基于伺服電動缸的新型裝載機工作系統研究

李松 董雯雯 侯卓磊

【摘? 要】論文介紹了一種新型的裝載機工作系統，其采用伺服電動缸代替現有液壓油缸，該技術不僅解決現有裝載機液壓驅動系統所帶來的系統復雜、傳動效率低、整機振動大等問題，還可以精準快速控制工作裝置，且對后續的新能源裝載機的研發具有重要的意義。

【Abstract】This paper introduces the new-type loader working system， which uses servo electric cylinder to replace the existing hydraulic cylinder. This technology not only solves the complex system， low transmission efficiency， high vibration of the whole machine and other problems caused by the existing hydraulic drive system of the loader， but also can accurately and quickly control the working device， and has important significance for the follow-up research and development of the new energy loader.

【關鍵詞】裝載機;工作系統;伺服電動缸

【Keywords】loader; working system; servo electric cylinder

【中圖分類號】TH243? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）09-0178-02

1 裝載機工作系統現狀及發展

裝載機主要用于土壤、砂石、煤炭等散裝物料的裝卸、推運以及施工等作業，其廣泛應用于各類施工場所。當前，裝載機的工作系統主要由液壓泵、液壓閥組、液壓油及相關管路等組成，通過機械能和液壓能的相互轉變驅動液壓油缸做伸縮運動，實現動臂的舉升、下降，鏟斗的翻轉。在目前的技術領域中，亦有通過角度傳感器及控制模塊等實現電液比例控制，無論是傳統液壓系統還是電液比例控制系統，由于液壓系統本身的特點，存在液壓管路連接復雜、易產生漏油、系統安裝不方便以及傳動效率低造成的能源浪費等問題，同時，液壓系統引起裝載機整機振動大、控制精度不高，導致裝載機可靠性降低、能耗增加，使用成本高。

本文介紹一種新型基于伺服電動缸的裝載機工作系統，具有響應速度快、工作效率高、能量利用率高等優點。

2 基于伺服電動缸的新型裝載機工作系統方案

2.1 基于伺服電動缸的工作系統總體方案

本系統主要是通過操作電控手柄產生電比例信號輸入整車控制器VCU，VCU與伺服電動缸控制模塊通過CAN總線通訊，從而控制伺服電動缸的工作方向、速度和工作精度。由于伺服缸控制模塊支持CAN通訊，能夠實現工作裝置的電子定位，完成任意位置記憶，實現自動回位及自動放平的邏輯控制功能，使裝載機具有一定的智能化特性，從而減輕了操作者的體力勞動，同時，由于伺服電動缸噪音及振動很小，提高了整車作業時的可靠性和操縱性。各元件相關連接關系如圖1所示。

2.2 系統的組成及工作原理

基于伺服電動缸的新型裝載機工作系統基本結構如圖2所示，伺服電動缸結構如圖3所示。

注：1為鏟斗，2為搖臂拉桿，3為鏟斗伺服電動缸，4為動臂，5為動臂伺服電動缸，6為裝載機機體，7為電控手柄，8為整車控制器，9為電池組，10為搖臂。

在現有裝載機工作裝置系統中以伺服電動缸替代液壓油缸，電池組為電動缸供電，伺服電動缸包括行星滾柱絲杠和帶動行星滾柱絲杠運轉的伺服電機，伺服電機通過電纜接口連接電池組。伺服電機內部含有控制模塊，控制模塊與整車控制器CAN連接，整車控制器連接有電比例控制式的電控手柄。行星滾柱絲杠上安裝有位置傳感器，位置傳感器可將位置信號輸入控制模塊，便于整車控制器根據實際的工況精確控制伺服電機，不再需要外接角度傳感器，控制方便的同時，集成度也更高，簡化了安裝結構。同時，電動缸外側外置限位機構（見圖4），安裝在絲杠上的限位塊，用于實現裝載機行程的精準控制和雙重保護的極限控制。

一個完整的電動缸應包括動力控制機構、位置反饋機構、執行機構。動力控制機構包括電機及電機控制系統。位置反饋機構包括與電機軸同軸設置的磁感應傳感器，磁感應傳感器的輸出信號送入電機控制系統。執行機構包括轉動組件和平移組件，轉動組件包括軸承室、絲杠、設置在軸承室內的兩個壓力軸承，絲杠的一端設置有外螺紋，其另一端與齒輪副中的一個齒輪軸同軸固連，其中部圓周側面上設置與絲杠軸心方向垂直的限位軸臺。限位軸臺設置在軸承室內，兩個軸承分別設置在限位軸臺的軸向兩邊。平移組件包括限位座、設置在限位座內的執行桿、可與絲杠組合成滾珠絲杠副或滑動絲杠副的法蘭。如果執行桿的伸出端沒有被限制轉動，則需要在執行桿的圓周側面設置兩個外凸的限位塊。同時，在限位座上設置可供兩個限位塊沿軸向滑動的兩個限位槽，此時限位座還需要設置兩個用于密閉限位槽的蓋板，實現電動缸的行程保護。

以鏟斗伺服電動缸為例，電控手柄通過CAN總線和伺服電機通訊，電池組通過整車控制器發送指令給伺服電機供電，電控手柄控制伺服電機的運轉，實現行星滾柱絲杠的啟動、停止、伸出、縮回，使鏟斗完成收斗和翻斗。同理，通過電控手柄可以實現動臂的舉升和下降。

伺服電缸是將伺服電機與絲杠一體化設計的模塊化產品，將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動，同時，將伺服電機最佳優點——將精確轉速控制，精確轉數控制，精確扭矩控制轉變成精確速度控制，精確位置控制，精確推力控制，實現高精度直線運動。伺服電動缸噪音低，節能環保，高剛性，抗沖擊力，超長壽命，操作維護簡單。伺服電缸可以在惡劣環境下無故障，防護等級可以達到IP66，可以有效提高裝載機的可靠性。

3 結論

①本文介紹的整個驅動系統采用電比例控制式的電控手柄，通過CAN總線信號傳輸實現伺服電動缸驅動和控制，使得系統效率提高，且系統在不提升時幾乎不消耗能量。

②伺服電動缸具有工作行程與工作速度精確可控、可靠性高、不會產生漏油、系統安裝方便的優點，采用行星滾柱絲杠進行運動轉換，具有轉換效率高、使用壽命長的優點。

③伺服電動缸能滿足更大扭矩、更大推力的控制需求，運行噪音低，對環境無污染，制造成本低。伺服電動缸集成度高，方便整車安裝。

④本系統為純電控系統，對后續智能化、無人化、新能源裝載機的研究有重要的意義。

【參考文獻】

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