机所受阻力作为控制信号 推土机在铲掘作业中，铲刀受到的推土阻力与铲刀切土深度成正比，切土越深，阻 力越大，故可以通过直接或间接测量推土机所受阻力的变化来控制推土机铲刀升降。 但是推土机在作业时受到的阻力相当复杂，有切削阻力、推土板前土堆运移阻力、 铲刀切削刃与地面摩擦阻力、土屑沿推土板面上升阻力、土屑沿推土板面侧移阻力、作 业阻力中行走阻力、坡道阻力、惯性阻力等。因此要选用推土机受力作为控制信号，对 于选择推土机的受力点，确定传感器的安装位置有较严格的要求。 一、以推土机铲刀作业部分受力作为控制信号 推土机作业过程中，铲刀直接与土壤作用，受力是最直接的，但由于推土机作业环 境十分恶劣，常常伴有剧烈的振动，偶尔还会遇到石块等硬物的冲击，受力不稳定，给 传感器的选择带来不便，而且铲刀的工作面是一条线( 切削刃) ，使传感器的安装也不 方便，故这个方案不可行。 二、以推土机顶推架支点受力作为控制信号 推土机进行推土以及铲掘作业时，主要靠顶推架提供推力行进，在顶推架支点受到 的力相对于其他分力较大，这个力能够真实的反映推土机铲刀的受力变化情况，可以作 为控制信号。但是由于项推架支点是一个球铰连接，若要在这个位置安装力传感器，必 7 第二章铲刀升降微机控制方案设计 须在球铰连接处进行特定的加工，而且传感器的耐冲击性要求很高，因此，这个方案也 不是最好的。 三、以推土机铲刀升降油缸内油液压力作为控制信号 铲掘作业时，推土机主要是靠铲刀自重和提升油缸的切入力将铲刀强制压入土壤， 在铲刀入土一定深度后，推土机的液压控制系统将提升油缸的油路闭锁，从而提供较大 的铲掘力。当铲刀受的到外力发生变化时，必然通过提升油缸的活塞传递给缸内的液压 油，使液压油所受的压力发生变化。虽然液压油的压力变化受到很多情况影响( 比如供 油泵供油的脉动、遇到硬物时受到的冲击) ，但是在油路闭锁时，并无供油脉动的影响， 而在铲刀升降时，供油的脉动可以通过实验设计合适的滤波器来进行滤波，同样外界较 大的冲击也可以进行滤波处理，因此铲刀提升油缸内液压油的压力变化真实的反映了铲 刀受力的变化情况。而且测量该油液压力的变化，只需在油缸壁专门的测压口安装压力 传感器，安装和测量都很方便。这个方案相对于以上两个方案是最方便可行的，故选用 推土机铲刀升降油缸内油液压力作为控制信号。 2 3 铲刀升降微机控制液压系统 推土机铲刀升降系统的液压系统是在原液压控制装置的基础上，在主控阀上并接电 液比例换向阀，以及与之连接的背压阀。该换向阀的开启和关闭以及流量大小和方向由 控制器控制。系统原理图如图2 1 所示。 其工作过程如下：在手动控制铲刀强制入土后，原有主控阀处在“中立 位置，铲 刀升降油缸的油路被切断；此时将工作状态切换到“自动”位置，控制器通过将测得的 压力信号不断的与设定的中间值进行分析比较并转化为一系列的方波脉冲，通过脉冲的 占空比和极性来控制电液比例换向阀的流量和方向。当推土机外载荷增大使铲刀提升油 缸内的油压超过压力上限值时，系统向有杆腔供油，无杆腔中的油推开单向阀向油箱回 油，提升铲刀。随着铲刀的提升，铲刀提升油缸内的压力减小，控制电液比例换向阀的 电流也逐渐变小，电液比例换向阀控制通向有杆腔中的油量变小，铲刀上升速度逐渐减 慢，使油缸内压力值逐渐逼近系统设定的中间值，直到铲刀提升油缸内油压等于或低于 这一设定值时，控制器驱动比例换向阀回到中位，停止向有杆腔供油。铲刀下降过程同 理。由于铲刀是逐渐上升和下降，因此可以避免由于快速升降而带来的铲刀不平稳的问 题。 8 k 安人学硕1 ：学位论文 铲 图2 1铲刀升降自动控制系统液压原理图 9 第三章推- l - 秽t 作业过程受力分析 第三章推土机作业过程中的受力分析 3 1 车辆动力传动系的运动学模型 若想得到车辆在行驶过程中受到的外界阻力，需要设定道路坡度b 、路面滚动阻力 系数z 、附着系数。等系数。 b = ( b 1 ，b 2 ，b n ) 1 = f b ( t ) z = ( z 1 2 2 ，z 1 1 ) t = f i ( t ) ( 3 1 ) = ( m 1 ，m 2 ，m 。) 1 = ( t ) 在一般路面上车辆所受的外力包括： 1 、滚动阻力 = z - 1 - z 2 v 2 喘 ( 3 2 ) 式中： z 1 一稳态滚动阻力系数； z 广动态滚动阻力系数； w 一车辆总重。 2 、坡道阻力 f 户旦 ( 3 3 )l g t 。如2 1 0 0 0 ：。j 式中b 为坡道角度。 3 、加速惯性阻力 ，：m 口；一w 口 ( 3 4 ) | g 式中g 为加速度。 4 、推土机的作业阻力，在推土机作业施工工况中产生。 作业阻力的计算相当复杂也很困难，这是由于影响作业阻力的因素很多，如土的种 类、土的物理机械性能、切削元件的结构参数等。 在计算作业阻力时，为了进行牵引力平衡，往往只分析它在水平方向上的分力 x ，工有以下几个因素组成：切土阻力互和推土板自订土堆运移阻力e 、铲刀切削 刃与地面摩擦阻力e ，土屑沿推土板上升阻力、土屑沿推土板面侧移阻力e 。 1 0 长安人学硕 ：学位论文 力。 数。 切土阻力f 。的表达式为： e k 6 f o = k 6 h b g s i n0 ( 3 5 ) 式中：单位面积土的切削阻力( p 。) ，可查表得到； f o 一切削土层沿推土机纵轴垂直方向的投影面积( m 2 ) ： h 平均切土深度( m ) ： b 广推土板宽( m ) ； 9 - 匡土板水平回转角。 除f 。外的其他几项作业阻力计算，国外推荐以下的经验计算公式： t + b + 只+ e = 0 8 ( 7 ， ( 3 6 ) 式中g 为推土板前土堆重。 一般来说，作业阻力中切土阻力最大，因此在本文中为了计算简便只考虑了切土阻 由力的平衡方程式可得到道路阻力： f m d = f i ( 隧+ f m | l + f g 妊+ f f 3 - ) 更改外界阻力条件，可以得到车辆在不同外界阻力行驶条件下车辆或部件的性能参 3 2 铲刀强制入土铲刀升降油缸受力分析 推土机在铲土时，铲刀受力有土对铲刀切削刃的反力昂、铲刀自重、顶推架铰 点的水平反力x 叫和垂直反力z c m 。其中昂可看作由两部分组成：一部分是土对铲刀切 削刃的水平反力r 1 和土的垂直尺l 反力恐的合力r ；另一部分是铲刀前面的土堆对推土板 的法向压力n c 和土与推土板之问的摩擦力f c 的合力r c ，受力分析如图3 1 所示。 第三章推十机作业过程受力分析 图3 1 捱土机铲了 受力分析 铲刀切入土壤的切入力，为油缸中的活塞杆推压力s b ，s b 的最大f f s p 可按推土机的 纵向稳定条件确定，如图3 2 所示，当推土铲刀被活塞杆强制压入土壤时，若遇到不可克 服的障碍物，推土机即绕履带后端k 点倾翻。假设此时切削深度为零，计算s p 时，以机 身为研究对象，此时，s p 方向向上，对k 点取矩，有： m t = o g 去。厶+ z 叫一x 叫。m s 尸吃= 0 ( 3 8 ) 以铲刀装置为分离体，列平衡方程如下： 由m 。= 0 得：z c 1 + x c 朋一s p 。乞一g g 。( z - i g ) ；0 由x = 0 得：p x + s p 。c o s 0 一x c 一0 即：一z 伽；z c ；g g ( 1 - 1 0 ) + _ s p r o - 一x c m ( 3 9 ) 一x c m = x c = s pc o s o + b ( 3 1 0 ) 南卜式可以解得： s p = g t s l k + z c m r c xc m m 吃 s p 铲刀强制入土时油缸得最大推力； z c m 一顶推架在推土机台车架上的垂直作用力； x 叫一顶推架在推土机台车架上的水平作用力； 一推土机机身使用重量： 1 2 ( 3 1 1 ) k 安人学硕j j 学位论文 z c 一顶推架支点上的垂直作用力； g g 一铲刀的重量； x c 一顶推架支点上的水平作用力。 图3 2 铲刀强制入土时推土机受力 s b 的最小值s h 可按推土机顶推架的平衡条件确定，对顶推架铰接点c 点取矩，由 e m 。= 0 得： g g z g + r 1 m r 2 j + s r = 0 ( 3 1 2 ) 将尺l 一肛1 尺2 ；r 2 = 1 0 2 k 2 x b g 代入上式得： s h ；1 0 2 k 2 x b g ( 1 - 1 a m ) - g j g ( 3 1 3 ) = 一 k j 1 jj 式中：s h _ 铲刀强制入土时油缸最小推力，单位为n ； l 一地面承载系数，即单位面积土得支承力，单位为m p a ，中等土取k 2 = 0 4 0 6 ： x 一刀刃与地面摩擦部分长度，单位为c m ，考虑到刀刃的磨损，一般取x = 0 7 1 0 ： b 厂刀片宽，单位为c m ； l 一土与钢铁的摩擦系数，一般取g l - - 1 。 1 3 第三章推十_ 机作业过程受力分析 3 3 铲掘作业铲刀升降油缸受力分析 铲掘作业时，推土机向前水平运行，推土铲刀处于固定位置，则： j - - 0 最+ 。c o s o k = o ( 3 1 4 ) 贼& = 警 x r 一顶推架支点反力水平分力； 一切削阻力，k n ； 昂一油缸作用力，k n ： 臼一油缸轴线与水平面夹角，( 。) 。【1 0 j 3 4 本章小结 通过以上受力分析，可知推土机在铲掘作业过程中，强制入土的推力是由铲刀提升 油缸提供的，在铲刀强制入土后，提升油缸换向阀处于“中位”，即通往铲刀油缸的油 路被切断，推土机顶推架提供推力使推土机行进，而此时提升油缸受力是推土机阻力的 一个分力，提升油缸对铲刀的推力与油缸杆所受的反力为一对平衡力，而油缸杆所受反 力作用于缸内液压油，则该力与液压油的压力也是一对平衡力，因此外界阻力的变化或 者波动会使得提升油缸受力发生变化，使液压油的压力发生变化。 本文正是考虑到液压油压力的变化是外界推土阻力变化的间接反映，而且油缸内油 压便于测量，故提出以铲刀提升油缸内油液压力作为控制信号，通过控制器的计算比较 控制推土铲刀的升降，实现推土机铲刀升降的自动控制功能。 1 4 长安人学硕一1 ：学位论文 第四章铲刀升降微机控制系统硬件设计 铲刀升降微机控制系统是一个集机械、单片机控制部分、液压传动部件于一体的机 电液一体化联合系统。控制部分主要有单片机主控电路、传感器电路、执行器电路等构 成的，从而来完成对铲刀动作的核心控制，这一控制部分是整个控制系统的关键部位。 4 1 概述 4 1 1 铲刀升降微机控制原理 在铲掘过程中，以装在推土机铲刀升降油缸上的压力传感器测的油液压力信号作为 控制信号，信号经过滤波、d 转换等一系列的信号处理之后，送入由8 0 5 1 单片机组成 的控制器。控制器随即进行数据处理，将得到的数据与预设值进行比较，然后将控制信 号传递到执行器，执行器通过控制推土机液压系统比例换向阀的的换向来实现铲刀的升 降。 铲刀升降微机控制系统的具体控制过程：推土机铲刀在强制力入土后，切换到自动 控制系统，铲刀在顶推架的推力作用下将土推移。当切土深度发生变化时，会引起推土 机推土阻力的变化，这一变化又会引起铲刀提升油缸内油压的波动，通过测量提升油缸 内油压的变化便可间接得到铲刀负荷变化情况，压力传感器将压力变化信号变为一个电 压值，控制器将这一电压值与系统设定的电压值不断的进行比较并把，并根据采样定理 将比较结果转化为一系列的宽度可调制的脉冲信号。当实际电压超出设定值较多时，脉 冲高电平的时间与低电平的时间比较大( 占空比较大) ，此时控制换向阀的电流较大， 换向阀的流量较大，铲刀提升较快；随着铲刀的提升，阻力不断减小，传感器测得的电 压值与系统设定值之差也不断减小，占空比变小，控制比例换向阀的电流也变小，换向 阀流量变小，铲刀提升速度逐渐变慢，使实际压力值缓慢的向设定的中间值逼近。同理， 当实际的电压值小于系统设定的压力值时，控制器将比较结果转化为一系列的负脉冲， 此时便控制换向阀向相反方向移动，控制铲刀下降。 由于自动控制系统要根据外界阻力的变化情况，不断的控制电液比例换向阀的流量 和方向来调节铲刀的高低位置，因此压力传感器需要对铲刀升降油缸内油压进行实时测 量。在工作中难免有各种各样的干扰，特别是油泵本身供油也会存在压力波动，这样采 集得到的信号中就会混杂一些干扰信号，会导致控制系统做出错误的判断，从而影响系 统的执行精度，因此系统中必须装有相应的滤波器。经过滤波的信号为模拟信号，需要 1 5 第四章扮十机铲刀丁 降自动控制系统硬件设计 经过a d 转换器进行转换，转换好的数字信号传给8 0 5 1 单片机组成的控制器，控制器输 出信号经过d a 转换后，控制电液比例换向阀，操纵铲刀升降。同时，控制器还将压力 传感器采集的电压值根据一定的传递函数转换为实际压力值，通过显示器显示显示。 控制原理图如图4 1 所示。 图4 1铲刀升降系统控制原理图 4 1 2 系统设计原则 系统硬件设计时，本着以下的三个原则： 一、系统的可靠性 从元件的选型开始，就要电路板的可靠性放在首要考虑的位置上。选型时要注重元 器件的性能，尽量选择更优越、更适合推土机作业环境的芯片。 二、操作性能优良 1 6 长安人学硕l ：学位论文 它主要针对使用方便和维修容易。无论在硬件与软件上，尽量使系统简单、可靠， 易于操作人员的应用，同时便于系统的推广应用。 三、通用性强，便于扩充 微机系统要尽可能广泛地适应各种不同的外围设备和应用环境，在系统环境复杂、 设备更新时，不必进行大的改动就可以适应新的情况。1 9 l 4 1 3 控制系统硬件结构 工程机械控制系统常用的控制器有p l c ( 可编程控制器) 、d s p ( 数字信号处理器) 、 单片机以及工程机械专用控制器。p l c l 较简单，但是运算能力较差，开发成本相对较 高；d s p 是为完成实时数字信号处理任务而设计的微处理器，其特点是对数字信号的实 时高效处理，对于本系统而言较为复杂：工程机械专用控制器主要是模块化产品，其外 观视觉效果好，功能强大，但是价格很高，而且本身较为复杂，不适合在本系统用应用。 单片机有较高的运算速度，开发成本低，结构简单，易于开发；另外，单片机的应 用已经非常的广泛，具有许多可以借鉴的经验，为控制器的设计带来方便。考虑到推土 机铲刀自动控制系统的特点，本文采用单片机中应用广泛的8 0 5 1 单片机作为控制器。 控制器除了用8 0 5 1 芯片作为核心外，还包括显示驱动芯片m a x 7 2 1 9 、看门狗 m a x 7 0 6 、电压变换芯片m c 3 4 0 6 3 a 以及外围硬件等。控制系统结构如图4 2 所示。 嚣鬻处j 莎 一一7 2 1 9 卜 l e u 显示器 理后的信号 j y 电源电压 复位电路 8 0 5 1 l 时钟电路 按键输入- - q 叭张器卜 比例换 向阀 图4 2控制系统结构图 一、8 0 5 1 单片机简介 1 、8 0 5 1 微控制器的主要特征 1 7 第四章推十机铲川升降自动控制系统硬件设计 4 个8 位i o ( 输入输出) 端口 2 个1 6 位定时器 1 个串行接口 6 4 k b 外部代码存储器空间 6 4 k b 外部数据存储器空间 2 、8 0 5 1 引脚及主要功能 8 0 5 1 各引脚排列如图4 3 所示，各引脚功能简要说明如下： 图4 38 0 5 1 引脚 ( 1 ) 端口线( 3 2 条) p 0 口( p 0 o p 0 7 ，3 9 3 2 脚) ：p 0 口是三态输入输出接口，既可作为并行帕口， 也可作为数据总线口。 p 1 口( p 1 o p 1 7 ，1 8 脚) ：p 1 口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向i o 端口， 可以作为通用输入输出口使用，p 1 口的每一位可以独立的定义为输入或者输出，因此 p 1 口既可以作为8 位并行输入输出口，又可以为8 位相互独立的输入输出端。 p 2 口( p 2 o p 2 7 ，2 1 - - 2 8 脚) ：p 2 口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向i o 端 口，也可作为通用输入输出口使用，作用与p 1 口相同。当外接数据存储器时，若r a m 1 8 长安人学硕i ：学位论文 小于2 5 6 b ，用r 0 、r 1 作问址寄存器，只需p 0 口输出地址低8 位，p 2 口可以用作通用 i 0 口：若r a m 大于2 5 6 b ，必须用1 6 位寄存器d r t r 作间址寄存器，则p 2 口只能在 一定限度内作一般i o 口使用。 p 3 口( p 3 0 p 3 7 ，1 0 1 7 脚) ：p 3 口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向i o 端口。 该口的每一位可独立的定义为第二功能，作为第一功能使用时，p 0 口的结构与操作和 p 1 口相同，p 3 口为第二功能时各位的定义如表4 1 所示。 表4 1p 3 口的第二功能定义 端口引脚第二功能 p 3 0 r x d ( 串行输入口) p 3 1t x d ( 串行输出口) p 3 2i n t 0 ( 外部中断0 ) p 3 3i n t l ( 外部中断1 ) p 3 4 t o ( 定时器0 外部中断) p 3 5t 1 ( 定时器1 外部中断) p 3 6w r ( 外部数据存储器写信号) p 3 7 r d ( 外部数据存储器读信号) ( 2 ) 控制线( 6 条) x t a l l ( 1 8 脚) ：接外部晶体和微调电容的一端；在8 0 5 1 片内它是振荡电路反相 放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引 脚输入外部时钟脉冲。 x t a l 2 ( 1 9 脚) ：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大 器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。 r s t p d ( 9 脚) ：r s t 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器 周期( 2 4 个时钟振荡周期) 的高电平时，就可以完成复位操作。r s t 引脚的第二个功 能时v m ，即备用电源的输入端。当主电源v c c 发生故障，降低到低电平规定值时，将 + 5 v 电源自动接入r s t 端，为r a m 提供备用电源，以保证存储在r a m 中的信息不丢 失，从而使复位后能继续正常运行。【冽f 2 9 】【刈 二、l e d 显示器及显示驱动芯片 对于推土机铲刀升降自动控制系统而言，显示器也是一个不可忽略的部分。在单片 机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) ；液 1 9 第叫章推十机铲7 j s i 降自动控制系统硬件设计 晶显示器，简称l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) ；荧光管显示器。其中发光二极管显示器 结构、原理简单，使用方便，是最常用的显示器之一。而且近年来随着一些简便适用的 l e d 显示接口电路如m a x i m 公司的m a x 7 2 1 9 芯片、m o t o r o l a 公司的m c l 4 4 9 9 芯片等，这些芯片的集成度高、将锁存、译码、驱动、扫描、时钟都集成在一片i c 上， 使得单片机的外围电路大大简化，对单片机的软、硬件资源的占用也大大减少。 本文考虑到推土机铲刀自动控制系统需要显示的内容以及特点，采用m a x 7 2 1 9 显 示驱动芯片来设计7 段8 位l e d 显示器，使其显示铲刀液压系统压力。 1 、发光二极管及l e d 显示器概述 发光二极管是由半导体发光材料做成的p n 结，只要在发光二极管两端通过正向电 流5 - 2 0 m a 就能达到正常发光。l e d 的发光颜色通常有