改善挖掘機(jī)操縱和平整作業(yè)特性的方法

張升霞，王 勇

（徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇徐州 221100）

0 引言

在城市建設(shè)和鐵路、公路以及水利設(shè)施等領(lǐng)域，挖掘機(jī)有重要作用。在現(xiàn)有的挖掘機(jī)技術(shù)中，挖掘機(jī)的操縱性存在一定缺陷，比如：在高速作業(yè)時(shí)突然停止，挖掘機(jī)整體會(huì)產(chǎn)生很大抖動(dòng)，影響挖掘機(jī)的使用體驗(yàn)和安全。在這情況下，挖掘機(jī)如何穩(wěn)健運(yùn)作顯得尤為重要。其原理就是通過控制挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)臂、斗桿和鏟斗三組油缸的最佳運(yùn)動(dòng)速度，減小液壓沖擊，從而提高挖掘機(jī)操縱的流暢性和機(jī)動(dòng)響應(yīng)能力。通過平整性專利技術(shù)，可以讓挖掘機(jī)在急速運(yùn)動(dòng)或停止時(shí)，運(yùn)行更加平穩(wěn)，提高操作的舒適度和安全度。同時(shí)設(shè)計(jì)一種可根據(jù)用戶需求選擇的流量分配模式，能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘作業(yè)和平整作業(yè)模式之間的轉(zhuǎn)換，滿足客戶對(duì)多種工況的需求。該模式還能提高工作泵、發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率，降低油耗。

1 提高挖掘機(jī)操縱特性和平整作業(yè)的工作原理

這是一種改善挖掘機(jī)挖掘操縱特性和平整特性的控制方法。工作原理：在挖掘機(jī)液壓回路設(shè)置有1個(gè)液控?fù)Q向閥（以下簡(jiǎn)稱“換向閥”）和1個(gè)模式切換的電磁閥組，換向閥的控制端與控制手柄和電磁閥連接，電磁閥的控制端與控制器連接；電磁閥由控制器控制，換向閥的換向壓力由閥內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)彈簧進(jìn)行調(diào)節(jié)，在原有的“標(biāo)準(zhǔn)挖掘模式”基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“自適應(yīng)挖掘模式”；電磁閥組通過控制器發(fā)出的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)“平整作業(yè)模式”和“標(biāo)準(zhǔn)挖掘模式”的切換。在“平整作業(yè)模式”下，“自適應(yīng)挖掘模式”將不起作用。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)挖掘機(jī)操作模式的優(yōu)化改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)“平整作業(yè)模式”和“標(biāo)準(zhǔn)挖掘模式”的切換，在挖掘機(jī)動(dòng)力裝置上安裝了一組可調(diào)的壓力液壓控制閥，換向裝置可以導(dǎo)通和切斷相應(yīng)回路。不僅改變了現(xiàn)有挖掘機(jī)的供油模式，還通過對(duì)工作泵流量的合理配置，提高了挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)斗桿和發(fā)動(dòng)機(jī)的利用效率。在對(duì)斗桿的操作中，可以明顯降低動(dòng)臂的液壓震蕩感，提升操作人員的操作體驗(yàn)，同時(shí)降低挖掘機(jī)的故障率，提高挖掘機(jī)工作效率。其工作原理如圖1所示。

2 控制試驗(yàn)實(shí)例

2.1 標(biāo)準(zhǔn)挖掘模式下?lián)Q向閥不換向時(shí)液壓油路走向

圖1 液壓工作原理示意

在“標(biāo)準(zhǔn)挖掘模式”下，換向閥不換向，挖掘機(jī)師傅操控右控制手柄閥，此時(shí)在動(dòng)臂提升先導(dǎo)控制回路進(jìn)行連通，液壓油經(jīng)齒輪泵到達(dá)右控制手柄閥，由BOOM UP（B-U）端一路供應(yīng)給電磁閥組的先導(dǎo)控制油，再進(jìn)入電磁閥組的油路P1端，那么油路P1和先導(dǎo)控制油輸出端A1保持連接狀態(tài)，先導(dǎo)控制油由A1到達(dá)換向閥控油輸入a1端。此時(shí)達(dá)不到換向閥換向需要的壓力要求，先導(dǎo)控制油輸出端b1與換向閥控油輸入端a1的通道連接，多路閥組閥芯被先導(dǎo)油推動(dòng)進(jìn)行換向，雙聯(lián)液壓泵A1工作油流入到動(dòng)臂從而提升合流，再由B-U端輸入的其他先導(dǎo)控制油和多路閥組所在的控制端XAb1進(jìn)行接通。P1工作油在閥芯換向后和雙聯(lián)液壓泵A2的工作油合流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂提升（此時(shí)動(dòng)臂油缸伸出）。動(dòng)臂油缸有桿腔內(nèi)的工作油經(jīng)由多路閥組回流后，通過回油口R2流回液壓油箱，形成一個(gè)比較完整的動(dòng)臂抬升作業(yè)回路。

對(duì)左控制手柄閥進(jìn)行操控時(shí)，首先讓斗桿挖掘先導(dǎo)對(duì)回路連通進(jìn)行控制，通過齒輪泵到達(dá)左控制手柄閥所在的控制油，然后經(jīng)ARM CROWD（R-C）端和多路閥組先導(dǎo)控制端口XAa2接通，讓雙聯(lián)液壓泵P2工作油，把剩余流量給斗桿挖掘供應(yīng)（斗桿油缸會(huì)伸出來）；而另一路液壓油，由左控制手柄閥的控制油經(jīng)過R-C端再和多路閥組所在的先導(dǎo)控制端XAa1進(jìn)行聯(lián)通，推動(dòng)換向多路閥組中的閥芯，進(jìn)一步促進(jìn)雙聯(lián)液壓泵的P1剩余的工作油參與斗桿挖掘的作業(yè)中；一部分斗桿油缸的有桿腔中的工作油通過多路閥組中的“工作油再回路”對(duì)P2和P1工作油的合流，液壓油箱的油其中有一部分是通過多路閥組中的回油返回，形成一個(gè)比較完整的斗桿挖掘工作回路。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)挖掘模式下液控?fù)Q向閥換向時(shí)液壓油路走向

在左控制的手柄閥所在的A-C端對(duì)換向閥的壓力的檢測(cè)端a2提供的壓力實(shí)現(xiàn)一定的數(shù)值（也就是左控制手柄閥所在手柄的角度達(dá)到要求數(shù)值）后，可以推動(dòng)換向閥進(jìn)行換向，通過A1聯(lián)通的換向閥所在的先導(dǎo)控制油路被切斷，而多路閥組的控制端XAb2經(jīng)由換向閥和液壓油箱處于連接狀態(tài)，閥芯恢復(fù)為中位狀態(tài)，并且被雙聯(lián)液壓泵的P1工作油提供的動(dòng)臂合流工作油路切斷，由P2的工作油單獨(dú)供給動(dòng)臂，動(dòng)臂提升。這時(shí)斗桿挖掘則由

雙聯(lián)液壓泵的P1工作油單獨(dú)供給，另一方面P1的工作油和P2工作油也會(huì)進(jìn)行合流。此狀態(tài)由于斗桿挖掘工作油回路的流量大于動(dòng)臂提升回路的流量，斗桿挖掘速度較快，動(dòng)臂提升較為平滑，工作裝置液壓沖擊減小，操作舒適性提高。當(dāng)操作人員想結(jié)束挖掘狀態(tài)時(shí)，左控制手柄閥的A-C端向液控?fù)Q向閥的壓力檢測(cè)端a2提供的壓力低于換向壓力時(shí)，換向閥恢復(fù)中位狀態(tài)，工作油路重新恢復(fù)至“標(biāo)準(zhǔn)挖掘模式”，動(dòng)臂提升合流恢復(fù)，動(dòng)臂提升速度加快，提高工作效率。

3 液壓泵輸出功率自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整

在不影響執(zhí)行元件動(dòng)作協(xié)調(diào)性的前提下，改變液壓泵電流的調(diào)節(jié)方式，可以自識(shí)別工況降低系統(tǒng)背壓，從而提高挖掘力，提升挖掘機(jī)重載作業(yè)效率，發(fā)揮系統(tǒng)最大效能。重載辨識(shí)控制原理如圖2所示。通過模糊分段控制算法，對(duì)重載工況高壓區(qū)進(jìn)行分段控制，對(duì)載荷和液壓泵功率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)進(jìn)行識(shí)別和控制，在高壓變量區(qū)域內(nèi)的功率—流量控制特性曲線通過人為增加PID干預(yù)控制，釋放在高壓工作條件下工作泵的潛能，進(jìn)而保證挖掘機(jī)重載工況模式下的作業(yè)效率。26 t級(jí)挖掘機(jī)工作泵的壓力—流量曲線如圖3所示。

通過改變挖掘機(jī)工作泵的電流調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)工作泵吸收功率的識(shí)別控制，使吸收扭矩相對(duì)穩(wěn)定，將發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作轉(zhuǎn)速和輸出扭矩穩(wěn)定在控制程序設(shè)定的范圍。實(shí)踐證明，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)較未應(yīng)用該技術(shù)前減少了100～150 r/min，液壓工作泵的流量輸出波動(dòng)下降了5%～7%。以47 t挖掘機(jī)為例，重載工況下的高壓區(qū)吸收功率較未應(yīng)用前提升了27 kW，工作流量提升了11.7%（按高壓變量點(diǎn)計(jì)算），挖掘機(jī)重載工況時(shí)挖掘效率提升顯著，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗得到有效控制。

4 結(jié)語

圖2 重載辨識(shí)控制原理

圖3 26 t挖掘機(jī)工作泵壓力—流量曲線

挖掘操縱特性是指挖掘機(jī)在進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性、流暢性和機(jī)動(dòng)響應(yīng)能力的綜合判定，而流暢性和手柄操縱響應(yīng)特性是操縱人員最關(guān)注的兩個(gè)方面。挖掘機(jī)動(dòng)臂油缸和斗桿油缸運(yùn)動(dòng)速度的合理配比，直接決定了挖掘機(jī)的挖掘操縱特性，影響挖掘機(jī)的使用效率和操作人員的操作感受。通過對(duì)該方法和裝置的使用，可以在兼顧作業(yè)效率的情況下提高挖掘機(jī)的操縱舒適性和平整作業(yè)特性，滿足安全施工要求，提高設(shè)備使用效率，降低操縱人員疲勞感。通過改善液壓泵輸出功率自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整，改善了挖掘機(jī)在重載工況時(shí)的挖掘效率及油耗，進(jìn)一步提高了設(shè)備的使用經(jīng)濟(jì)性。

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