液壓挖掘機工作裝置多模式功率自動控制系統設計

周潛，陳海虹，陳乾林，陳明強

(1.貴州大學機械制造及其自動化學院工程機械系，貴州貴陽550025;2.貴州理工學院機械工程學院，貴州貴陽550003)

在土石方作業中，由于土壤類別、土壤級配和土壤含水率等不同使土的力學性能差別很大，因此，針對千差萬別的土壤負載，液壓挖掘機要耗費的能量往往差別很大。實際工作中，一般是靠操作人員對所需挖掘力大小進行主觀判斷，然后使用手動功率調節系統進行操作。顯然，這種功率調節方式主觀性大，發動機的功率也不能得到有效利用，液壓挖掘機的工作效率也會受到一定影響。

以下介紹了一種適用于多種工況下的液壓挖掘機工作裝置功率調節自動控制系統的設計，該系統實現了液壓挖掘機工況和功率的自動合理匹配，從而降低操作人員的勞動強度、減少系統的能量損失、提高系統精度、增強系統靈敏度和提高作業工作效率，最終提高整機性能。

1 工況研究

根據液壓挖掘機的不同作業情況和要求，可以把它的工況分為6種，相應地發動機也有6種功率模式，能夠基本滿足壓挖掘機的不同作業情況和要求。下面以日本五十鈴AH-4HK1X柴油機為研究對象，其額定轉速ne為2 000 r/min，怠速nD為 1 000 r/min。可以得出不同功率模式下，柴油機轉速的對應關系，如表1所示。

表1 工作模式－柴油機轉速匹配表

在此功率模式下通常，S、C和L工作模式統稱為S(Saving Power Mode)——經濟模式。

2 方案設計

2.1 總體設計

液壓挖掘機工作裝置功率調節自動控制系統的總體方案如圖1所示。

圖1 液壓挖掘機工作裝置功率調節自動控制系統的總體方案

工作對象將外負載的情況傳遞給壓力傳感器，傳感器將信號傳遞給控制器，控制器發出信號控制調速裝置。然后對發動機的轉速進行調節，使其與外負載所需的功率自動相適應，這樣操作人員就能從頻繁手動設定功率模式的操作中解放出來，最終實現液壓挖掘機工作裝置功率調節的自動化控制。

2.2 硬件設計

2.2.1 單片機的選擇

采用單片機STC90C516RD+作為核心控制元件，具體的型號為STC90C516RD+40I-PDIP40，是宏晶科技STC新推出的一款單片機，具有低功耗、抗干擾能力超強、容量大、運行速度快和低功耗等特點。由于其內核仍然是51單片機，所以與傳統8051單片機的指令完全兼容，不會影響程序的編寫。因此，在軟件設計中如果找不到系統所選單片機的型號，可以選擇軟件中存在的其他相應的51單片機進行替換。

2.2.2 傳感器的選擇

液壓挖掘機工作裝置功率調節自動控制系統的信息采集是通過3個壓力傳感器來獲取的，它們分別安裝在鏟斗油缸、斗桿油缸和動臂油缸上。文中針對一款工作壓力為0～32 MPa的20 t液壓挖掘機進行研究，選用的壓力傳感器的工作范圍要大于32 MPa。選用西德福P33S3B086002壓力變送器作為工況信息采集裝置，其測量范圍為0～40 MPa。

2.2.3 電路圖設計

系統的工況采集電路采用3條相同數據采集通道，依次采集鏟斗油缸、斗桿油缸和動臂油缸的側壓力信息，然后由單片機對這組數據進行分析和處理。圖2為工況采集電路。

圖2 工況采集電路

單片機首先要對每組數據進行分析處理，然后輸出控制信號，最后通過功率控制電路對發動機進行控制，從而實現液壓挖掘機工作裝置功率自動調節，圖3為控制電路圖。

圖3 功率控制電路圖

2.3 軟件設計

2.3.1 主程序系統

液壓挖掘機工作裝置功率調節自動控制系統剛開始工作是處于怠速模式 (即功率模式D)，通常情況系統自動進入功率調節自動控制模式 (即自動模式)進行功率自動調節，如果操作人員對液壓挖掘機的操作技巧非常熟練可直接通過按鍵進行功率調節。(有鍵按下指的是在自動模式和人工模式中選擇哪種模式。)主程序流程圖如圖4所示。

2.3.2 初始化子程序流程圖

液壓挖掘機剛開始工作時，系統處于怠速模式(即功率模式D)，無報警，顯示默認自動模式。初始化子程序流程圖如圖5所示。

圖4 主程序流程圖

圖5 初始化子程序流程圖

2.3.3 自動模式子程序設計

壓力變送器對壓力信息進行采集并送入單片機進行處理，然后根據處理結果進行越界判斷和處理或者進行功率調節，最后通過LCD1602對目前的工作狀態進行顯示，自動模式子程序流程如圖6所示。

2.3.4 人工模式子程序設計

按鍵被按下才能進入人工模式，然后通過按鍵處理的結果進行功率控制，最后通過LCD1602對目前的工作狀態進行顯示，人工模式子程序流程如圖7所示。

圖6 自動模式子程序流程圖

3 建模與仿真

圖7 人工模式子程序流程圖

對6種自動模式進行調試與仿真，以下為自動模式下的H模式的仿真結果，當一組信息 (依次采集鏟斗油缸、斗桿油缸和動臂油缸的側壓力)中最大值在 (28.8，32］MPa時，系統進入自動模式下的H功率模式。由于系統沒有在液壓挖掘機上進行實物實驗，所以在進行軟件仿真時可以設定一組與H模式相對應的數據:Data1=28.8 MPa，Data2=32 MPa，Data3=25.6 MPa。此時輸入為一組經過模/數轉換后的數字信號，輸出涉及三種狀態:進行功率模式H的控制，顯示當前工況。這個過程主要涉及單片機的變量P0口、P1口和P2口，其理論變化過程應該為:

P1口:0XE9(鏟斗油缸壓力信息)→0XFC(斗桿油缸壓力信息)→0XD6(動臂油缸壓力信息)

P0口:0X63(上一個狀態)→0X6B(功率鎖存)→0XE3(顯示鎖存)

P2口:0XCD(功率控制)→……→0X48(顯示)

自動模式下的H功率模式仿真圖如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 H功率模式P1口仿真圖

圖9 H功率模式P0口仿真圖

圖10 H功率模式P2口仿真

通過對上述模式的仿真，不難看出當外界工況發生變化時，該自動控制系統能夠較好地與之匹配，及時對調速裝置發出控制信號，使發動機轉速發生變化，使其較好適應當下工況。從而完成對液壓挖掘機工作裝置多模式的功率自動控制系統。

4 結論

針對傳統的液壓挖掘機需要進行人工調節功率而導致的主觀性大、工作強度高、工作效率低和節能性差等不足，設計出液壓挖掘機工作裝置多模式功率自動控制系統，通過仿真得出:該自動控制系統能夠較好地適應外界負載的變化進行工作模式自動選擇，系統具有較高精度和靈敏度，從而實現提高作業工作效率、減少系統能量損失、降低操作人員的勞動強度，最終提高整機性能。

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