推土机极限载荷自动控制系统的研究探讨

在推土机作业过程中，急剧变化的外部阻力常常会使发动机转速下降或者使机器滑转率上升，进而导致工作状况恶化。提出了一推土机极限荷载自动控制系统，该系统可以根据机器的工作状态自动调整铲刀的切削深度，从而保证推土机始终工作于生产率最高的状态。
　　１问题的理出
　　目前，在推土机设计过程中，发动机的匹配一般遵循下列原则：
　　（１）由发动机最大扭矩决定的最大有效牵引力Pｍａｘ应大于由地面附着条件决定的最大有效牵引力Pφ，即Pｍａｘ＞Pφ；
　　（２）由发动机额定功率决定的有效牵引力PＮＨ应等于由行走机构额定滑转率决定的有效牵引力PηＨ，即PＮＨ＝PηＨ。
　　从理论上讲，由于这种设计方案既充分发挥了机器的功率，又能保证发动机不熄火，使机器能持续正常工作，因而在没有载荷控制系统的条件下，这种设计方法无疑是正确的。但是，机器的实际工况是千变万化的，而这种设计方法在实际设计过程中只能选一种典型工况进行。当机器实际作业工况与设计工况发生偏离时，推土机将不能充分发挥其作业能力。主要有以下几种情况：
　　第一，当推土机工作场地的附着性能高于设计工况的附着性能时，如果机器的外部工作阻力大于发动机额定功率决定的有效牵引力，则发动机转速将会显著降低，引起功率下降、油耗上升、生产率降低。尤其是当机器使用到接近大修期限时，由于发动机的性能变差，这种现象将更加明显。
　　第二，当推土机作业场地的附着性能低于设计工况的附着性能时，如果机器的外部工作阻力大于由行走机构额定滑转率决定的牵引力时，机器的滑转率将会急剧上升甚至全滑转，此时机器的作业速度大为减小，生产率大大降低。这种情况在机器实际作业过程中频繁出现，除了由于设计这一原因外，还有以下两个原因：一是机器在作业过程中由于地面的不平整及履带接地比压的不均匀将导致机器的附着性能变差；二是机器要受到一个垂直向上的切土分力，铲土过程中，这一分力使推土机实际附着重量减少，附着性能变差，滑转率增大。
　　第三，在目前使用的推土机上，为了充分发挥机器的生产能力，操作人员经常根据发动机转速和滑转情况来升降铲刀，以改变机器的工作状况，提高生产率。但这种凭司机的感觉来调节机器工作状态的方法不仅加大了司机的劳动强度，而且有很大的随意性，因为人的直觉是不可能精确感知发动机转速和机器滑转率的，而且即使经验十分丰富的操作人员，也有一个反应过程。
　　２极限载荷自动控制系统工作原理
　　推土机极限载荷自动控制系统是一种安装在推土机上的电液控制装置，该装置可根据所测的发动机转速及行走机构滑转率自动升降铲刀进而控制机器的外部载荷，使其不超过由发动机最低经济转速决定的或由行走机构允许滑转率决定的最大载荷。本文为了叙述方便，将上述两种最大载荷统称为极限载荷。文中所提到的发动机最低经济转速为本控制系统的一个设定参数，取值应根据推土机工作的另一个设计参数，其最佳取值应根据推土机工作现场的附着性能而定。
　　该系统仅在推土机原有的手动操纵系统的基础上接入了两只电磁阀和一个单向阀，其动作过程如下：在机器尚未超载时，系统的工作泵与未装该系统时完全一样；当液压自由式锁死于中位工作时，若系统超载，控制系统使封位阀换向，液压缸上腔则通过封位阀向油箱回油，提升铲刀。当铲刀在下降过程中机器超载时，控制系统将下位阀换向，提升铲刀。考虑到电磁换向阀在自动控制过程中频繁动作的要求，该电磁阀应以选用快速动作阀为宜。不难看出，该控制系统仅在机器超载时才起作用，在未超载时，推土机完全维持原有工作状态。
　　在工作过程中，自动控制系统将测得的发动机的转速信号ｎ，与设定的发动机最低经济转速信号ｎ０进行比较处理，得出机器的工作阻力是否使发动机超载；由测得的实际行驶速度信号Ｖ与理论行驶速度信号Ｖ０（由发动机转速信号换算而得）求滑转率η，并与设定滑转率η０比较，得出机器是否打滑。不论出现哪一种情况，控制系统均操纵相应的电磁阀，提升铲刀，减轻机器负荷，提高生产率。当机器负荷减至极限值以下时，控制系统自动停止工作。
　　对于装有极限超载荷自动控制系统的推土机，当需要推土机铲由预定的地面形状或由于其他原因需要自动控制系统停止工作时，只要关闭自动控制系统的电源，推土机即完全恢复为传统的手动操作状态。
　　３极限载荷自动控制系统的特点
　　（１）该系统可作为一个独立的附加机构安装于推土机上，在该系统失效或不用时，只要关闭电源，机器就可回复到原有的手动操作状态。
　　（２）该系统仅需测取两个机器状态信号，结构简单，便于实现。系统对由发动机最低经济转速决定的极限载荷的控制在关系上是并列的，只要机器的外部工作阻力大于极限载荷都可实现自动控制。
　　（３）在作业过程中，司机仍按传统推土机的使用方法进行操作，只有工作阻力大于极限载荷时，控制系统才会自动调节载荷。因而无需人工提升铲刀，降低了司机的劳动强度