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在推土機作業(yè)過程中，急劇變化的外部阻力常常會使發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降或者使機器滑轉(zhuǎn)率上升，進而導(dǎo)致工作狀況惡化。提出了一推土機極限荷載自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)機器的工作狀態(tài)自動調(diào)整鏟刀的切削深度，從而保證推土機始終工作于生產(chǎn)率最高的狀態(tài)。
1問題的理出
目前，在推土機設(shè)計過程中，發(fā)動機的匹配一般遵循下列原則：
(1)由發(fā)動機最大扭矩決定的最大有效牽引力Pmax應(yīng)大于由地面附著條件決定的最大有效牽引力Pφ，即Pmax＞Pφ；
(2)由發(fā)動機額定功率決定的有效牽引力PNH應(yīng)等于由行走機構(gòu)額定滑轉(zhuǎn)率決定的有效牽引力PηH，即PNH＝PηH。
從理論上講，由于這種設(shè)計方案既充分發(fā)揮了機器的功率，又能保證發(fā)動機不熄火，使機器能持續(xù)正常工作，因而在沒有載荷控制系統(tǒng)的條件下，這種設(shè)計方法無疑是正確的。但是，機器的實際工況是千變?nèi)f化的，而這種設(shè)計方法在實際設(shè)計過程中只能選一種典型工況進行。當(dāng)機器實際作業(yè)工況與設(shè)計工況發(fā)生偏離時，推土機將不能充分發(fā)揮其作業(yè)能力。主要有以下幾種情況：
第一，當(dāng)推土機工作場地的附著性能高于設(shè)計工況的附著性能時，如果機器的外部工作阻力大于發(fā)動機額定功率決定的有效牽引力，則發(fā)動機轉(zhuǎn)速將會顯著降低，引起功率下降、油耗上升、生產(chǎn)率降低。尤其是當(dāng)機器使用到接近大修期限時，由于發(fā)動機的性能變差，這種現(xiàn)象將更加明顯。
第二，當(dāng)推土機作業(yè)場地的附著性能低于設(shè)計工況的附著性能時，如果機器的外部工作阻力大于由行走機構(gòu)額定滑轉(zhuǎn)率決定的牽引力時，機器的滑轉(zhuǎn)率將會急劇上升甚至全滑轉(zhuǎn)，此時機器的作業(yè)速度大為減小，生產(chǎn)率大大降低。這種情況在機器實際作業(yè)過程中頻繁出現(xiàn)，除了由于設(shè)計這一原因外，還有以下兩個原因：一是機器在作業(yè)過程中由于地面的不平整及履帶接地比壓的不均勻?qū)?dǎo)致機器的附著性能變差；二是機器要受到一個垂直向上的切土分力，鏟土過程中，這一分力使推土機實際附著重量減少，附著性能變差，滑轉(zhuǎn)率增大。
第三，在目前使用的推土機上，為了充分發(fā)揮機器的生產(chǎn)能力，操作人員經(jīng)常根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和滑轉(zhuǎn)情況來升降鏟刀，以改變機器的工作狀況，提高生產(chǎn)率。但這種憑司機的感覺來調(diào)節(jié)機器工作狀態(tài)的方法不僅加大了司機的勞動強度，而且有很大的隨意性，因為人的直覺是不可能精確感知發(fā)動機轉(zhuǎn)速和機器滑轉(zhuǎn)率的，而且即使經(jīng)驗十分豐富的操作人員，也有一個反應(yīng)過程。
2.極限載荷自動控制系統(tǒng)工作原理
推土機極限載荷自動控制系統(tǒng)是一種安裝在推土機上的電液控制裝置，該裝置可根據(jù)所測的發(fā)動機轉(zhuǎn)速及行走機構(gòu)滑轉(zhuǎn)率自動升降鏟刀進而控制機器的外部載荷，使其不超過由發(fā)動機最低經(jīng)濟轉(zhuǎn)速決定的或由行走機構(gòu)允許滑轉(zhuǎn)率決定的最大載荷。本文為了敘述方便，將上述兩種最大載荷統(tǒng)稱為極限載荷。文中所提到的發(fā)動機最低經(jīng)濟轉(zhuǎn)速為本控制系統(tǒng)的一個設(shè)定參數(shù)，取值應(yīng)根據(jù)推土機工作的另一個設(shè)計參數(shù)，其最佳取值應(yīng)根據(jù)推土機工作現(xiàn)場的附著性能而定。
該系統(tǒng)僅在推土機原有的手動操縱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上接入了兩只電磁閥和一個單向閥，其動作過程如下：在機器尚未超載時，系統(tǒng)的工作泵與未裝該系統(tǒng)時完全一樣；當(dāng)液壓自由式鎖死于中位工作時，若系統(tǒng)超載，控制系統(tǒng)使封位閥換向，液壓缸上腔則通過封位閥向油箱回油，提升鏟刀。當(dāng)鏟刀在下降過程中機器超載時，控制系統(tǒng)將下位閥換向，提升鏟刀。考慮到電磁換向閥在自動控制過程中頻繁動作的要求，該電磁閥應(yīng)以選用快速動作閥為宜。不難看出，該控制系統(tǒng)僅在機器超載時才起作用，在未超載時，推土機完全維持原有工作狀態(tài)。
在工作過程中，自動控制系統(tǒng)將測得的發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號n，與設(shè)定的發(fā)動機最低經(jīng)濟轉(zhuǎn)速信號n0進行比較處理，得出機器的工作阻力是否使發(fā)動機超載；由測得的實際行駛速度信號V與理論行駛速度信號V0(由發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號換算而得)求滑轉(zhuǎn)率η，并與設(shè)定滑轉(zhuǎn)率η0比較，得出機器是否打滑。不論出現(xiàn)哪一種情況，控制系統(tǒng)均操縱相應(yīng)的電磁閥，提升鏟刀，減輕機器負荷，提高生產(chǎn)率。當(dāng)機器負荷減至極限值以下時，控制系統(tǒng)自動停止工作。
對于裝有極限超載荷自動控制系統(tǒng)的推土機，當(dāng)需要推土機鏟由預(yù)定的地面形狀或由于其他原因需要自動控制系統(tǒng)停止工作時，只要關(guān)閉自動控制系統(tǒng)的電源，推土機即完全恢復(fù)為傳統(tǒng)的手動操作狀態(tài)。
3.極限載荷自動控制系統(tǒng)的特點
(1)該系統(tǒng)可作為一個獨立的附加機構(gòu)安裝于推土機上，在該系統(tǒng)失效或不用時，只要關(guān)閉電源，機器就可回復(fù)到原有的手動操作狀態(tài)。
(2)該系統(tǒng)僅需測取兩個機器狀態(tài)信號，結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)。系統(tǒng)對由發(fā)動機最低經(jīng)濟轉(zhuǎn)速決定的極限載荷的控制在關(guān)系上是并列的，只要機器的外部工作阻力大于極限載荷都可實現(xiàn)自動控制。
(3)在作業(yè)過程中，司機仍按傳統(tǒng)推土機的使用方法進行操作，只有工作阻力大于極限載荷時，控制系統(tǒng)才會自動調(diào)節(jié)載荷。因而無需人工提升鏟刀，降低了司機的勞動強度。
(4)本系統(tǒng)可以保證機器在各種工況下均有一個比較良好的工作狀態(tài)，從而充分發(fā)揮機器的作業(yè)能力，提高機器的生產(chǎn)率，降低機器的燃油消耗量。
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