CN103590436B - 装载机铲装智能总线控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装载机铲装智能总线控制系统，该系统电液比例先导阀的收斗油口、动臂提升油口、翻斗油口、动臂下降油口、浮动油口分别与电液比例分配阀的收斗油口、动臂提升油口、翻斗油口、动臂下降油口、浮动油口相连，电液比例先导阀的第二进油口与动臂油缸的大腔相连，翻斗缸位移传感器、动臂缸位移传感器、铲斗水平位传感器、主控制器、下降高度设置按钮、举升高度设置按钮、电控先导手柄、发动机控制器分别与总线相连。高效节能，能量损失小。提高了整机工作的平稳性和舒适性，使用寿命长、放平功能好。杜绝事故，保证操作安全。提高了作业效率，有利于产品的升级和改进。用于装载机铲装过程的控制。

Description

装载机铲装智能总线控制系统

技术领域

本发明涉及一种装载机铲装过程的控制系统。

背景技术

目前的装载机控制系统普遍采用液压先导控制来降低劳动强度，提高舒适性，然而由于装载机操作者的技能水平参差不齐，为了提高作业效率，操作者普遍采用粗放型施工模式，很少考虑通过优化操作方法，达到高效节能的目的。

在进行铲装作业时，由于堆积物料对铲斗的切削阻力很大，操作者需要进行多次分步操作来完成铲掘过程。操作者控制装载机以一定的初速度切入料堆，随着铲斗正前方的物料堆积量越来越多，装载机前进速度急剧降低。此时，变矩器将会输出更大的扭矩，推动装载机前进，此时变矩器内部油液剧烈搅动，能量损失极大。为了降低切削阻力，用户会操纵先导手柄，来回改变铲斗姿态，让部分物料进入铲斗，然后再加足油门，切入料堆，直到车轮打滑，再操作先导手柄，如此往复循环。经多次循环后，铲斗收集足够物料，操作者再挂倒档，进行物料转运。

在物料转运过程中，操作者需要根据行车距离、行车速度以及货车的高度来综合判断提升动臂的速度和高度，每次操作的时候都要反复校核动臂的举升高度。举升高度太低则可能回碰到货车，引发安全事故；举升高度太高不仅浪费燃油，而且降低了作业效率。操作者为了保障施工安全、缓解工作压力，更倾向于将动臂举到最高位置。然而对于绝大部分没有配置举升限位装置的装载机而言，动臂油缸和举升机构在行程末端(包括举升到最高位置和下降到最低位置)将会承受极大的冲击载荷作用，很大程度降低了油缸和结构件的使用寿命。

在卸料过程中，由于某些物料具有较大的粘度，不易从铲斗内脱落，用户会操作铲斗使劲磕碰动臂板，将物料抖出。如此操作会严重缩短铲斗以及销轴的使用寿命。在完成卸料过程后，操作者需要进行收斗动作，直到翻斗油缸达到设定的行程，然后降动臂到铲装位置，准备进行第二次铲装。虽然很多先导型装载机配置了铲斗自动放平装置，然而绝大部分自动放平只是针对铲斗在地面位置的自动放平，如果铲斗未放到地面位置，则铲斗无法进行有效铲装，这就很大程度上限制了放平功能的使用。另外，在许多场合装载机需要配置货叉等机具来完成叉装作业，此时需要整机在动臂举升的全行程内具有良好的平动性能。对于现在广泛使用的反转六连杆机构，虽然具有极好的综合性能，然而其平动性能却是一块短板，这也限制着装载机的适应性。

在放平铲斗准备铲装的过程中，如何快速安全抵将铲斗平放到合适的铲装位置也一直困扰着操作者。经验丰富的操作者可以有急有缓，先快后慢，快速平缓地将铲斗平放到预定高度，以便再次铲装。但是很多操作者都是小心翼翼的将铲斗下放或者干脆直接将铲斗砸到地面上。操作效率和舒适性、安全性完全依赖于操作者的个人经验、习惯和素质，不利于产品的升级和改进。

参考文献：工程机械，第40卷，2009年3月，试验研究《轮式装载机发动机多功率模式节能研究》，孟广良、王亮、李莺莺；杨占敏，轮式装载机[M].北京：化学工业出版社，2006。

发明内容

为了克服公知的装载机铲装过程控制系统的能量损失大、使用寿命短、放平功能差的缺陷，本发明提供一种装载机铲装智能总线控制系统，该装载机铲装智能总线控制系统能量损失小、使用寿命长、放平功能好。

本发明的技术方案是：该装载机铲装智能总线控制系统包括液压油箱和工作泵，工作泵进油口与液压油箱相连，工作泵出油口与电液比例分配阀进油口相连，电液比例分配阀的动臂缸大腔油口、动臂缸小腔油口分别与动臂油缸的大腔和小腔相连，电液比例分配阀的翻斗油缸大腔油口、翻斗油缸小腔油口分别与翻斗油缸的大腔和小腔相连；电液比例先导阀的收斗油口、动臂提升油口、翻斗油口、动臂下降油口、浮动油口分别与电液比例分配阀的收斗油口、动臂提升油口、翻斗油口、动臂下降油口、浮动油口相连，电液比例先导阀的第一进油口与先导泵的出油口相连，电液比例先导阀的第二进油口与动臂油缸的大腔相连，电液比例先导阀的回油口与液压油箱相连；先导泵集成定量泵和溢流阀，定量泵的出油口与溢流阀的进油口相连，溢流阀的出油口与液压油箱相连；翻斗缸位移传感器、动臂缸位移传感器、铲斗水平位传感器、主控制器、工作模式设置按钮、放平状态设置按钮、机具选择按钮、下降高度设置按钮、举升高度设置按钮、电控先导手柄、发动机控制器分别与总线相连，总线与电液比例先导阀相连；电液比例分配阀回油口通过液压油散、回油滤清器与液压油箱相连，散热后的液压油经回油滤清器回到液压油箱；铲斗震颤按钮和铲斗抖动按钮集成在电控先导手柄上。

为了降低装载机在铲掘过程中铲斗的切削阻力，减少变矩器低速大扭矩输出时的能量损耗，本发明引入电液比例控制的铲斗切削力智能化控制系统。此系统可以根据物料的类型和松散程度来设置铲斗的工作模式，在铲斗切入料堆的过程中通过在翻斗油缸大小两腔输入交变的高压流量，迫使铲斗以一定的振幅和振动频率切入料堆，从而强化铲斗破除物料阻力的能力，来降低整机所需的牵引力，避免轮胎打滑现象。

另一方面，为提高掘料和收斗过程的效率，避免操作者通过切入料堆然后收斗的反复交替动作来完成铲掘作业，本发明将铲掘过程进行优化，并将优化结果输入到控制器中，操作者只需在铲斗切入物料的时候开启智能铲掘功能，整机将以优化后的功率输出并按照设定的程序自动完成掘料和收斗的联合动作。

针对不同的工况，装载机需要将物料举升至不同的卸载高度。为了降低操作者的劳动强度，本发明采用动臂角位移传感器来实时检测动臂举升和下降的位置。通过控制器的记忆功能，可以根据实际卸载高度的需要设置举升高度。于是在转运物料的过程中，只需将先导手柄拨动至提升位置。动臂提升到设定高度时，传感器反馈信号给控制器，控制器将信号处理后，控制电比例阀平稳的将动臂停在设定位置，避免提升过程突然停止时整机晃动以及导致的物料倾洒。操作者只需将装载机开到卸载位置，直接卸料即可。同样，在动臂下放的过程中，可以设定动臂低位限制，在完成卸料动作后，操作者需要尽快将动臂降至理想的铲装位置。此时，只需将先导手柄推至动臂浮动位置，动臂油缸处于浮动补油状态，动臂在浮动工况快速下降。当动臂位置接近设定高度时，控制器根据动臂角位移传感器反馈的信号，将动臂浮动工况切换至下降工况，平缓地减慢动臂下降的速度，最终动臂停留在设定位置。由于采用电液比例控制，油缸和结构件在设定行程的末端几乎没有冲击，不仅提高了整机工作的平稳性和舒适性，还有效延长了整机的使用寿命。

当装载机在铲装粘度加大的物料如湿煤、粘土时，卸料过程往往比较缓慢或者不容易卸载干净。为避免操作者采用反复磕碰铲斗的方法来卸料，本发明增加卸载震颤系统。与铲掘过程不同的是此时铲斗处于相对自由的状态，没有料堆的约束，因此允许铲斗具有较大的振动加速度和振幅，以便更容易将物料抖出。

传统自动放平装置是以动臂油缸和翻斗油缸的实际行程或者动臂与摇臂之间的夹角作为数据输入来判断铲斗或者货叉是否水平，它是以装载机自身机构的运动位置来作为参考的。只有装载机本身处于水平位置时，铲斗才会处于水平位置。如果装载机离开水平地面施工，例如在坡道用货叉进行叉装作业，此时原有的自动放平功能便无法发挥，而且在转运物料的过程中，如果遇到下坡，货叉始终与路面平行的话货物很可能会从货叉上滑出，造成意外。为了更好地解决上述矛盾，本发明将自动放平功能进行拓展，将其功能划分为两种模式。一种模式为铲斗模式，控制器通过翻斗缸和动臂缸的位移传感器反馈信号来控制电液比例分配阀，实现铲斗任意设定位置的自动放平；另一种为货叉模式，通过铲斗水平传感器反馈铲斗与水平面的夹角，经控制器处理后，控制电液比例分配阀对翻斗油缸大小腔进行补油，来调整货叉姿态，从而保证在非水平路面上货叉始终处于水平状态。

本发明的优点：高效节能，能量损失小。提高了整机工作的平稳性和舒适性，使用寿命长、放平功能好。杜绝事故，保证操作安全。提高了作业效率，有利于产品的升级和改进。

1)采用总线控制来实现装载机铲装过程中的工作模式的选择，并经过数据的交互和处理优化铲装作业过程，提高工作效率，降低劳动强度；

2)采用装载机铲斗的震颤动作来减小物料对铲斗的反作用力，进而降低整机铲掘时所需的牵引力，最终降低发动机的功率输出，达到节能的目的；

3)采用集成的电液比例控制的液压系统来实现装载机铲装过程的智能化作业，简化操作者的操作流程，消除操作者个人经验和习惯对铲装过程的影响；

4)通过对操作模式的预先设置可以实现液压系统执行元件(油缸)和结构件的保护，例如通过举升高位和下降地位的设置，不仅可以提高工作效率和舒适性，而且可以在不增加缓冲装置的前提下实现动臂的快速平稳动作；

5)通过铲斗的抖动功能可将粘性较大的物料从铲斗里甩出，避免操作者野蛮操作，猛磕铲斗，损坏结构件和翻斗油缸；

6)可实现铲斗任意位置的自动放平功能，尤其是当装载机作为叉装机使用时，可实现货叉的任意位置水平，即使整机在坡面工作，或者在起伏路面工作货叉依然能时刻保持水平，大大提高了工作效率和安全性；

7)采用开放式的控制模式，可以对操作者的设置进行记忆，支持控制系统的二次开发，用户可以根据需要拓展或强化某些功能。

附图说明

图1是本发明的电液结构原理示意图。

图2是图1的第一种控制流程图。

图3是图1的第二种控制流程图。

图4是图1的第三种控制流程图。

图5是图1的第四种控制流程图。

图6是图1的第五种控制流程图。

图中：1、液压油箱，2、工作泵，3、电液比例分配阀，4、动臂油缸，5、电液比例先导阀，6、总线，7、翻斗缸位移传感器，8、动臂缸位移传感器，9、铲斗水平位传感器，10、主控制器，11、工作模式设置按钮，12、放平状态设置按钮，13、机具选择按钮，14、下降高度设置按钮，15、举升高度设置按钮，16、电控先导手柄，17、发动机控制器，18、翻斗油缸，19、液压油散，20、回油滤清器，21、先导泵，22、铲斗震颤按钮，23、铲斗抖动按钮，其中22.铲斗震颤按钮和23.铲斗抖动按钮集成在16.电控先导手柄上。

具体实施方式

在图1中，该装载机铲装智能总线控制系统包括液压油箱1和工作泵2，工作泵2进油口与液压油箱1相连，工作泵2出油口与电液比例分配阀3进油口P相连，电液比例分配阀3的动臂缸大腔油口A2、动臂缸小腔油口B2分别与动臂油缸4的大腔和小腔相连，电液比例分配阀3的翻斗油缸大腔油口A1、翻斗油缸小腔油口B1分别与翻斗油缸18的大腔和小腔相连；电液比例先导阀5的收斗油口a1、动臂提升油口a2、翻斗油口b1、动臂下降油口b2、浮动油口2C分别与电液比例分配阀3的收斗油口a1、动臂提升油口a2、翻斗油口b1、动臂下降油口b2、浮动油口2C相连，电液比例先导阀5的第一进油口P1与先导泵21的出油口相连，电液比例先导阀5的第二进油口P2与动臂油缸4的大腔相连，电液比例先导阀5的回油口T1与液压油箱1相连；先导泵21集成定量泵和溢流阀，为系统提供稳定压力的先导油源，定量泵的出油口与溢流阀的进油口相连，溢流阀的出油口与液压油箱1相连；翻斗缸位移传感器7、动臂缸位移传感器8、铲斗水平位传感器9、主控制器10、工作模式设置按钮11、放平状态设置按钮12、机具选择按钮13、下降高度设置按钮14、举升高度设置按钮15、电控先导手柄16、发动机控制器17分别与总线6相连，总线6与电液比例先导阀5相连；电液比例分配阀3回油口T通过液压油散19、回油滤清器20与液压油箱1相连，散热后的液压油经回油滤清器20回到液压油箱1。

在图2中，操作者通过在电控先导手柄16和装载机操作界面上集成不同的功能按钮，来完成不同工作模式的设定和快速切换。当铲斗切入料堆后按下电控先导手柄16上的铲斗震颤按钮22，主控制器10捕获控制信号，一方面控制发动机功率输出(发动机功率输出需根据物料的特性提前设定)，另一方面控制电液比例先导阀5输出信号，通过电液比例分配阀3，控制翻斗油缸18实现铲斗高频振动。铲斗在震颤的同时分阶段完成收斗动作，发动机的功率也随之分阶段逐渐达到设定的最大值，当铲斗收斗角大于某一设定角度时，翻斗缸位移传感器7将铲斗位置信号反馈到主控制器10，铲斗的震颤动作自动停止，同时发动机工作模式也恢复正常。如果尚未达到设定收斗角，但是已有足够多的物料进入铲斗时，操作者可以再次按下电控先导手柄16上的铲斗震颤按钮22或者操纵电控先导手柄16进行提升动臂或者收斗操作，铲斗的震颤动作立即停止。

在图3中，装载机完成铲掘过程后，操作者操纵机器退出铲掘区域，同时将电控先导手柄16拨至动臂提升位置，电控先导手柄16内置的动臂提升电磁铁吸合，动臂处于自动提升到设定位置，然后电磁铁断开，动臂缓慢停止。动臂举升高位限制和下降低位限制可以分别通过控制面板上的动臂举升高位限制按钮15和下降低位限制14进行设定。将动臂举升至想要设定的高度，然后按住动臂举升高位限制按钮15三秒钟以上，主控制器10将之前的位置设置清除，记忆此时动臂油缸位移传感器8反馈的位置信号，此时按下动臂举升高位限制按钮15可以确认设置，之后再次按下此按钮则可以取消或者恢复上一次的设置。同样方法可以完成动臂下降低位设置。通过编程控制可以实现动臂快速下降过程的浮动模式，行程末端再进行一段缓冲，实现动臂快速平稳下降。

在图4中，当操作者完成卸料后，如果需要将铲斗内残留的物料抖出，可以按下电控先导手柄11上的铲斗抖动按钮23，主控制器10捕获控制信号，控制电液比例先导阀5输出信号，通过电液比例分配阀3实现铲斗低频大振幅、大加速度振动，将残余物料甩出。

在图5中，在控制面板上设置有放平状态设置按钮12来实现复杂工况的需求。在平整地面上使用铲斗施工时，按下放平状态设置按钮12，选择铲斗任意位置自动放平功能，此时主控制器10获取从翻斗缸位移传感器7和动臂缸位移传感器8反馈的位移信号，经主控制器10处理后，通过控制电液比例先导阀5输出信号，最后通过电液比例分配阀3来控制进入翻斗油缸18大小腔的液压油量，实现铲斗的在下降过程中任意位置自动放平。

在图6中，在坡道上或者起伏路面使用货叉施工时，按下放平状态设置按钮12选择货叉任意位置自动放平功能，此时主控制器10选择从铲斗水平传感器9获取信号，通过控制电液比例先导阀5输出信号，最后通过电液比例分配阀3来控制进入翻斗油缸18大小腔的液压油量，实现铲斗的在下降过程中任意位置自动放平；此时翻斗缸位移传感器7检测翻斗油缸18的位移输出，并反馈至主控制器10，实时调整铲斗姿态，从而自动补偿货叉平面与水平面之间的角度偏差来确保货叉在整个铲掘、提升和转运、卸载过程中时刻保持水平。

Claims (1)

1.一种装载机铲装智能总线控制系统，该装载机铲装智能总线控制系统包括液压油箱和工作泵，其特征在于：工作泵进油口与液压油箱相连，工作泵出油口与电液比例分配阀进油口相连，电液比例分配阀的动臂缸大腔油口、动臂缸小腔油口分别与动臂油缸的大腔和小腔相连，电液比例分配阀的翻斗油缸大腔油口、翻斗油缸小腔油口分别与翻斗油缸的大腔和小腔相连；电液比例先导阀的收斗油口、动臂提升油口、翻斗油口、动臂下降油口、浮动油口分别与电液比例分配阀的收斗油口、动臂提升油口、翻斗油口、动臂下降油口、浮动油口相连，电液比例先导阀的第一进油口与先导泵的出油口相连，电液比例先导阀的第二进油口与动臂油缸的大腔相连，电液比例先导阀的回油口与液压油箱相连；先导泵集成定量泵和溢流阀，定量泵的出油口与溢流阀的进油口相连，溢流阀的出油口与液压油箱相连；翻斗缸位移传感器、动臂缸位移传感器、铲斗水平位传感器、主控制器、工作模式设置按钮、放平状态设置按钮、机具选择按钮、下降高度设置按钮、举升高度设置按钮、电控先导手柄、发动机控制器分别与总线相连，总线与电液比例先导阀相连；电液比例分配阀回油口通过液压油散、回油滤清器与液压油箱相连，铲斗震颤按钮和铲斗抖动按钮集成在电控先导手柄上。