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《吉林大学》 2004年
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推土机单手柄转向制动电液比例控制系统的研究

穆慧秋  
【摘要】:随着科学技术的发展,全世界已进入以机电液一体化为核心的设备革命阶段,工程机械实现机电液一体化是其发展的必然趋势。近年来工程机械的发展主要是操纵和控制机构的改进。要解决控制问题,只从机械和液压角度来考虑很难使产品有质的飞跃,必须引入具有良好控制性能和信息处理能力的电子技术或电液转换技术。推土机是工程机械产品中的主要机种,广泛应用于矿山、水利、建筑、公路、港口和国防工程等。它承担的主要任务是切割和推运作业,用于开挖河床、堆积沙丘、堆筑路基、回填壕沟、平整道路、疏松荒地、清除路障和助铲等。国外工程机械制造商为加速产品更新换代步伐,非常重视产品结构的创新,在推土机上不断采用新的电子技术和设计制造技术。国内推土机虽已初步形成生产规模,制造技术有了长足的进步,但与国外先进产品相比还有较大差距,国内推土机生产厂家所面临的主要问题是产品结构不合理,技术水平落后,难与国外制造商相抗衡。随着西部大开发战略和“十五”规划的实施,国家对基础设施投入力度加大,建筑工程施工、露天矿开采规模扩大,土方工程量增加,履带式推土机得到迅猛发展。当前,推土机的主要问题是操纵和控制,不能使人从繁重、复杂的操纵劳动中解放出来。国产推土机转向制动杆有两根。在作业过程中,驾驶员需不断调整工作装备的位置,经常变换推土机的行进速度和方向。频繁的变换操纵不同的操纵杆既分散驾驶员的注意力,影响推土质量和生产率,又增加驾驶员的劳动强度。 为改善驾驶员的操纵条件,同时提升国产推土机的档次,受内蒙古第一机械制造集团的委托,研制开发了推土机单手柄转向制动电液比例控制系统。该系统采用先进的电液比例控制技术及单片机控制技术。驾驶员通过操作控制手柄输出的比例电信号控制电液比例减压阀的输出压力,从而控制转向制动油缸活塞杆的位置,带动转向阀(或制动阀)手柄转动,实现推土机转向(或制动)。驾驶室内的控制手柄通过电线与安放在横梁上的电液比例控制阀相连,比例阀通过油管与控制油缸相连,所有的连接均为柔性连接,使驾驶室的布置设计变 WP=79 得非常简单。手柄的操纵力非常小(小于3牛顿),这种控制方式称为“指尖控制”,大大减轻了驾驶员的劳动强度。同时,转向制动控制过程受单片机控制,可方便的改变控制程序来改变其控制特性,而且可以完全消除传统机械方案中由于连杆的间隙所造成的控制死区,提高了控制精度和控制灵敏度。 本文分为六章。 第一章首先阐述了电液比例控制技术的特点、推土机转向制动操纵装置的现存问题及其发展趋势,介绍了推土机单手柄操纵国内外研究开发的现状,同时提出单手柄转向制动电液比例控制方案,对其主要功能及技术指标进行了介绍并指出了该项目的研究意义。 第二章对系统的原理进行了分析,介绍了其组成部分。推土机单手柄转向制动电液比例控制系统是由液压控制系统和电气控制系统组成的。对于液压控制系统,介绍了电磁换向阀的中位机能,分析了系统的工作过程,并对系统与执行机构的机械连接做了详细的介绍。在转向制动电气控制系统部分,简单介绍了作为系统输入信号的控制手柄,重点分析了控制器的硬件设计电路和软件设计原理,最后给出了系统的电气连线图。 第三章对电液比例减压阀及其电控技术进行了详细的介绍。首先分析了电液比例减压阀的控制原理,介绍了阀的静态性能指标,并通过实验验证了该阀具有良好的静特性。导出了阀的数学模型并求解出其固有频率,从而得出结论:电液比例减压阀系统在零位时具有较低的固有频率,驱动电液比例减压阀的PWM信号应避开该频率范围,以免造成输出控制压力波动大。对于电液比例减压阀的电控系统,本章重点分析了信号处理单元、功率放大级及斩波稳流的原理和电路。该电控技术具有广泛的通用性,可以运用到由电液比例减压阀控制的其它工程机械产品。 第四章是全文的重点。通过列写电液比例减压阀的线性化流量方程、液压缸流量连续性方程、油缸和负载力矩平衡等三个基本方程,为系统建立了数学 WP=80 模型,导出了传递函数,绘制了传递函数方块图。通常在分析控制系统的性能时利用开环频率特性获取与控制系统动态品质有关的信息,本章根据系统的开环波德图,详细讨论了系统的稳定性、快速性等动态特性,尤其是建立了有弹性负载时的稳定条件,并阐述了开环传递函数的参数对系统动态特性的影响。根据系统的闭环传递函数,本章利用MATLAB软件的动态仿真工具Simulink绘制出了系统对给定输入信号的时域响应曲线和频域响应曲线,计算了相应的动态性能指标,并结合图形指出了系统闭环参数对响应特性的影响,同时讨论了系统的刚度特性。本章还利用Simulink模拟了系统的实际工作情形,根据仿真输出曲线所具有的特点,指出了系统在现场操纵中可能会出现的问题,并从自动控制理论及力学角度给予了解释,提出了相应的改进办法。最后讨论了系统的稳态精度特性。上述研究为下一步优化系统特性的工作奠定了理论基础。 第五章介绍了实验过程和结果。实验结果表明电液比例减压阀具有良好的静特性,单片机控制模块逻辑控制关系准确,系统具有良好的响应特性。 第
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TU623

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