輪式挖掘機高速行走電控系統設計

輪式液壓挖掘機（以下簡稱輪式挖掘機）是以輪胎作為行走部件的挖掘機械，具有行走速度快，不損壞路面，能遠距離自行轉場，機動、靈活、高效的鮮明特點，可以進行物料挖掘、吊裝、搬移等作業。在市政建設、公路交通建設及快速搶修等工程中得到了廣泛應用。基礎設施建設，城鎮化建設擴大等決定了輪式挖掘機在我國具有廣闊的市場前景。

國外輪式挖掘機生產企業較多且機型齊全，如日立、小松、利勃海爾、卡特彼勒、沃爾沃、JCB、斗山、現代等均生產輪式挖掘機。這些公司的產品基本體現了當今世界輪式挖掘機技術發展的最高水平，且很多公司都擁有其專有關鍵技術及元器件。近年來，國產輪式挖掘機在產量、機型和技術水平等方面都有了一定的發展，比如貴州詹陽動力生產的高速輪式挖掘機GJW111行走速度達到了50km/h，填補了國產空白，實現了行駛速度的重大突破。但其發展規模仍然很小，技術性能和工作可靠性還不能滿足國內市場的需要，嚴重缺乏關鍵技術。速度大于50km/h的高速行走輪式挖掘機目前還是空白，與國外的技術水平差距較大，其發展任重而道遠。

1 系統整體設計

高速輪式液壓挖掘機由閉式行走系統、工作系統、制動與轉向系統和獨立散熱系統四部分組成(如圖1）。其中柴油發動機作為動力源，提供動力輸出，發動機通過分動箱和兩個閉式泵、補油泵、開式泵、制動轉向泵及散熱泵進行機械連接。

圖1 系統整體結構框圖

閉式行走系統包含2個閉式泵，1個補油泵，4個高速行走馬達，1個變速箱，其中2個閉式泵采用的是可以雙向調節，流量可為零的電控泵，4個行走馬達在變速箱前后各裝兩個，提供動力輸出，通過調節行走馬達的排量可以實現馬達轉速的調節，變速箱通過傳動軸與前后橋連接。通過閉式泵斜盤的雙向調可以實現整車的前進后退，通過發動機轉速和閉式泵與行走馬達的排量匹配，實現車速的調節。

上車工作裝置和回轉部分采用的是負載敏感系統，增加了操作的舒適性。制動與轉向采用一個泵，通過制動閥控制，可以實現電控調節前橋與后橋的制動比例分配，通過轉向器來實現前輪的轉向。散熱采用獨立散熱系統，由散熱泵控制散熱馬達，通過調節馬達排量控制風扇轉速，實現散熱，節能降噪，同時還可以通過換向閥，實現風扇的正反轉，實現除塵作用。

2 電控系統設計

輪式挖掘機要實現高速行走，達到流暢平滑的加速，需要發動機、泵和馬達的完美匹配。因此，電控系統至關重要（圖2）。其中主控制器通過CAN總線分別與監控器和發動機ECM進行通信。主控制器采集的信號有閉式泵的前進壓力、后退壓力、工作泵的LS壓力、馬達的出口壓力、4個馬達的轉速、制動壓力、電子腳踏油門信號、油門旋鈕信號、行走方向開關信號、檔位信號、模式選擇開關信號、駐車開關、支腿開關、先導開關；需要控制器控制輸出的信號有工作泵調節電磁閥、閉式泵1前進電磁閥、后退電磁閥、閉式泵2前進電磁閥、后退電磁閥、4個行走馬達的調節電磁閥、駐車電磁閥、離合器電磁閥、風扇方向電磁閥，風扇比例電磁閥、支腿電磁閥、先導電磁閥、剎車燈的控制信號，倒車報警及倒車燈的控制信號。

圖2 控制系統示意圖

主控制器采集行走模式開關和檔位開關信號，判斷車輛的行走方向和行走的最高限速，采集油門信號并與發動機的轉速相匹配，控制器把轉速信號通過CAN總線傳輸給發動機ECM，ECM調整發動機轉速到設定位置，同時控制器會把轉速信號相匹配的電流信號控制閉式泵電磁閥，調整閉式泵到相對應的排量，控制器會控制4個行走馬達電磁閥電流到設定位置，得到相匹配的排量，實現馬達轉速的調節，控制器同時會采集馬達的出口壓力及轉速，閉式泵的壓力，ECM把發動機的轉速通過CAN實時傳給控制器，形成行走系統的閉環控制。

3 控制邏輯功能設計

輪式挖掘機主要的工作模式是行走系統的行駛模式，工作裝置的挖掘裝載作業。其中行駛模式時負載波動大，變化劇烈，行駛速度需要隨路況變化動態調節，行走控制策略如圖3所示。行走系統的變量參數包括發動機的轉速、變量泵與變量馬達的排量變化，如圖4所示。可以把行走模式的控制策略分為4個模塊，發動機油門和轉速控制、比例電磁閥斜坡控制、發動機-泵-行走馬達的功率匹配控制如圖5所示，馬達的功率匹配如圖6所示。

圖3 行走控制策略示意圖

圖4 行走控制流程圖

圖5 發動機與閉式泵的功率匹配圖

圖6 馬達的功率匹配圖

輪式挖掘機行走時，將模式選擇為行走模式，主控制器采集腳踏油門信號，并對其信號進行斜坡處理；根據踏板信號大小控制發動機轉速，閉式泵功率控制模塊計算出相應的電流控制比例閥，控制主泵排量，主泵功率控制模塊則采集發動機實際轉速、踏板油門信號，根據發動機實際轉速與油門信號輸出對應電流給主泵比例閥進行功率控制；在行駛過程中，根據路面狀況及坡度，系統會實時檢測主泵壓力，馬達功率控制模塊對馬達排量進行控制，同時，系統根據馬達壓力對主泵功率也會做相應調整，使兩者相匹配。

4 結語與展望

高速工程機械設備在國防工程建設中具有重要的作用，開發時速大于50km/h的高速輪式挖掘機具有重要的意義。高速輪式挖掘機的系統可以移植到相似的工程機械設備上。但是，控制系統和核心零部件都還要依賴于進口，對性能進一步提升受到很大的制約，因此，要加大控制系統和核心零部件研發的投入。隨著各家主機廠的重視、加大研發投入力度和新技術的應用，高速工程機械設備必將迎來高速發展。

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