推土机铲刀升降微机控制系统探析

蔡孝敏

（鞍钢建设集团有限公司，辽宁 鞍山 114002）

1 引言

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，己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。

2 推土机铲刀升降控制系统工作原理

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间值时，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。

3 推土机铲刀升降微机控制系统方案设计

3.1 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。

3.2 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。但是由于顶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。

4 铲刀升降的微机控制原理及液压系统控制

4.1 铲刀升降的微机控制原理

铲刀升降在铲掘过程中，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、川转换等一系列的信号处理之后，送入由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，需要经过川转换器进行转换，转换好的数字信号传给单片机组成的控制器，控制器输出信号经过转换后，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。

4.2 铲刀升降液压系统的微机控制

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。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。

[1]卢和铭，刘良臣.现代铲土运输机械[M].人民交通出版社,2003.

[2]周粤秋，邓爱民等.现代工程机械[M].人民交通出版社,2004.