CN2918545Y - 海拔自适应挖掘机 - Google Patents

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戴晴华
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Abstract

本实用新型公开了一种海拔自适应挖掘机，它的行走机构装设于底架上，转台通过回转滚盘装设于底架上，转台上设有工作机构、驾驶室以及驱动装置的发动机和主油泵，驱动装置的控制机构中用于检测驱动装置中主油泵主压力的主压传感器和用来检测驱动装置中发动机转速的转速传感器通过反馈调节器与主控制器的输入端相连，用来输入目标转速的油门控制盘与主控制器的输入端相连，用来检测外界大气压力的气压传感器通过反馈调节器与主控制器的输入端相连；主控制器的输出端与发动机相连，并通过电液比例阀与主油泵相连。本实用新型能够根据海拔高度变化引起大气压力的变化，实时调整柴油机和液压泵的最优联合工作点，保证挖掘机整体工作效率，具有更广的适用范围。

Description

海拔自适应挖掘机
技术领域
本实用新型主要涉及到工程机械领域，特指一种海拔自适应挖掘机。
背景技术
目前，在高海拔地区受空气密度的影响，发动机很难正常工作或有效的工作。这成为制约挖掘机在高海拔地区使用的难题。挖掘机中柴油机和液压泵分别作为工作装置和行走装置的驱动机构，当挖掘机处于正常工作时，为使行走装置和工作装置同时处于较为合理的高效率的工作范围内，往往需要找到柴油机和液压泵的最优联合工作点，这样的话，才能确保挖掘机的整体工作效率。如图6所示，图中M、N分别为标准状况下柴油机的特性曲线，而图中A点处即为标准状况下柴油发动机和液压泵的最优联合工作点。当挖掘机在高海拔地区施工时，由于大气压力降低、空气密度减少，挖掘机的驱动机构中柴油机工作每循环的进气量相对减少，虽经涡轮增压，但相对于标准状况下施工时，同样模式、同等档位下的输出扭矩和功率均有不同程度的下降，如图6所示，图中M′、N′分别为高海拔状况下柴油机的特性曲线，该特性曲线与标准状况下柴油机的特性曲线差别很大，柴油发动机和液压泵的最优联合工作点也变成图中B点处，此时若仍按标准状况下柴油机、液压泵的最优联合工作点匹配控制，必将使柴油机经常工作在外特性曲线段上，从而引起柴油机动力性能和经济性能的恶化，并存在以下缺点：1、发动机启动困难，令发动机经常性的点火失败，无法启动；2、发动机启动后工作无力；3、因为长期无法保持在最优联合工作点上运行，因此挖掘机整机的工作效率十分低下。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种能够根据海拔高度变化所引起大气压力的变化，实时调整柴油机和液压泵的最优联合工作点，保证挖掘机整体工作效率，具有更广适用范围的海拔自适应挖掘机。
为了解决上述技术问题，本实用新型提出的解决方案为：一种海拔自适应挖掘机，它包括行走机构、工作机构、驱动装置、转台以及底架，行走机构装设于底架上，转台通过回转滚盘装设于底架上，转台上设有工作机构、驾驶室以及驱动装置的发动机和主油泵，其特征在于：所述驱动装置的控制机构包括主控制器、主压传感器、转速传感器、油门控制盘以及气压传感器，用于检测驱动装置中主油泵主压力的主压传感器和用来检测驱动装置中发动机转速的转速传感器通过反馈调节器与主控制器的输入端相连，用来输入目标转速的油门控制盘与主控制器的输入端相连，用来检测外界大气压力的气压传感器通过反馈调节器与主控制器的输入端相连；主控制器的输出端与发动机相连，并通过电液比例阀与主油泵相连。
所述工作机构包括动臂、斗杆、挖斗以及驱动油缸，动臂与转台的上部平台连接，并通过动臂油缸支承；斗杆与动臂的上端连接，动臂与斗杆之间设有斗杆油缸；铲斗与斗杆前端相连，铲斗与斗杆之间设有铲斗油缸。
与现有技术相比，本实用新型的优点就在于：
本实用新型海拔自适应挖掘机是在标准状况下的电控基础上，采用分散式、模块化、可编程、CAN总线通讯的整体控制思路来实现***的控制和状态监视功能，该控制***是以可编程控制器为核心的一种实时、有效、灵活的新型机电液一体化控制***，并利用电喷发动机ECU强大的可控优势，通过大气压力传感器识别柴油机因进气量变化而导致输出力矩和功率下降的幅度，重新确定柴油机、液压泵联合工作点最优联合工作点的匹配控制。本实用新型解决了挖掘机在高海拔地区工作时发动机启动困难、工作无力、油耗过高等问题；发动机的控制特性能够动态适应工作场所的海拔高度，扩展了挖掘机的使用范围；具有较高的技术含量与实用价值。
附图说明
图1是本实用新型挖掘机的结构原理示意图；
图2是本实用新型驱动装置的结构框架原理示意图；
图3是本实用新型驱动装置控制原理框架示意图；
图4是本实用新型具体实施例中主油泵的输入电流与其排量的变化关系示意图；
图5是本实用新型具体实施例中发动机的工作特性示意图；
图6是挖掘机中发动机与泵的功率匹配曲线。
图例说明
1、行走机构              2、驱动装置
3、工作机构              4、转台
5、底架                  6、驾驶室
7、发动机                8、主油泵
101、动臂                102、斗杆
103、挖斗                104、动臂油缸
105、斗杆油缸            106、铲斗油缸
901、主控制器            902、主压传感器
903、转速传感器          904、油门控制盘
905、气压传感器          906、电液比例阀
907、反馈调节器          908、斜盘伺服机构
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型的一种海拔自适应挖掘机，它包括行走机构1、工作机构3、驱动装置2、转台4以及底架5，行走机构1装设于底架5上，转台4通过回转滚盘装设于底架5上，转台4上设有工作机构1、驾驶室6以及驱动装置2的发动机7和主油泵8。工作机构1包括动臂101、斗杆102、挖斗103以及驱动油缸，各部件之间全部采用销轴铰接连接，由驱动油缸的伸缩来实现挖掘机过程的各种动作。动臂101的下铰点与转台4的上部平台铰接，以动臂油缸104来支承和改变动臂101的倾角，通过动臂油缸104的伸缩可使动臂101绕下铰点转动实现动臂101升降。斗杆102铰接于动臂101的上端，由斗杆油缸105控制斗杆102与动臂101的相对角度。当斗杆油缸105伸缩时，斗杆102便可绕动臂101的上铰点转动。铲斗103与斗杆102前端铰接，铲斗油缸106与连杆机构铰接，并通过铲斗油缸106伸缩连杆机构的变位使铲斗103转动。连杆机构的采用，可增大铲斗的转角，便于铲斗装土工作的完成。
如图2、3所示，本实用新型驱动装置2的控制机构包括主控制器901、主压传感器902、转速传感器903、油门控制盘904以及气压传感器905，用于检测驱动装置2中主油泵8主压力的主压传感器902和用来检测驱动装置2中发动机7转速的转速传感器903通过反馈调节器907与主控制器901的输入端相连，用来输入目标转速的油门控制盘904与主控制器901的输入端相连，用来检测外界大气压力的气压传感器905通过反馈调节器907与主控制器901的输入端相连，主控制器901的输出端与发动机7相连，并通过电液比例阀906与主油泵8相连。主压传感器902采集到的主油泵8主压力、气压传感器905采集到的大气压力以及转速传感器903采集到的发动机7转速送入反馈调节器907进行计算得出处理结果后输入主控制器901，主控制器901再将通过油门控制盘904输入的给定转速与反馈调节器907得出的处理结果进行计算迭加，然后通过主控制器901的输出端驱动电液比例阀906控制主泵斜盘伺服机构908，从而实现对主油泵8吸收功率的控制。主控制器901和反馈调节器907主要起到控制主油泵8吸收功率的作用，具有节能、提高功率利用率、增强作业效率的优点。参见图2，反馈调节器907与主控制器901集成为一体，主控制器901的A1-01端口与主油泵8相连，A2-18、A2-22、A1-32端口与发动机7，A1-21端口与油门控制盘904相连，A1-20端口与气压传感器905相连，A1-19端口与主压传感器902相连，A1-24端口与转速传感器903相连。
在本实施例中，发动机7采用康明斯QSM11电喷发动机，它具备控制灵活、燃油经济性高、和保养维修方便等特点。其电子控制***QUANTUM的功能包括：供油量计算、喷油定时计算、燃油管理***、全程调速、油门管理、数据采集、故障诊断、起动管理、停机管理、发动机保护和故障码管理等。发动机7运行中需要驾驶员直接输入的信号有：点火开关、油门设定、怠速开关。本***采用的是线性电压油门，通过调整电位计向ECM输送一个连续的电压信号来改变油门的大小。在发动机7的冷起动时，接通点火开关后，ECM将根据进气温度给进气加热器通电，根据水温提高低怠速，缩短热车时间，并且根据水温自动喷射***。发动机7的保护具体来说，有这些方面：在水温高、水面低、机油压力低、燃油温度高情况下应该降低扭矩，在机油压力低的情况下还需降低转速；发动机7起动后根据机油压力情况限制发动机7的转速和扭矩，以保护发动机7的关键部位，如增压器等；燃油含水警报；发动机7超速的自我保护；自动将瞬时、40小时或长时间的平均燃油消耗率储存在ECM中，便于分析。发动机7的控制模块ECM的功能具体由康明斯厂家实现。中央控制器901选用HOLY-C-ESX控制器模块，该控制器模块是基于长期恶劣环境：冲击震动高、湿度大、温度变化剧烈和电磁干扰强等条件下的可靠工作而开发的；是一种集可编程逻辑控制器、比例放大器、A/D转换模块、继电器输出、PWM输出、CAN总线通讯控制器等多种功能于一体的室外移动车辆和装备的专用模块；是一种基于分散式、模块化、总线控制的解决方案。电液比例阀906由力士乐随泵提供，FTDRE4K1X/30A/G24C4V，其参数为：额定电压24V，控制电流360～800mA。转速传感器903选用力士乐公司HDD1L16，该传感器提供一个方波频率输出和一个标识旋转方向的开关输出，转速传感器903安装于回转马达壳体内的啮合齿轮处，其参数为：电压24V；频率输出2～6kHz；电力负载特性500mA@ 24V 25℃，50mA@ 24V 125℃；顺时针转向时输出高电平；测量距离0.3～1mm；测量表面压力10bar。主压传感器902选用IFM公司的PP7702型传感器，该传感器具有双输出设计，可确保动作无误，开关动作点可进行自由设置，便于调整。气压传感器905采用DANAHER气压传感器MODEL276。采用SETRACERAM敏感元件，MODEL267是采用经实践验证的SETRACERAM敏感元件的高精度高稳定性压力变送器家族中的新成员。由于陶瓷膜盒内在的高稳定性、低迟滞和设计简单等特点使它成为Setra大气压变送器的核心部分。MODEL276采用了Setra特制的应用集成电路，它与采用SETRACERAM敏感元件的完美结合保证了变送器具有高精度和很好的长期稳定性。此电路还允许MODEL276采用低至5.0VDC的激励电压工作。
主控制器901对发动机7和液压泵的控制功能主要包括：
(1)发动机7的油门设定。主控制器901接收来自发动机7旋钮电位计的模拟电流信号，经过换算输出一个相应的电压信号给发动机7控制机构ECM，由ECM来设定发动机7的油门。主控制器901给ECM的输出电压0.3～4.8V线性对应发动机7油门开度从0％到100％。
(2)主油泵8的排量调节。液压***中的双连泵采用分功率调节，并带有先导压力控制的功率越权控制。两个泵的排量采用一个总的比例电磁阀进行控制，扣除死区，电磁阀的输入电流(a～bmA)与泵的排量成线性关系，变化关系曲线如图4所示。当检测到的发动机7转速因为外负载的增大而降低时，就可以根据发动机7旋钮的位置(发动机7控制的目标转速)和通过J1939从ECM读出的发动机7实际转速，通过查表决定应该输送给泵控电比例电磁阀906的电流值。在每个工作模式(发动机7旋钮的位置)下正常工作时泵均设定为全排量，当减小泵的排量使以使降低了的发动机7转速上升到设定的目标转速后，恢复泵的排量到全排量。注意是按一定的规律控制的(20％递增)。
(3)怠速控制。手动怠速控制：按下发动机7怠速按钮时，主控制器将调节发动机7的转速至1100rpm；自动怠速控制：主控制器对监测到的先导压力信号，包括回转先导压力、行走先导压力、动力头先导压力等信号进行采集判断，当确认无动作4秒(可设定)后，自动使柴油机进入怠速状态，怠速转速为1300rpm。当需要进行工作时，只需操纵阀的阀杆一动，发动机7转速就会自动回升到发动机7转速旋钮设定值。压力采集信号采用冗余设计，可确保***动作无误。
如图5所示的发动机7的工作特性图。曲线ABCD是发动机7的全负载速度特性，斜线1、2、3、4为不同油门位置时的调速特性。A点、B点、C点和D点分别是对应的最大功率输出点。发动机正常工作时，负载往往低于该油门位置时的最大负载，所以发动机7常工作在调速特性段，而调速特性段的功率低于该油门位置时的最大功率，因此发动机7在正常工作时其效能往往未能得到充分发挥。要想得到最大的工作效率，发动机7应始终工作在最大功率点，但是负载有轻重之分，在轻负载时，并不需要用足发动机7的全部功率，所以应该区分负载的轻重，选择不同的工作模式。因为一个油门位置对应一个最大功率输出点，所以只要调节油门的位置，就可选择不同的功率模式。
在不同的油门位置下，虽然都可以工作在最大功率点(如图5中的B、C、D点)，但是抗过载能力很差，容易导致发动机熄火。所以在不同油门位置下，最大功率点的设定应如图5中的A、E、F、G点，使得在每一个最大功率点都留有一定的过载余量，而不至于导致发动机熄火。余量的大小应视不同油门位置时的具体工作特性而定，其趋势如图5中的AEFG曲线。因此实际工作时设定的最大功率点应落在AEFG曲线上。
但是，发动机7工作在最大功率点处油耗并不最省。由发动机7的万有特性知道，当等功率线与等燃油消耗率线相切时的工作点为最佳节能点。发动机7在最佳节能点处工作时，完成相同的作业量，其油耗最小。但最佳节能点处输出功率并不最大，所以最佳节能点单落在调速特性段，见图5中的S、T、U、V点。由最佳节能点连成的线即为最佳节能线，即STUV曲线。
通过以上分析，可得到：
(1)需要根据负载的轻重来设定不同的功率预选模式，即选择不同的油门位置；
(2)一定的油门位置对应一定的最大功率点和一定的最佳节能点；
(3)最佳工作点应设定为最大功率点或最佳节能点，最大功率点的设定应落在AEFG曲线上；
(4)最佳工作点究竟取最大功率点还是最佳节能点，要视作业需求而定，当追求在单位时间内最大作业量，即生产效率时，应选择最大功率点为最佳工作点(图5中的A、E、F、G点)；当追求在单位时间内完成相同的作业量而最节省燃油，即经济性时，应以最佳节能点为最佳工作点。

Claims (2)

1、一种海拔自适应挖掘机，它包括行走机构(1)、工作机构(3)、驱动装置(2)、转台(4)以及底架(5)，行走机构(1)装设于底架(5)上，转台(4)通过回转滚盘装设于底架(5)上，转台(4)上设有工作机构(1)、驾驶室(6)以及驱动装置(2)的发动机(7)和主油泵(8)，其特征在于：所述驱动装置(2)的控制机构包括主控制器(901)、主压传感器(902)、转速传感器(903)、油门控制盘(904)以及气压传感器(905)，用于检测驱动装置(2)中主油泵(8)主压力的主压传感器(902)和用来检测驱动装置(2)中发动机(7)转速的转速传感器(903)通过反馈调节器(907)与主控制器(901)的输入端相连，用来输入目标转速的油门控制盘(904)与主控制器(901)的输入端相连，用来检测外界大气压力的气压传感器(905)通过反馈调节器(907)与主控制器(901)的输入端相连；主控制器(901)的输出端与发动机(7)相连，并通过电液比例阀(906)与主油泵(8)相连。
2、根据权利要求1所述的海拔自适应挖掘机，其特征在于：所述工作机构(3)包括动臂(101)、斗杆(102)、挖斗(103)以及驱动油缸，动臂(101)与转台(4)的上部平台连接，并通过动臂油缸(104)支承；斗杆(102)与动臂(101)的上端连接，动臂(101)与斗杆(102)之间设有斗杆油缸(105)；铲斗(103)与斗杆(102)前端相连，铲斗(103)与斗杆(102)之间设有铲斗油缸(106)。
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