L型前裝機轉向系統的控制

曹建偉　江杰

【摘 要】礦用輪式裝載機使用條件為：實行常年作業，每天三班，每班8小時連續作業，用于露天煤礦輔助選采及與220噸級自卸車配合用于巖石剝離。本文對轉向系統進行了控制，包括轉向控制系統結構圖，控制系統的邏輯原理以及整個系統的閉環控制。最后完成了L型前裝機轉向系統的控制設計。

【關鍵詞】L型前裝機；轉向系統；閉環控制系統

0 引言

自20世紀90年代以來，采礦設備的發展日新月異，世界上采礦設備生產巨頭們像卡特彼勒、小松、久益環球、利勃海爾等公司紛紛推出自己的各種新產品，這些新的產品共同的特點是不斷涌現出新結構和新元件時還廣泛應用新的控制技術，技術發展的重點在于增加產品的電、液技術含量，應運更先進的電氣、液壓控制系統和更先進、靈敏的原件來實現對操作的優化。現在越來越多的控制技術和控制理論開始應運到前裝機上，如變頻調速控制系統、PLC控制系統、單片機控制系統、傳感器控制技術等，這些技術的應用在控制精確度和效率上使前裝機達到了一個前所未有的高度。

節能減排技術將是未來裝載機行業的發展方向[1]，更是采礦設備行業的發展方向。節能減排是個世界性的大課題，對于以柴油發動機作為主要動力源的前裝機來說，這不僅因為節能和減排本身就是一對兒矛盾，而且還要考慮產品的性價比與可靠性。節能減排不僅僅關乎發動機、傳動、液壓和電控等系統，這是一個綜合性的課題。對于裝載機來說，合理的工作裝置設計可以提高作業效率，減小作業阻力，降低油耗，但是控制系統的合理、先進設計同樣對節能減排起巨大的作用。

本次選題準備以轉向系統的控制設計為例來說明裝載機目前的自動化控制水平和將來的發展方向。為了保證轉向系統平穩、快速的運轉，我們設計了本選題的電氣控制系統和液壓控制系統，在對各種電氣和液壓元件控制方法的工作原理進行了詳細的分析的基礎上，提出了L1150型前裝機轉向系統控制設計的選題。希望通過我們的研究能把前裝機目前的自動控制技術提高到一個新的高度。

1 L型前裝機轉向系統總體模型設計

轉向是電液控制的自動控制系統。則轉向系統總體設計結構圖如圖1所示。

由上述結構圖可以得出系統的傳遞函數為以下三部分組成，其中G1（S）是電氣系統的傳遞函數，G2（S）是電液比例控制閥占空比對換向閥流量的傳遞函數，G3（S）是液壓系統的傳遞函數，如圖2所示：

所以本論文的設計分為倆部分，一部分為電氣控制結構的設計，另一部分為液壓控制結構的設計。

2 L型前裝機轉向系統控制設計

2.1 電氣控制結構設計

電氣控制是當操作手柄給左轉向命令時，操作手柄移動被轉換成CAN信息。CAN全稱為Controller Area Network即控制器局域網[2]，CAN總線是國際上應用最為廣泛的現場總線之一。由操作手柄輸出轉向命令值輸入到控制器，控制器接收到輸入信號后輸出PWM脈沖信號給控制閥，控制執行元件動作。轉向位置傳感器隨時監控轉向的位置角度并轉化為電信號反饋給VCU，和操作手柄的給定值比較以便進一步的控制。該系統設計為負反饋閉環控制系統，所謂反饋控制系統，就是指根據系統輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預期的系統性能。L型前裝機轉向系統的電氣控制控制結構圖設計如圖3所示。

2.2 液壓控制結構設計

液壓技術的發展[3]，可追溯到 17 世紀帕斯卡提出了著名的帕斯卡定律，開始奠定了流體靜壓傳動的理論基礎。液壓系統：液壓油從油箱流入轉向泵的入口。轉向泵輸出液壓壓力油經控制閥和流量放大器后流入轉向油缸，轉向油缸動作從而實現轉向運動。通過負載感知把負載的壓力分別反饋回控制閥和轉向泵，反饋回控制閥的壓力油與給定值比較后進一步控制方向閥芯的開口大小從而進一步的控制壓力油流向轉向油缸的流量。由于液壓系統運行時容易發熱，為了節省功率和減少發熱量負載反饋的壓力油同時反饋給轉向泵，從而可以控制轉向泵斜盤角度，進一步控制轉向泵的輸出功率。該系統設計為負反饋閉環控制系統，所謂反饋控制系統，就是指根據系統輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預期的系統性能。在反饋控制系統中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。因此，反饋控制系統又稱為閉環控制系統。反饋控制是自動控制的主要形式。在工程上常把在運行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統稱為自動調節系統，而把用來精確地跟隨或復現某種過程的反饋控制系統稱為伺服系統或隨動系統。L型前裝機轉向系統的液壓控制控制結構設計如圖4所示。

圖4 轉向系統的液壓控制結構圖

3 轉向控制系統的測試和分析

把設備所有的電氣系統和液壓系統以及其他的結構件等安裝調試完成后，啟動設備做了左轉向、無轉向、右轉向等的一系列空載、有載測試，空載測試是指設備沒有裝載并處于平整的地面上，有載是指設備處于裝載的工作狀態，并處于工況不是很好的環境下，測試結果見表1所示。（下轉第287頁）

從表1中的測試結果可以看到當有禁止狀態時，轉向接口卡無輸出。當發出左轉向命令的時候，轉向接口卡輸出的電壓為12V-18V；當操作手柄處于中位時轉向接口卡的輸出為12V；當發出右轉向命令時轉向接口卡的輸出為6V-12V；這完全符合當初設計的期望值，在進一步的測試中該電路輸出穩定、可靠符合要求。

4 結論

本論文的設計以L型前裝機轉向系統的設計為主題，主要包括電氣系統和液壓系統倆部分。電氣系統采用LINCS II控制系統，由操作手柄通過CAN控制系統發出轉向命令通過數字接口卡轉化為數字信號后輸入到VCU（VECHICLE CONTROL UNIT） VCU接受到信號后發出PWM輸出信號給數字接口卡的轉向接口卡通道，然后再傳輸到PVG32先導控制閥控制液壓系統。轉向位置傳感器隨時監控轉向的位置角度并反饋給VCU和給定值比較以便進一步的控制。液壓系統采用電液比例先導控制，液壓油從油箱流入轉向泵的入口，液壓壓力油從泵流過高壓過濾器后到達流量放大器閥（Danfoss） 的HP口。當有轉向命令時PVG32先導控制閥控制先導油推動流量放大器的方向閥芯后從泵出來的油經流量放大閥芯被導向轉向油缸從而實現轉向運動。

【參考文獻】

[1]皮鈞.工程機械的技術發展方向[J].工程機械，2012（11）：27-30.

[2]楊洪.基于CAN總線的控制系統及應用研究[D].華僑大學，2014.

[3]官忠范.液壓傳動系統[M].機械工業出版社，2012（1）.

[責任編輯：田吉捷]