改善挖掘机操纵和平整作业特性的方法

张升霞，王 勇

（徐州徐工挖掘机械有限公司，江苏徐州 221100）

0 引言

在城市建设和铁路、公路以及水利设施等领域，挖掘机有重要作用。在现有的挖掘机技术中，挖掘机的操纵性存在一定缺陷，比如：在高速作业时突然停止，挖掘机整体会产生很大抖动，影响挖掘机的使用体验和安全。在这情况下，挖掘机如何稳健运作显得尤为重要。其原理就是通过控制挖掘机工作装置动臂、斗杆和铲斗三组油缸的最佳运动速度，减小液压冲击，从而提高挖掘机操纵的流畅性和机动响应能力。通过平整性专利技术，可以让挖掘机在急速运动或停止时，运行更加平稳，提高操作的舒适度和安全度。同时设计一种可根据用户需求选择的流量分配模式，能够实现挖掘作业和平整作业模式之间的转换，满足客户对多种工况的需求。该模式还能提高工作泵、发动机的使用效率，降低油耗。

1 提高挖掘机操纵特性和平整作业的工作原理

这是一种改善挖掘机挖掘操纵特性和平整特性的控制方法。工作原理：在挖掘机液压回路设置有1个液控换向阀（以下简称“换向阀”）和1个模式切换的电磁阀组，换向阀的控制端与控制手柄和电磁阀连接，电磁阀的控制端与控制器连接；电磁阀由控制器控制，换向阀的换向压力由阀内的压力调节弹簧进行调节，在原有的“标准挖掘模式”基础上实现“自适应挖掘模式”；电磁阀组通过控制器发出的电信号，实现“平整作业模式”和“标准挖掘模式”的切换。在“平整作业模式”下，“自适应挖掘模式”将不起作用。

为实现对传统挖掘机操作模式的优化改进以实现“平整作业模式”和“标准挖掘模式”的切换，在挖掘机动力装置上安装了一组可调的压力液压控制阀，换向装置可以导通和切断相应回路。不仅改变了现有挖掘机的供油模式，还通过对工作泵流量的合理配置，提高了挖掘机作业时斗杆和发动机的利用效率。在对斗杆的操作中，可以明显降低动臂的液压震荡感，提升操作人员的操作体验，同时降低挖掘机的故障率，提高挖掘机工作效率。其工作原理如图1所示。

2 控制试验实例

2.1 标准挖掘模式下换向阀不换向时液压油路走向

图1 液压工作原理示意

在“标准挖掘模式”下，换向阀不换向，挖掘机师傅操控右控制手柄阀，此时在动臂提升先导控制回路进行连通，液压油经齿轮泵到达右控制手柄阀，由BOOM UP（B-U）端一路供应给电磁阀组的先导控制油，再进入电磁阀组的油路P1端，那么油路P1和先导控制油输出端A1保持连接状态，先导控制油由A1到达换向阀控油输入a1端。此时达不到换向阀换向需要的压力要求，先导控制油输出端b1与换向阀控油输入端a1的通道连接，多路阀组阀芯被先导油推动进行换向，双联液压泵A1工作油流入到动臂从而提升合流，再由B-U端输入的其他先导控制油和多路阀组所在的控制端XAb1进行接通。P1工作油在阀芯换向后和双联液压泵A2的工作油合流，实现动臂提升（此时动臂油缸伸出）。动臂油缸有杆腔内的工作油经由多路阀组回流后，通过回油口R2流回液压油箱，形成一个比较完整的动臂抬升作业回路。

对左控制手柄阀进行操控时，首先让斗杆挖掘先导对回路连通进行控制，通过齿轮泵到达左控制手柄阀所在的控制油，然后经ARM CROWD（R-C）端和多路阀组先导控制端口XAa2接通，让双联液压泵P2工作油，把剩余流量给斗杆挖掘供应（斗杆油缸会伸出来）；而另一路液压油，由左控制手柄阀的控制油经过R-C端再和多路阀组所在的先导控制端XAa1进行联通，推动换向多路阀组中的阀芯，进一步促进双联液压泵的P1剩余的工作油参与斗杆挖掘的作业中；一部分斗杆油缸的有杆腔中的工作油通过多路阀组中的“工作油再回路”对P2和P1工作油的合流，液压油箱的油其中有一部分是通过多路阀组中的回油返回，形成一个比较完整的斗杆挖掘工作回路。

2.2 标准挖掘模式下液控换向阀换向时液压油路走向

在左控制的手柄阀所在的A-C端对换向阀的压力的检测端a2提供的压力实现一定的数值（也就是左控制手柄阀所在手柄的角度达到要求数值）后，可以推动换向阀进行换向，通过A1联通的换向阀所在的先导控制油路被切断，而多路阀组的控制端XAb2经由换向阀和液压油箱处于连接状态，阀芯恢复为中位状态，并且被双联液压泵的P1工作油提供的动臂合流工作油路切断，由P2的工作油单独供给动臂，动臂提升。这时斗杆挖掘则由

双联液压泵的P1工作油单独供给，另一方面P1的工作油和P2工作油也会进行合流。此状态由于斗杆挖掘工作油回路的流量大于动臂提升回路的流量，斗杆挖掘速度较快，动臂提升较为平滑，工作装置液压冲击减小，操作舒适性提高。当操作人员想结束挖掘状态时，左控制手柄阀的A-C端向液控换向阀的压力检测端a2提供的压力低于换向压力时，换向阀恢复中位状态，工作油路重新恢复至“标准挖掘模式”，动臂提升合流恢复，动臂提升速度加快，提高工作效率。

3 液压泵输出功率自动补偿的调整

在不影响执行元件动作协调性的前提下，改变液压泵电流的调节方式，可以自识别工况降低系统背压，从而提高挖掘力，提升挖掘机重载作业效率，发挥系统最大效能。重载辨识控制原理如图2所示。通过模糊分段控制算法，对重载工况高压区进行分段控制，对载荷和液压泵功率、发动机转速波动进行识别和控制，在高压变量区域内的功率—流量控制特性曲线通过人为增加PID干预控制，释放在高压工作条件下工作泵的潜能，进而保证挖掘机重载工况模式下的作业效率。26 t级挖掘机工作泵的压力—流量曲线如图3所示。

通过改变挖掘机工作泵的电流调节方式，实现对挖掘机工作泵吸收功率的识别控制，使吸收扭矩相对稳定，将发动机实际工作转速和输出扭矩稳定在控制程序设定的范围。实践证明，发动机转速的波动较未应用该技术前减少了100～150 r/min，液压工作泵的流量输出波动下降了5%～7%。以47 t挖掘机为例，重载工况下的高压区吸收功率较未应用前提升了27 kW，工作流量提升了11.7%（按高压变量点计算），挖掘机重载工况时挖掘效率提升显著，发动机油耗得到有效控制。

4 结语

图2 重载辨识控制原理

图3 26 t挖掘机工作泵压力—流量曲线

挖掘操纵特性是指挖掘机在进行挖掘作业时的稳定性、流畅性和机动响应能力的综合判定，而流畅性和手柄操纵响应特性是操纵人员最关注的两个方面。挖掘机动臂油缸和斗杆油缸运动速度的合理配比，直接决定了挖掘机的挖掘操纵特性，影响挖掘机的使用效率和操作人员的操作感受。通过对该方法和装置的使用，可以在兼顾作业效率的情况下提高挖掘机的操纵舒适性和平整作业特性，满足安全施工要求，提高设备使用效率，降低操纵人员疲劳感。通过改善液压泵输出功率自动补偿的调整，改善了挖掘机在重载工况时的挖掘效率及油耗，进一步提高了设备的使用经济性。

［1］马长林，黄先祥，郝琳.基于AMESim的电液伺服系统仿真与优化研究［J］.液压气动与密封，2006（1）：32－34.

［2］高峰，潘双夏.液压挖掘机负流量负荷传感控制策略［J］.农业机械学报，2005，36（7）：111－113.

［3］高峰，潘双夏.负流量控制模型与试验研究［J］.机械工程学报，2005，41（7）：107－111.