余昊達(dá)

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

1 系統(tǒng)應(yīng)用背景

自卸車(chē)液壓系統(tǒng)過(guò)載或長(zhǎng)期使用后液壓系統(tǒng)管路容易爆裂，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致大箱失速下落，造成事故。同時(shí)由于自卸車(chē)重心高，當(dāng)貨物出現(xiàn)偏載時(shí)，車(chē)廂會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，扭轉(zhuǎn)變形的結(jié)果使偏載進(jìn)一步加劇，在這種情況下，液壓系統(tǒng)的舉升會(huì)加劇車(chē)輛的傾斜，當(dāng)超過(guò)安全傾斜角時(shí)，車(chē)輛將發(fā)生側(cè)翻[1]。

一些學(xué)者對(duì)自卸車(chē)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了研究，王繼珧[2]研究了自卸車(chē)舉升作業(yè)時(shí)液壓油缸的位移、無(wú)桿腔和有桿腔油壓力隨時(shí)間變化的規(guī)律；何亞平[3]針對(duì)汽車(chē)相關(guān)液壓元件研發(fā)了一種分布式、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)檢測(cè)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。上述成果均沒(méi)有從根本上避免液壓系統(tǒng)的崩潰，且當(dāng)自卸車(chē)的液壓舉升系統(tǒng)發(fā)生崩潰時(shí)，無(wú)法及時(shí)地提供防御控制。蔡海龍[4]提出了一種礦用自卸車(chē)整車(chē)電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。朱舜[5]對(duì)自卸車(chē)的液壓舉升系統(tǒng)的主要組成元件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，該仿真模型為液壓舉升系統(tǒng)故障機(jī)理的研究提供了理論基礎(chǔ)。本文把企業(yè)的實(shí)際項(xiàng)目成果應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，搭建了包含液壓系統(tǒng)、車(chē)廂和底盤(pán)的簡(jiǎn)化自卸車(chē)模型，通過(guò)智能控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)，優(yōu)化自卸車(chē)的液壓控制系統(tǒng)，預(yù)防側(cè)翻，同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓泵的流量，防止管路爆裂。

2 控制系統(tǒng)的整體技術(shù)方案

本文根據(jù)企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的自卸車(chē)智能防側(cè)翻液壓控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)壓力檢測(cè)判斷液壓系統(tǒng)流量需求，利用機(jī)械摩擦調(diào)速機(jī)構(gòu)控制齒輪泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)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(fā)熱和能源損失。全程監(jiān)測(cè)并記錄自卸車(chē)工作過(guò)程的工況參數(shù)、包括液壓系統(tǒng)壓力變化、整車(chē)及車(chē)廂相對(duì)于水平地面的傾斜角度變化?；跈z測(cè)數(shù)據(jù)，控制單元對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)可能出現(xiàn)的壓力過(guò)載、油管爆裂等故障做出判斷；同時(shí)對(duì)自卸車(chē)卸載過(guò)程中，由于停放路面不平、路基松軟、車(chē)載貨物流動(dòng)導(dǎo)致的偏載，以及自卸車(chē)油缸長(zhǎng)期使用后發(fā)生偏磨和彎曲變形等原因可能導(dǎo)致的側(cè)翻事故進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)出現(xiàn)上述故障傾向時(shí)，控制單元及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并同時(shí)采取相應(yīng)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(fā)生，從而減少損失。記錄的工況參數(shù)長(zhǎng)久保存，需要時(shí)通過(guò)協(xié)議通信的方式讀出，利用記錄的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行事故鑒定、事故原因分析、產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)等。該液壓控制系統(tǒng)由電氣控制單元、液壓油箱、液壓泵、舉升閥、氣控閥、電控?fù)Q向閥、機(jī)械摩擦調(diào)速裝置和油缸組成，電氣控制單元又包含了單片機(jī)、壓力傳感器、傾角傳感器、存儲(chǔ)器、顯示器和接口電路，調(diào)速裝置由摩擦式無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)器和伺服電機(jī)組成。

3 智能控制單元設(shè)計(jì)

如圖1所示，壓力傳感器5、傾角傳感器4的信號(hào)輸出端經(jīng)接口電路接入單片機(jī)8，隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器通過(guò)總線與單片機(jī)8相連，顯示器10經(jīng)接口電路連接到單片機(jī)8。伺服電機(jī)11與摩擦式無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)器相連，用于調(diào)節(jié)液壓泵的流量。壓力傳感器5檢測(cè)液壓系統(tǒng)壓力并將其轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)輸送到單片機(jī)。電氣控制單元包含兩個(gè)傾角傳感器，分別安裝在自卸車(chē)大箱前端頂部和自卸車(chē)底盤(pán)之上，分別檢測(cè)車(chē)廂的傾角和自卸車(chē)底盤(pán)的傾角，以識(shí)別側(cè)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(jī)，9為控制開(kāi)關(guān)，10為數(shù)碼顯示器，11為伺服電機(jī)。

圖1 控制單元電氣原理圖

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)如圖2所示，電控氣閥16串聯(lián)在液壓系統(tǒng)的氣控回路中，用于當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到自卸車(chē)有側(cè)翻傾向時(shí)，自動(dòng)切換舉升閥17閥芯的工作位置。電控氣閥21串聯(lián)在液壓系統(tǒng)的氣控回路中，在自卸車(chē)液壓系統(tǒng)工作壓力出現(xiàn)異常時(shí)，自動(dòng)斷開(kāi)分動(dòng)箱控制氣路，停止液壓泵工作。安裝在自卸車(chē)大廂前端頂部和自卸車(chē)底盤(pán)上的傾角傳感器，獨(dú)立識(shí)別自卸車(chē)整車(chē)和大廂傾斜角度變化，一旦判斷自卸車(chē)有側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)，電控氣閥16控制舉升閥17閥芯回到中位工作，停止舉升過(guò)程并使舉升油缸14進(jìn)入保壓狀態(tài)。單片計(jì)算機(jī)通過(guò)壓力傳感器監(jiān)控液壓系統(tǒng)的工作壓力，并根據(jù)事先擬定的控制策略，控制伺服電機(jī)調(diào)節(jié)摩擦式變速調(diào)節(jié)器18的摩擦輪22，從而對(duì)調(diào)節(jié)摩擦式變速調(diào)節(jié)器18輸出端的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)液壓泵流量的調(diào)節(jié)控制，其中調(diào)速機(jī)構(gòu)如圖3所示。電控氣閥16和電控氣閥21串聯(lián)在液壓系統(tǒng)的氣控回路中，當(dāng)自卸車(chē)液壓系統(tǒng)由于某種原因崩潰時(shí)，電控氣閥16控制舉升閥17閥芯回到中位工作，防止自卸車(chē)大廂失速下落，同時(shí)當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力超過(guò)額定工作壓力某個(gè)限值時(shí)，電控氣閥21切斷分動(dòng)箱19的氣動(dòng)控制回路，停止液壓泵的工作，以防止液壓系統(tǒng)發(fā)生崩潰、液壓管爆裂。分動(dòng)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(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)器，19為分動(dòng)箱，20為液壓泵，21為電控?fù)Q向閥。圖3中，22為無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)器摩擦輪。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

圖3 調(diào)速機(jī)構(gòu)原理圖

5 液壓控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

當(dāng)液壓系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)時(shí)，各控制閥處于待工作狀態(tài)。當(dāng)自卸車(chē)進(jìn)行舉升作業(yè)時(shí)，使手控氣閥12閥芯工作在右位，分動(dòng)箱19的控制氣路與氣源接通，分動(dòng)箱接合，液壓泵開(kāi)始工作，此時(shí)液壓油經(jīng)油箱、液壓泵、單向閥、舉升閥17中位和過(guò)濾器流回油箱，由于沒(méi)有液壓油進(jìn)入舉升油缸，舉升油缸保持靜止不動(dòng)。若使手控閥13閥芯工作在右位，壓縮空氣推動(dòng)舉升閥17閥芯向左運(yùn)動(dòng)，使其閥芯工作在右位，則液壓油經(jīng)舉升閥17進(jìn)入舉升油缸14的下腔，推動(dòng)油缸活塞向上伸出，舉升到位后，限位閥15動(dòng)作，切斷舉升閥17右側(cè)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(dòng)舉升閥18閥芯向右運(yùn)動(dòng)，使其閥芯工作在左位，舉升閥17使舉升油缸14的回油路導(dǎo)通，油缸中的液壓油經(jīng)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(guò)程中，當(dāng)控制單元監(jiān)測(cè)到自卸車(chē)有側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)使中間繼電器J1吸合，電控氣閥16得電，切斷舉升閥17右側(cè)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(dòng)。當(dāng)控制單元監(jiān)測(cè)到自卸車(chē)側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)排除時(shí)，控制中間繼電器J1斷開(kāi)，電控氣閥16失電，氣路再次接通，油缸繼續(xù)舉升。在液壓缸舉升的過(guò)程當(dāng)中，當(dāng)控制單元監(jiān)測(cè)到液壓系統(tǒng)突然失壓，判斷油管可能爆裂時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)使中間繼電器J1、J2同時(shí)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(dòng)。同時(shí)電控氣閥21吸合，切斷分動(dòng)箱控制氣路，油泵停止工作。當(dāng)計(jì)算機(jī)控制單元監(jiān)測(cè)到液壓系統(tǒng)內(nèi)部壓力達(dá)到額定壓力時(shí)，控制伺服電機(jī)通過(guò)摩擦式無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)器逐步減小油泵的轉(zhuǎn)速，減少輸出的流量；當(dāng)?shù)陀陬~定壓力限值時(shí)，控制伺服電機(jī)通過(guò)摩擦式無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)器逐步增加油泵的轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)

首先，向?qū)W生講解實(shí)驗(yàn)的需求背景以及內(nèi)容和項(xiàng)目的解決方案。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是驗(yàn)證自卸車(chē)車(chē)廂舉升過(guò)程中由于偏載或橫向干擾力作用致使車(chē)輛有傾覆危險(xiǎn)時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)能否實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、判斷并及時(shí)發(fā)出控制指令，停止舉升過(guò)程，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，記錄舉升過(guò)程中的各種相關(guān)參數(shù)，如液壓系統(tǒng)的油路壓力、車(chē)廂及底盤(pán)的傾斜角度等。其次做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，檢查實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地是否有安全隱患，確保人、財(cái)、物及設(shè)備的安全，確保液壓系統(tǒng)沒(méi)有跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生必須詳細(xì)了解液壓系統(tǒng)和氣控系統(tǒng)中各個(gè)元件在自卸車(chē)車(chē)廂舉升和卸載過(guò)程中的作用與操作方法，以及實(shí)驗(yàn)的操作流程及相關(guān)注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)先給系統(tǒng)上電，啟動(dòng)液壓油泵，觀察油路壓力、車(chē)廂及底盤(pán)傾角是否有異常，沒(méi)有異常現(xiàn)象后可以通過(guò)電氣控制部分進(jìn)行油路最大壓力、車(chē)廂及底盤(pán)最大傾角等警戒參數(shù)設(shè)置，以及在舉升過(guò)程中設(shè)置參數(shù)模擬偏載情況或橫向干擾力等，完成各類(lèi)參數(shù)設(shè)置后即可開(kāi)始進(jìn)行舉升實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中觀察參數(shù)變化后的系統(tǒng)報(bào)警變化等；讓模擬自卸車(chē)模型在不同傾斜角度的路面上，記錄油缸舉升后的車(chē)廂的舉升角度和側(cè)翻的預(yù)警角度變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按報(bào)警后的復(fù)位按鈕，車(chē)廂自動(dòng)復(fù)位；通過(guò)USB接口讀取舉升過(guò)程中的數(shù)據(jù)，分析在不同傾斜角度上側(cè)傾角控制的變化；學(xué)生可以通過(guò)再次設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)一步強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，反復(fù)對(duì)車(chē)輛角度、側(cè)傾角進(jìn)行PID控制，加深對(duì)側(cè)傾預(yù)警角度的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)控的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)時(shí)舉升速度要先放低，再做較高速度的實(shí)驗(yàn)，車(chē)廂、底盤(pán)的傾斜角度也應(yīng)先實(shí)驗(yàn)較小的傾斜角度，再實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的安全進(jìn)行。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)自卸車(chē)作業(yè)穩(wěn)定性和側(cè)傾控制的企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的自卸車(chē)智能防側(cè)翻液壓控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。采用智能傳感技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量自卸車(chē)傾斜角的變化，并通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的分析、計(jì)算發(fā)現(xiàn)傾斜角的變化趨勢(shì)，及時(shí)采取措施或發(fā)出報(bào)警。通過(guò)此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可以深入了解液壓系統(tǒng)在自卸車(chē)車(chē)廂舉升過(guò)程中的作用，并掌握液壓系統(tǒng)的測(cè)試和控制技術(shù)。■