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挖掘機(jī)的作業(yè)對(duì)象――土質(zhì)變化較大，從軟性粘土、松沙質(zhì)土、緊密沙質(zhì)土及較緊密砂礫混合土，到砂礫壓原石和軟巖等，因此在工作過程中載荷的變化很大。另外挖掘機(jī)的使用方式和要求也不同：有時(shí)追求最大作業(yè)量，要求發(fā)揮最大功率，進(jìn)行強(qiáng)有力的掘削;有時(shí)強(qiáng)調(diào)燃料經(jīng)濟(jì)性，對(duì)生產(chǎn)率要求不突出，進(jìn)行一般挖掘和裝載工作;有時(shí)則重視精度和安全，進(jìn)行精細(xì)工作和微調(diào)作業(yè)，在窄小的場(chǎng)地進(jìn)行操作。為了適應(yīng)不同作業(yè)和使用工況，滿足使用要求，需要進(jìn)行公工況控制，根據(jù)作業(yè)工況和使用要求來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定，控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度和液壓泵排量。
1、液壓挖掘機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展
20世紀(jì)80年代隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓挖掘機(jī)節(jié)能的控制要求，國(guó)外液壓挖掘機(jī)多種動(dòng)力模式的發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)的功率匹配控制，如20世紀(jì)90年代神鋼SK200MARKⅢ、小松PC200-3、卡特240C型液壓挖掘機(jī)等。這類液壓挖掘機(jī)通常把發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出分為100%、85%、50%三種模式，通過對(duì)液壓泵轉(zhuǎn)矩的控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與泵的吸收功率達(dá)到較好的匹配。在100%動(dòng)力模式下，增加轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制，其原理是將檢測(cè)到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的偏差控制泵的排量，使泵的吸收功率始終追綜發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)功率匹配。由于改變了泵的排量，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定工況時(shí)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)恒功率的控制。
進(jìn)入21世紀(jì)以來，國(guó)外液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)廠已在解決液壓挖掘機(jī)分工況節(jié)能控制的前提下，開始進(jìn)行液壓挖掘機(jī)智能控制的研究和應(yīng)用。如日本神鋼公司把動(dòng)力模式分成手動(dòng)模式和模糊控制模式，并且模糊控制模式是優(yōu)先考慮工作效率的模式。它的工作原理是：電腦自動(dòng)監(jiān)測(cè)操作手柄的動(dòng)作，通過模糊邏輯推理識(shí)別當(dāng)時(shí)的作業(yè)類型后對(duì)操作進(jìn)行輔助，讓操作更容易，被識(shí)別的作業(yè)類型可通過液晶顯示屏顯示。先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)可以在低負(fù)荷時(shí)自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，重負(fù)荷時(shí)發(fā)揮出發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，操作者可在不知不覺中提高作業(yè)效率，是最省油的模式。而美國(guó)凱斯公司液壓挖掘機(jī)在自動(dòng)操作模式精準(zhǔn)液壓控制系統(tǒng)(PSCTM)控制下，可以實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)”挖掘。
2006年11月，在上海工程機(jī)械bauma展覽會(huì)上，日立公司展出了新型ZAXIS-3系列液壓挖掘機(jī)，該機(jī)具有以下特點(diǎn)：
(1)動(dòng)力模式進(jìn)一步簡(jiǎn)化，只有手動(dòng)模式和A/A模式。日立公司把A/A模式稱為自動(dòng)加速模式，它的工作原理類似于日本神鋼公司模糊控制模式，即通過操作手柄的動(dòng)作和液壓泵出口壓力等的監(jiān)控，自動(dòng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置，同時(shí)自動(dòng)調(diào)整液壓泵與發(fā)動(dòng)機(jī)功率的合理匹配，使整機(jī)操作更人性化，減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
(2)采用彩色漢化的液晶顯示器，能夠向操作人員提供更多的工況信息和保養(yǎng)信息。
(3)遠(yuǎn)程保養(yǎng)管理系統(tǒng)(e-Service Owner’s site)。用戶通過上網(wǎng)可以獲得對(duì)液壓挖掘機(jī)的工作管理、運(yùn)行履歷分析以及日立公司對(duì)液壓挖掘機(jī)遠(yuǎn)程故障診斷的結(jié)果信息。
隨著液壓挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、結(jié)構(gòu)件、液壓系統(tǒng)性能的不斷提高，國(guó)內(nèi)液壓挖掘機(jī)廠家在20世紀(jì)90年代開始研究液壓挖掘機(jī)的節(jié)能控制系統(tǒng)，目前該技術(shù)的研究已有突破，并且國(guó)內(nèi)一些單位已生產(chǎn)出可以裝機(jī)的節(jié)能控制系統(tǒng)，浙江大學(xué)、吉林大學(xué)等院校始終走在節(jié)能控制研究的前列。
目前，國(guó)內(nèi)研究的重點(diǎn)還停留在實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)泵與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配，通常的控制方式依然是三擋功率模式。采用模糊算法在線實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制參數(shù)的方法或單神經(jīng)元的自適應(yīng)PID節(jié)能控制以實(shí)現(xiàn)前述的轉(zhuǎn)速傳感控制，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)與泵的功率匹配的自適應(yīng)節(jié)能控制。新的研究是將挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵、控制閥、負(fù)載作為一個(gè)系統(tǒng)，分析該系統(tǒng)各環(huán)節(jié)匹配的原理和方法，提出以泵出油口壓力為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)與工況的自適應(yīng)控制。
在挖掘機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用中，由于國(guó)外挖掘機(jī)廠家的電氣控制系統(tǒng)技術(shù)對(duì)中國(guó)市場(chǎng)一直處于封鎖狀態(tài)，國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)廠家為了提高挖掘機(jī)性能，正在加緊控制技術(shù)的應(yīng)用研究。目前已有一些廠家推出了挖掘機(jī)控制系統(tǒng)，但都還停留在挖掘機(jī)簡(jiǎn)易控制的基礎(chǔ)上，即前所述的三種動(dòng)力模式的分工況控制。對(duì)于液壓挖掘機(jī)作業(yè)工況進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，以及人性化設(shè)計(jì)等問題還沒有進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
2、液壓挖掘機(jī)智能控制系統(tǒng)的方案
目前國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)控制技術(shù)研究的重點(diǎn)都集中在發(fā)動(dòng)機(jī)、油泵、負(fù)荷的功率、轉(zhuǎn)矩的有效匹配，出發(fā)點(diǎn)是液壓挖掘機(jī)的節(jié)能控制研究，很少或沒有考慮液壓挖掘機(jī)的操作人員的舒適性和可操作性。挖掘機(jī)智能控制系統(tǒng)的研究應(yīng)以操作人員為出發(fā)點(diǎn)，以提高挖掘機(jī)操作人員操作舒適性、方便性為目的，重點(diǎn)是通過對(duì)操作人員的操作習(xí)慣、操作手柄的行程大小、運(yùn)動(dòng)快慢等因素的研究，結(jié)合對(duì)實(shí)際負(fù)載大小的測(cè)量，通過智能推理確定發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力設(shè)置，在此基礎(chǔ)上完成發(fā)動(dòng)機(jī)、油泵、負(fù)荷的功率和轉(zhuǎn)矩有有效匹配，使整機(jī)具有簡(jiǎn)單的人工智能，進(jìn)一步提高挖掘機(jī)的挖掘效率。而在整機(jī)控制中，
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