基于單片機控制的汽車防側翻液壓實驗系統設計

余昊達

（湖北汽車工業學院機械工程學院，湖北 十堰 442002）

1 系統應用背景

自卸車液壓系統過載或長期使用后液壓系統管路容易爆裂，在某些情況下會導致大箱失速下落，造成事故。同時由于自卸車重心高，當貨物出現偏載時，車廂會出現扭轉變形，扭轉變形的結果使偏載進一步加劇，在這種情況下，液壓系統的舉升會加劇車輛的傾斜，當超過安全傾斜角時，車輛將發生側翻[1]。

一些學者對自卸車液壓系統進行了研究，王繼珧[2]研究了自卸車舉升作業時液壓油缸的位移、無桿腔和有桿腔油壓力隨時間變化的規律；何亞平[3]針對汽車相關液壓元件研發了一種分布式、網絡化實時檢測與數據管理系統。上述成果均沒有從根本上避免液壓系統的崩潰，且當自卸車的液壓舉升系統發生崩潰時，無法及時地提供防御控制。蔡海龍[4]提出了一種礦用自卸車整車電液控制系統的設計與實現方法。朱舜[5]對自卸車的液壓舉升系統的主要組成元件進行動力學建模，該仿真模型為液壓舉升系統故障機理的研究提供了理論基礎。本文把企業的實際項目成果應用到實驗教學中，搭建了包含液壓系統、車廂和底盤的簡化自卸車模型，通過智能控制技術、傳感檢測技術，優化自卸車的液壓控制系統，預防側翻，同時自動調節液壓泵的流量，防止管路爆裂。

2 控制系統的整體技術方案

本文根據企業實際項目，設計了一種基于單片機的自卸車智能防側翻液壓控制實驗系統。經過壓力檢測判斷液壓系統流量需求，利用機械摩擦調速機構控制齒輪泵轉速調節輸出流量，在滿足流量需求的情況下，減少因溢流造成的油源發熱和能源損失。全程監測并記錄自卸車工作過程的工況參數、包括液壓系統壓力變化、整車及車廂相對于水平地面的傾斜角度變化?；跈z測數據，控制單元對液壓系統進行監控，對可能出現的壓力過載、油管爆裂等故障做出判斷；同時對自卸車卸載過程中，由于停放路面不平、路基松軟、車載貨物流動導致的偏載，以及自卸車油缸長期使用后發生偏磨和彎曲變形等原因可能導致的側翻事故進行監控。當出現上述故障傾向時，控制單元及時發出聲光報警，并同時采取相應的控制措施，例如停止液壓油缸的舉升、切斷油缸的回油管路、停止液壓泵工作等，以防止上述故障的發生，從而減少損失。記錄的工況參數長久保存，需要時通過協議通信的方式讀出，利用記錄的數據可以進行事故鑒定、事故原因分析、產品質量改進等。該液壓控制系統由電氣控制單元、液壓油箱、液壓泵、舉升閥、氣控閥、電控換向閥、機械摩擦調速裝置和油缸組成，電氣控制單元又包含了單片機、壓力傳感器、傾角傳感器、存儲器、顯示器和接口電路，調速裝置由摩擦式無級變速調節器和伺服電機組成。

3 智能控制單元設計

如圖1所示，壓力傳感器5、傾角傳感器4的信號輸出端經接口電路接入單片機8，隨機讀寫存儲器通過總線與單片機8相連，顯示器10經接口電路連接到單片機8。伺服電機11與摩擦式無級變速調節器相連，用于調節液壓泵的流量。壓力傳感器5檢測液壓系統壓力并將其轉變成電流信號輸送到單片機。電氣控制單元包含兩個傾角傳感器，分別安裝在自卸車大箱前端頂部和自卸車底盤之上，分別檢測車廂的傾角和自卸車底盤的傾角，以識別側傾是由路面原因還是由偏載或液壓油缸故障原因所引起。圖1中，1為放大電路，2為光電耦合器，3為中間繼電器，4為傾角傳感器，5為壓力傳感器，6、7為外圍接口電路，8為單片機，9為控制開關，10為數碼顯示器，11為伺服電機。

圖1 控制單元電氣原理圖

4 液壓系統設計

液壓系統如圖2所示，電控氣閥16串聯在液壓系統的氣控回路中，用于當單片機檢測到自卸車有側翻傾向時，自動切換舉升閥17閥芯的工作位置。電控氣閥21串聯在液壓系統的氣控回路中，在自卸車液壓系統工作壓力出現異常時，自動斷開分動箱控制氣路，停止液壓泵工作。安裝在自卸車大廂前端頂部和自卸車底盤上的傾角傳感器，獨立識別自卸車整車和大廂傾斜角度變化，一旦判斷自卸車有側翻的風險，電控氣閥16控制舉升閥17閥芯回到中位工作，停止舉升過程并使舉升油缸14進入保壓狀態。單片計算機通過壓力傳感器監控液壓系統的工作壓力，并根據事先擬定的控制策略，控制伺服電機調節摩擦式變速調節器18的摩擦輪22，從而對調節摩擦式變速調節器18輸出端的轉速，實現液壓泵流量的調節控制，其中調速機構如圖3所示。電控氣閥16和電控氣閥21串聯在液壓系統的氣控回路中，當自卸車液壓系統由于某種原因崩潰時，電控氣閥16控制舉升閥17閥芯回到中位工作，防止自卸車大廂失速下落，同時當液壓系統壓力超過額定工作壓力某個限值時，電控氣閥21切斷分動箱19的氣動控制回路，停止液壓泵的工作，以防止液壓系統發生崩潰、液壓管爆裂。分動箱的離合由手控氣閥12控制，大箱的舉升和下落由手控氣閥13控制。圖2中，12、13為手控氣閥，14為油缸，15為限位閥，16為電控氣閥，17為舉升閥，18為摩擦式無級變速調節器，19為分動箱，20為液壓泵，21為電控換向閥。圖3中，22為無級變速調節器摩擦輪。

圖2 液壓系統原理圖

圖3 調速機構原理圖

5 液壓控制系統的功能實現

當液壓系統處于非工作狀態時，各控制閥處于待工作狀態。當自卸車進行舉升作業時，使手控氣閥12閥芯工作在右位，分動箱19的控制氣路與氣源接通，分動箱接合，液壓泵開始工作，此時液壓油經油箱、液壓泵、單向閥、舉升閥17中位和過濾器流回油箱，由于沒有液壓油進入舉升油缸，舉升油缸保持靜止不動。若使手控閥13閥芯工作在右位，壓縮空氣推動舉升閥17閥芯向左運動，使其閥芯工作在右位，則液壓油經舉升閥17進入舉升油缸14的下腔，推動油缸活塞向上伸出，舉升到位后，限位閥15動作，切斷舉升閥17右側控制與氣源的通路，并使之與大氣相通，舉升閥17的閥芯回到中位工作，舉升油缸14保壓，若使手控閥13閥芯工作在左位，壓縮空氣推動舉升閥18閥芯向右運動，使其閥芯工作在左位，舉升閥17使舉升油缸14的回油路導通，油缸中的液壓油經舉升閥17流回油箱，液壓缸在重力作用下下落。在液壓缸舉升的過程中，當控制單元監測到自卸車有側翻的風險時，發出控制信號使中間繼電器J1吸合，電控氣閥16得電，切斷舉升閥17右側控制與氣源的通路，并使之與大氣相通，舉升閥17的閥芯在彈簧的作用下，回到中位，油缸保持不動。當控制單元監測到自卸車側翻風險排除時，控制中間繼電器J1斷開，電控氣閥16失電，氣路再次接通，油缸繼續舉升。在液壓缸舉升的過程當中，當控制單元監測到液壓系統突然失壓，判斷油管可能爆裂時，發出控制信號使中間繼電器J1、J2同時吸合，電控氣閥16得電，切斷氣路，舉升閥的閥芯在彈簧的作用下，回到中位，油缸保持不動。同時電控氣閥21吸合，切斷分動箱控制氣路，油泵停止工作。當計算機控制單元監測到液壓系統內部壓力達到額定壓力時，控制伺服電機通過摩擦式無級變速調節器逐步減小油泵的轉速，減少輸出的流量；當低于額定壓力限值時，控制伺服電機通過摩擦式無級變速調節器逐步增加油泵的轉速，以增加輸出的流量，在滿足流量要求的條件下保持恒定的壓力，減少溢流能量損耗。

6 實驗過程設計

首先，向學生講解實驗的需求背景以及內容和項目的解決方案。本實驗系統主要是驗證自卸車車廂舉升過程中由于偏載或橫向干擾力作用致使車輛有傾覆危險時，單片機控制系統能否實時監測、判斷并及時發出控制指令，停止舉升過程，發出報警信號，記錄舉升過程中的各種相關參數，如液壓系統的油路壓力、車廂及底盤的傾斜角度等。其次做好實驗準備工作，檢查實驗場地是否有安全隱患，確保人、財、物及設備的安全，確保液壓系統沒有跑、冒、滴、漏等現象。開始實驗前，學生必須詳細了解液壓系統和氣控系統中各個元件在自卸車車廂舉升和卸載過程中的作用與操作方法，以及實驗的操作流程及相關注意事項。實驗時先給系統上電，啟動液壓油泵，觀察油路壓力、車廂及底盤傾角是否有異常，沒有異?，F象后可以通過電氣控制部分進行油路最大壓力、車廂及底盤最大傾角等警戒參數設置，以及在舉升過程中設置參數模擬偏載情況或橫向干擾力等，完成各類參數設置后即可開始進行舉升實驗，在實驗中觀察參數變化后的系統報警變化等；讓模擬自卸車模型在不同傾斜角度的路面上，記錄油缸舉升后的車廂的舉升角度和側翻的預警角度變化。實驗結束后，按報警后的復位按鈕，車廂自動復位；通過USB接口讀取舉升過程中的數據，分析在不同傾斜角度上側傾角控制的變化；學生可以通過再次設置不同的實驗參數，進一步強化實驗，反復對車輛角度、側傾角進行PID控制，加深對側傾預警角度的動態變化監控的認識。實驗時舉升速度要先放低，再做較高速度的實驗，車廂、底盤的傾斜角度也應先實驗較小的傾斜角度，再實驗較大的傾斜角度，偏載或橫向干擾力的施加也需遵循上述原則，以確保實驗的安全進行。

7 結束語

本文根據自卸車作業穩定性和側傾控制的企業實際項目，設計了一種基于單片機的自卸車智能防側翻液壓控制實驗系統。采用智能傳感技術實時測量自卸車傾斜角的變化，并通過對控制系統的分析、計算發現傾斜角的變化趨勢，及時采取措施或發出報警。通過此實驗系統，學生可以深入了解液壓系統在自卸車車廂舉升過程中的作用，并掌握液壓系統的測試和控制技術。■