日立 EX 系列液压挖掘机机电一体化控制系统分析

1、日立EX系列液压挖掘机机电一体化控制系统分析重庆建筑大学刘振军内容摘要:当今液压挖掘机机电一体化程度越来越高,控制性能不断提高,能量损失大大减小。本文以EX100W D2轮式挖掘机为例,分析介绍了采用微机控制的新一代日立EX系列液压挖掘机的机电一体化控制系统。关键词:液压挖掘机机电一体化控制系统系统分析日立EX系列液压挖掘机采用微处理器控制,使用了高速开关电磁阀控制的变量泵、负载传感控制阀、可变压力补偿阀、比例电磁阀等新技术,使整机性能有了质的飞跃,属于机电一体化程度较高的新一代挖掘机。该机的电子式负载传感系统通过分布在系统不同位置的11个传感器和多个开关,将负载、速度及工作模式等数据信号传回

2、到架驶室内的微机处理系统,处理后的指令信号又通过控制器输给各控制电机、电磁阀等,对发动机、液压泵及阀等进行精确控制,使机器的动作、速度等与工作方式和负载条件相适应,真正实现了对全部功能动作的精确控制及发动机输出功率与负载需求的匹配,能量损失大为减少。此外,该机微处理系统中的自动诊断功能可对挖掘机40种以上的工作状态进行瞬时检测,为故障诊断提供了方便。该系列挖掘机有轮胎式和履带式,其控制系统主要部分基本相同。本文将以EX100W D2轮式挖掘机为例,分析介绍该系列挖掘机机电一体化控制系统。控制系统主要部分如图1。1微处理控制器及输入输出信号控制系统采用两个微处理控制器,即泵阀控制器和发动机控制器

3、来对整个系统进行控制。它们从系统中各传感器和各种开关接收电信号,对所接收的信号进行分析处理后,发出控制信号,通过发动机油门开度控制马达、开关电磁阀、比例电磁阀等对发动机转速、液压泵排量、压力补偿阀开度等进行自动控制,使机器随时处于最佳工作状态。泵阀控制器和发动机控制器的输入输出信号如图2。2发动机转速控制发动机转速的控制是由发动机油门开度控制马达经减速机构、T 形杠杆及软轴操纵喷油泵调速拉图111高速开关阀121高速开关阀231液压油温传感器41油门开度马达51油门开度传感器61发动机转速传感器71泵缸体摆角传感器81压力传感器91压差传感器101溢流阀111梭阀121可变压力补偿阀131比例

4、电磁阀组141卸荷阀151先导泵杆实现的(图3。发动机控制器从操作板上的功率选择开关、发动机转速调整开关和自动怠速开关及与T形杠杆相连的发动机油门开度传感器接收信号,对这些信号分析处理后向发动机油门开度控制 图 2图311喷油泵调速拉杆21熄火电机31应急继电器41开关板51发动机控制器61油门开度步进马达71钥匙开关81发动机油压开关91行走先导压力开关101前进后退档位开关111制动开关121行走模式开关131泵阀控制器141油门开度传感器马达发送脉冲信号。发动机油门开度控制马达是一个步进马达,其旋转角度与控制脉冲信号频率成线性关系,所以脉冲信号的频率决定发动机油门开度马达的转角,从而精确

5、控制了发动机转速。211发动机转速的设定发动机转速的设定是由油门开度传感器检测喷油泵调速拉杆位置,通过发动机控制器的内部程序控制油门开度控制马达位置完成的。在油门开度控制马达带动喷油泵调速拉杆运动过程中,带动油门开度传感器转动,油门开度传感器将调速拉杆的转动角度转换为电压信号反馈给发动机控制器,发动机控制器将该电压信号与其内部程序设定值进行比较,然后根据功率选择开关和转速调整开关的设定,输出一定频率的脉冲信号,确定不同工况时油门开度马达的转角位置。打开钥匙开关时,油门开度马达带动调速拉杆从停止位置转至起动位置,发动机转速的各设定位置与油门开度位置如图4,一般行走工况需要的功率比作业工况大 。图

6、4212作业工况发动机转速控制在作业工况,发动机转速用操作板上的功率选择开关和转速调整开关设置,四个功率选择开关按钮可分别将发动机转速设置为怠速工况I 、轻载工况L 、经济作业工况E 和动力作业工况P 。转速调整开关可在功率选择开关设置的四种工况之间调整发动机转速,以适应不同作业条件的需要。还可用功率选择开关和加速踏板一起控制发动机转速,此时发动机控制器从行走制动开关和加速踏板压力传感器接收信号,将传感器输出的信号与功率选择开关的信号进行比较,按两者较高的值控制油门开度马达调节发动机的转速(图5,使转速调节更方便。213自动怠速控制自动怠速控制功能可使机器在作业过程中,一旦操纵手柄回中位4秒钟

7、后,发动机转速自动降至怠速。当按下操作板上的自动怠速开关,发动机控制器接收到自动怠速开关接通的信号,操纵手柄回中位时,先导液压回路中的压力开关断开,停止向泵阀控制阀发送信号,4秒钟内不继续操作操纵手柄,发动机控制器便向油门开度马达发出指令,发动机转 图5速降至怠速,使油耗和噪音减低。再搬动操纵手柄时,发动机转速又上升到设置的转速。214行走工况发动机转速控制行走工况发动机转速由加速踏板控制。加速踏板推动行走先导阀,先导阀输出的先导压力油通过前进后退档位电磁阀控制行走液压马达的主滑阀。先导阀输出油路上装有压力传感器,传感器输出电压与先导阀的输出压力成正比,即与加速踏板行程成正比。发动机控制器接收

8、到传感器输出的电压信号,同时从行走制动开关、前进后退档位开关及行走模式开关接收信号,向油门开度马达发送信号,根据加速踏板的行程调节发动机转速。行走工况发动机最高转速通过行走模式E P选择开关设置限定,E 模式为经济行走模式,发动机最高转速设定为2100r m in,用于平路行走。P模式为上坡模式,最高转速为2500r m in,用于上坡时发动机提供额外动力。在行走P模式工况,有一个速度感应控制功能,当加速踏板踩到底时,发动机转速提高到2400r m in以上,发动机控制器通过转速传感器检测到该转速信号,向泵阀控制器发出开始速度感应控制指令,同时检测到实际转速与设定的2400r m in的转速差

9、,泵阀控制器便向液压泵变量机构发出信号增大液压泵的输出扭矩,使发动机功率增大到极限值。在前进后退档位开关置于空档位置时,发动机控制器命令油门开度马达使发动机转速自动降至怠速。档位开关置于前进档或后退档时,发动机转速会自动提高到行走怠速(1100r m in。此外,在行走过程中,如果突然松开加速踏板,发动机控制器会使发动机转速慢慢减小,防止行驶减速度过大造成的冲击。215发动机熄火控制发动机熄火是由油门开度马达和熄火马达共同控制的。当钥匙开关转至熄火位置时,油门开度马达使喷油泵调速拉杆回到停车位置,将供油量减至小于维持发动机运转所必需的最小油量,同时应急继电器动作,通过熄火马达切断燃油供给,迫使

10、发动机熄火。应急继电器电路还与发动机机油压力传感器相连,发动机运转时如机油压力降至允许值以下时, 3秒钟后应急继电器动作,在启动过程中10秒钟内机油压力不能上升到允许压力,应急继电器动作,熄火马达切断供油,迫使发动机熄火,从而使发动机得到了保护。3液压系统负载传感控制该机的电子式负载传感控制系统由变量泵、中闭式负载传感多路阀、卸荷阀、压差传感器及电气控制部分组成。由压差传感器检测负载压力,通过泵阀控制器发出指令,根据负载的需求调节液压泵排量,使泵输出压力始终比负载压力高出一不大的恒定值(设定压力115M Pa,从而保证液压泵输出功率与负载相适应,减小能量损失。311液压泵排量调节原理主液压泵为

11、斜轴式变量柱塞泵,泵的排量调节是通过变量控制回路中的两个高速开关电磁阀的通断,控制进入变量伺服缸两腔的先导压力油,改变缸体的摆角来实现的,缸体的摆角可在224范围内变化。高速开关电磁阀的通断则是由泵阀控制器发出的电信号控制的。高速开关阀的迅速启闭精确地调节进入变量伺服缸的流量从而调节液压泵的排量。变量过程如下:压差传感器A口与液压泵输出油道相连,B口径节流口a及梭阀与主滑阀负载传感油道相连,在工作时压差传感器不断检测出负载最大的执行元件的工作压力与液压泵输出压力之间的压差,并将该压差转换成电压信号(图6送入泵阀控制器,根据压差的大小,泵阀控制器向高速开关阀发出开关指令信号。当压差小于115M

12、Pa时,高速开关阀1关闭,高速开关阀2打开,先导泵的控制压力油进入变量伺服缸小腔,伺服缸大腔与油箱连通,变量活塞左移(见图1,柱塞泵缸体摆角增大,泵的排量增加。压差大于115M Pa时,高速开关阀1打开,高速开关阀2关闭,先导泵的压力油同时进入伺服缸的大小腔,在大小腔差动力作用下,变量活塞右移,缸体摆角减小使泵排量变小。压差等于115M Pa 时两高速开关阀均关闭,伺服缸大腔油路被切断,活塞不能运动,泵的排量便保持不变。压差传感器上压差与液压泵排量变化关系如图7。312中位控制 图6 图7中闭式换向阀主滑阀处于中位时,液压泵输出油道被切断,泵的输出压力上升,作用于卸荷阀14的控制口b ,压力达

13、到卸荷阀调定压力(2M Pa 时,卸荷阀开启使系统卸荷。压差传感器B 口经梭阀、换向阀中位油道通油箱,B 口压力为零,此时压差传感器两端压差为2M Pa ,泵阀控制器向高速开关阀发出信号,使泵缸体转至最小摆角,于是泵以仅维持该压力下系统内泄漏的最小排量运转,功率损失很小,仅为卸荷压力与维持此压力的内漏流量的乘积。313微动控制在操纵先导操作手柄进行微动操纵时,先导压力油根据操纵手柄行程大小打开主滑阀,泵输出压力油经可变压力补偿阀和主滑阀进入执行元件,同时经主滑阀负载传感油道的压力油经过梭阀和节流口a 作用于压差传感器B 口和卸荷阀弹簧腔,卸荷阀关闭。由于主滑阀的节流作用,在主滑阀上产生压力降,

14、所以压差传感器B 口压力总是小于A 口压力。当压差小于115M Pa 时,泵阀控制器向高速开关阀发出信号使泵排量增大,压差大于115M Pa 时泵排量减小,使泵的输出流量始终按执行元件运动速度的需求而调节,没有流量损失。314超压控制当负载过大执行元件不能克服工作阻力或液压缸运动到终点而操纵手柄没回中位时,泵出口压力升高,经主滑阀负载传感油道、梭阀和节流口a 的压力达到溢流阀调定压力(33M Pa 时,溢流阀开启溢流。由于可变压力补偿阀、主滑阀油道及节流口a 的节流作用,泵出口压力大于溢流压力。当泵输出压力达到此时卸荷阀开启压力(克服弹簧力所需压力2M Pa 加溢流阀调定压力33M Pa 时,

15、卸荷阀打开卸荷。这时压差传感器上的压差大于115M Pa ,泵阀控制器命令高速开关关闭减小泵的排量,同时泵出口压力传感器检测到此时压力达到超压设定值,通过泵阀控制器和高速开关阀,进一步使泵排量减小到最小值,泵便工作于“零排量调节”状态,实现了超压切断控制。4多路阀压力补偿控制该机液压系统采用单泵供油,对于多个回路并联的系统,当各执行元件的负载不同时将无法进行复合动作。采用带可变压力补偿阀的多路换向阀,每个主滑阀前串联一个可变压力补偿阀,补偿阀的开度由主滑阀前后压差和经减压阀减压的先导油压以及比例电磁阀的输出压力共同控制,通过补偿阀开度的变化来控制进入主滑阀的流量,保证复合动作的实现,以及不同作

16、业方式时,对各执行元件不同速度要求的控制。411复合动作控制在同时操作几个执行元件进行复合动作时,先导压力油打开主滑阀,泵输出的压力油首先进入负载较小的执行元件,压差传感器先检测出与压力较低的执行元件相关的压差。泵阀控制器收到压差传感器信号以及先导操纵回路上压力开关的信号,判断为几个执行元件正在被操纵,于是向高速开关阀发出信号增大泵排量,同时也向比例电磁阀发送控制电信号,提高比例电磁阀输出压力,该压力作用于补偿阀上,使负载较低的回路中的补偿阀开度减小,限制流向负载小的执行元件的流量,液压泵输出压力上升。然后通过各组主滑阀中的梭阀,压差传感器上的压差降为零(负载较高的执行元件动作以前A 、B 口

17、压力相等,泵阀控制器使泵排量继续增大,压力继续上升,直到负载较大的执行元件开始动作。重复上述过程,最终使负载最大的执行元件动作。压差传感器检测出与负载最大的执行元件相关的压差,(下转35页3.6柔性制造技术(FM T9柔性制造技术(FM T,F lex ib le M anufactu ring T echno logy以微电子技术、计算机技术、智能化技术为支柱,与传统制造技术融合,具有先进性、柔性、自动化、智能化、省力和高效的制造技术。它是从机械转换、刀具更换、夹具可调、模具转位等硬件柔性化的基础上发展成为自动变换、人机对话转换、智能化任意变化地对不同加工对象实现程序化柔性制造加工的一种崭新

18、技术。FM T是对各种不同形状加工对象进行有效地且适应性地转化为成品的各种技术的总称。4结束语对先进制造技术的内涵,有狭义和广义两种理解。狭义的理解,先进制造技术仅是“使原材料成为产品所运用的各种先进技术”。但是,现代制造不仅仅指制造产品,而是指从市场调查、战略决策、产品开发设计、原材料采购进货、加工生产、售后服务、市场反馈、以及环境保护到人才引进、培养和职工培训等等一个完整的系统工程的统筹实施过程。因此,广义的理解,先进制造技术是“制定、实施并完成产品制造系统工程所运用的各种先进技术。”先进制造技术是一个国家、一个民族赖以繁荣昌盛的最根本的基础。要振兴中国制造业,振兴中华,发展先进制造技术是

19、至关重要的。因此,加强对先进制造技术的研究、开发和运用,是国家目标、国家利益和全社会利益。参考文献1蔡建国1采用成组技术,赢得竞争优势1机电一体化,1996,6:262邹元超1论标准化在中国式先进制造模式中的地位和作用1中国标准化,1997,4:793邹元超1略论先进制造技术的层次1中国工程师,1996,5:13144房贵如,刘维汉1先进制造技术的总体发展过程和趋势.中国机械工程,1995,6(3:7105张申生1我国研究先进制造技术应重视的几个问题1中国机械工程,1995,6(4:466李沛钰1振兴中国机械工业的必然途径1工厂建设与设计,1996,6:25277吴澄,熊光楞1计算机集成制造系

20、统1百科知识,1994,12:40418邹元超1采用GT重组机械工业生产结构1成组技术与生产现代化,1997,1:36转129李指俊1柔性制造技术及其发展趋势1机电一体化,1996,1:1518作者地址:武汉市武昌余家头水运村722126号邮政编码:430063收稿日期:1997.4.25(上接43页并按此压差进行负载传感控制。当负载较小的执行元件上的载荷发生变化时,主滑阀前后压差也发生变化,该压差作用于补偿阀上与比例电磁阀输出压力一起调节补偿阀的开度。这样,通过调节各回路中补偿阀的开度,使负载不同的各执行元件的流量合理分配,实现了复合动作的需要。在进行单独操作时,泵阀控制阀通过先导压力开关检

21、测到只有一个执行元件被操纵,因此不向比例电磁阀发送信号,可变压力补偿阀处于全开状态。412不同作业方式的控制通过作业方式选择开关可设定四种作业方式:一般作业方式、挖沟作业方式、平整作业方式和精细作业方式。泵阀控制器收到作业方式选择开关信号,向各比例电磁阀发送控制信号,通过控制各可变压力补偿阀开度,实现不同作业方式时对各执行元件动作和速度的控制。一般作业方式时,所有执行元件均可正常动作,以满足一般装卸需要。挖沟作业方式时,当回转与动臂提升同时操纵时,回转动作优先。平整作业方式下,斗杆收回的同时动臂提升和铲斗的动作变慢,一旦斗杆收回动作停止,动臂和铲斗的动作速度恢复正常。精细作业方式下除动臂下降动

22、作外,所有其它动作都控制在低速。从而使操作精确性得以提高。参考文献1米智楠等1高速开关阀及其应用1工程机械与维修,19961412王长江1当今挖掘机对液压系统的要求及液压系统发展方向1工程机械与维修119971113周明龙1国外机电一体化技术在液压挖掘机上的应用1工程机械与维修,1996141作者地址:重庆建筑大学机电学院邮政编码: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: