推土機(jī)極限載荷控制系統(tǒng)的探討

　　摘 要：在推土機(jī)作業(yè)過程中，急劇變化的外部阻力常常會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降或者使機(jī)器滑轉(zhuǎn)率上升，進(jìn)而導(dǎo)致工作狀況惡化。提出了一推土機(jī)極限荷載自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)機(jī)器的工作狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整鏟刀的切削深度，從而保證推土機(jī)始終工作于生產(chǎn)率最高的狀態(tài)。
關(guān)鍵詞：極限載荷；經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速；滑轉(zhuǎn)率；推土機(jī)

　　中圖分類號(hào)：TU623.5    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ

　　１ 問題的理出

　　目前，在推土機(jī)設(shè)計(jì)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配一般遵循下列原則：
（１）由發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩決定的最大有效牽引力Pｍａｘ 應(yīng)大于由地面附著條件決定的最大有效牽引力Pφ，即Pｍａｘ＞Pφ；
（２）由發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率決定的有效牽引力PＮＨ 應(yīng)等于由行走機(jī)構(gòu)額定滑轉(zhuǎn)率決定的有效牽引力PηＨ，即PＮＨ＝PηＨ 。      

       從理論上講，由于這種設(shè)計(jì)方案既充分發(fā)揮了機(jī)器的功率，又能保證發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火，使機(jī)器能持續(xù)正常工作，因而在沒有載荷控制系統(tǒng)的條件下，這種設(shè)計(jì)方法無疑是正確的。但是，機(jī)器的實(shí)際工況是千變?nèi)f化的，而這種設(shè)計(jì)方法在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中只能選一種典型工況進(jìn)行。當(dāng)機(jī)器實(shí)際作業(yè)工況與設(shè)計(jì)工況發(fā)生偏離時(shí)，推土機(jī)將不能充分發(fā)揮其作業(yè)能力。主要有以下幾種情況：

       第一，當(dāng)推土機(jī)工作場(chǎng)地的附著性能高于設(shè)計(jì)工況的附著性能時(shí)，如果機(jī)器的外部工作阻力大于發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率決定的有效牽引力，則發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將會(huì)顯著降低，引起功率下降、油耗上升、生產(chǎn)率降低。尤其是當(dāng)機(jī)器使用到接近大修期限時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能變差，這種現(xiàn)象將更加明顯。

       第二，當(dāng)推土機(jī)作業(yè)場(chǎng)地的附著性能低于設(shè)計(jì)工況的附著性能時(shí)，如果機(jī)器的外部工作阻力大于由行走機(jī)構(gòu)額定滑轉(zhuǎn)率決定的牽引力時(shí)，機(jī)器的滑轉(zhuǎn)率將會(huì)急劇上升甚至全滑轉(zhuǎn)，此時(shí)機(jī)器的作業(yè)速度大為減小，生產(chǎn)率大大降低。這種情況在機(jī)器實(shí)際作業(yè)過程中頻繁出現(xiàn)，除了由于設(shè)計(jì)這一原因外，還有以下兩個(gè)原因：一是機(jī)器在作業(yè)過程中由于地面的不平整及履帶接地比壓的不均勻?qū)?dǎo)致機(jī)器的附著性能變差；二是機(jī)器要受到一個(gè)垂直向上的切土分力，鏟土過程中，這一分力使推土機(jī)實(shí)際附著重量減少，附著性能變差，滑轉(zhuǎn)率增大。

      第三，在目前使用的推土機(jī)上，為了充分發(fā)揮機(jī)器的生產(chǎn)能力，操作人員經(jīng)常根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和滑轉(zhuǎn)情況來升降鏟刀，以改變機(jī)器的工作狀況，提高生產(chǎn)率。但這種憑司機(jī)的感覺來調(diào)節(jié)機(jī)器工作狀態(tài)的方法不僅加大了司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且有很大的隨意性，因?yàn)槿说闹庇X是不可能精確感知發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)器滑轉(zhuǎn)率的，而且即使經(jīng)驗(yàn)十分豐富的操作人員，也有一個(gè)反應(yīng)過程。

２ 極限載荷自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理

      推土機(jī)極限載荷自動(dòng)控制系統(tǒng)是一種安裝在推土機(jī)上的電液控制裝置，該裝置可根據(jù)所測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及行走機(jī)構(gòu)滑轉(zhuǎn)率自動(dòng)升降鏟刀進(jìn)而控制機(jī)器的外部載荷，使其不超過由發(fā)動(dòng)機(jī)最低經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的或由行走機(jī)構(gòu)允許滑轉(zhuǎn)率決定的最大載荷。本文為了敘述方便，將上述兩種最大載荷統(tǒng)稱為極限載荷。文中所提到的發(fā)動(dòng)機(jī)最低經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速為本控制系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)定參數(shù)，取值應(yīng)根據(jù)推土機(jī)工作的另一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，其最佳取值應(yīng)根據(jù)推土機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)的附著性能而定。

      該系統(tǒng)僅在推土機(jī)原有的手動(dòng)操縱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上接入了兩只電磁閥和一個(gè)單向閥，其動(dòng)作過程如下：在機(jī)器尚未超載時(shí)，系統(tǒng)的工作泵與未裝該系統(tǒng)時(shí)完全一樣；當(dāng)液壓自由式鎖死于中位工作時(shí)，若系統(tǒng)超載，控制系統(tǒng)使封位閥換向，液壓缸上腔則通過封位閥向油箱回油，提升鏟刀。當(dāng)鏟刀在下降過程中機(jī)器超載時(shí)，控制系統(tǒng)將下位閥換向，提升鏟刀?？紤]到電磁換向閥在自動(dòng)控制過程中頻繁動(dòng)作的要求，該電磁閥應(yīng)以選用快速動(dòng)作閥為宜。不難看出，該控制系統(tǒng)僅在機(jī)器超載時(shí)才起作用，在未超載時(shí)，推土機(jī)完全維持原有工作狀態(tài)。

      在工作過程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)將測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)ｎ，與設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)最低經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速信號(hào)ｎ０ 進(jìn)行比較處理，得出機(jī)器的工作阻力是否使發(fā)動(dòng)機(jī)超載；由測(cè)得的實(shí)際行駛速度信號(hào)Ｖ與理論行駛速度信號(hào)Ｖ０（由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)換算而得）求滑轉(zhuǎn)率η，并與設(shè)定滑轉(zhuǎn)率η０ 比較，得出機(jī)器是否打滑。不論出現(xiàn)哪一種情況，控制系統(tǒng)均操縱相應(yīng)的電磁閥，提升鏟刀，減輕機(jī)器負(fù)荷，提高生產(chǎn)率。當(dāng)機(jī)器負(fù)荷減至極限值以下時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)停止工作。

      對(duì)于裝有極限超載荷自動(dòng)控制系統(tǒng)的推土機(jī)，當(dāng)需要推土機(jī)鏟由預(yù)定的地面形狀或由于其他原因需要自動(dòng)控制系統(tǒng)停止工作時(shí)，只要關(guān)閉自動(dòng)控制系統(tǒng)的電源，推土機(jī)即完全恢復(fù)為傳統(tǒng)的手動(dòng)操作狀態(tài)。

３ 極限載荷自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

（１）該系統(tǒng)可作為一個(gè)獨(dú)立的附加機(jī)構(gòu)安裝于推土機(jī)上，在該系統(tǒng)失效或不用時(shí)，只要關(guān)閉電源，機(jī)器就可回復(fù)到原有的手動(dòng)操作狀態(tài)。

（２）該系統(tǒng)僅需測(cè)取兩個(gè)機(jī)器狀態(tài)信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)對(duì)由發(fā)動(dòng)機(jī)最低經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的極限載荷的控制在關(guān)系上是并列的，只要機(jī)器的外部工作阻力大于極限載荷都可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

（３）在作業(yè)過程中，司機(jī)仍按傳統(tǒng)推土機(jī)的使用方法進(jìn)行操作，只有工作阻力大于極限載荷時(shí)，控制系統(tǒng)才會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)載荷。因而無需人工提升鏟刀，降低了司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（４）本系統(tǒng)可以保證機(jī)器在各種工況下均有一個(gè)比較良好的工作狀態(tài)，從而充分發(fā)揮機(jī)器的作業(yè)能力，提高機(jī)器的生產(chǎn)率，降低機(jī)器的燃油消耗量。