3中大吨位履带起重机主要控制功能实现原理.docx
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3中大吨位履带起重机主要控制功能实现原理
中大吨位履带起重机主要控制功能的实现原理
1.发动机状态监控及控制
1发动机状态监控
系统通过J1939总线与发动机ECU进行通讯并获得发动机的状态数据,通过其他传感器采集发动机所没有的信息,如柴油液位等信息,显示器动态显示发动机各参数或状态,采用虚拟仪表显示。
发动机监控的主要内容包括:
[1]发动机转速(rpm,CAN总线信号或通过在飞轮壳上外加转速传感
器;
[2]冷却水温度(℃,CAN总线信号;
[3]冷却水液位(%,CAN总线信号;
[4]机油温度(℃,CAN总线信号;
[5]机油压力(kPa,CAN总线信号;
[6]发动机工作小时(Hour,CAN总线信号;
[7]燃油液位(%,上、下油位超限报警,通过外加可变电阻来实现。
一般特性
满箱:
180±5Ω,空箱:
10±3Ω。
处理方法,再串一个100-150Ω左右的电阻即可,要考虑到端子的最大输入电流,不可超过这个电流值,如图1所示。
图1油位传感器连接方法
[8]发动机空气滤清器报警,CAN总线信号;
[9]其他
2发动机油门控制的方式(以TEREX-DEMAG5800为例
[1]油门踏板控制
a油门踏板(自复位给出的电压信号(最大0-5V,正常0.5-4.5V
到主控制器,主控制器通过J1939总线控制发动机的转速。
此类型
可以做功率极限载荷控制,转速通过控制器中转。
b油门踏板无操作时,发动机处于怠速状态,一般为600-800rpm。
[2]油门电位计控制
a油门电位计(不复位给出的电压信号(最大0-5V,正常0.5-4.5V
到控制器,主控制器通过J1939总线控制发动机的转速。
此类型可
以做功率极限载荷控制,转速通过控制器中转。
b油门电位计无操作时:
发动机处于当前电位计所处于状态,并一直
保持此状态。
[3]自动油门
a系统根据当前的主泵压力和手柄操作,计算系统所需功率,根据此
功率控制发动机的转速,自动使发动机的转速和负载功率保持较好
的匹配状态。
b在自动油门模式下,当油门踏板控制有效时,发动机的转速为油门
踏板控制的转速和自动计算的转速较高值。
[4]油门之间的转换
a油门电位计和油门踏板的转速命令同时作用于控制发动机的转速,
哪个计算的转速高,控制系统听哪个。
两种控制方式的切换之间具
有缓冲阶段,防止发动机转速变化过快。
3发动机启动和停止
[1]发动机紧急停车控制
当出现紧急状况时,发动机需要急停,发动机能够在短时间内紧急停车。
此时,控制器需要接收到一个信号,所有控制器输出复位。
[2]发动机启动、停车控制:
启动、停止采用总线控制
a当控制器收到钥匙开关发出的点火信号后,向发动机发送启动信号,
若是发动机经过5秒的时间起动机在运转而发动机仍然未启动,停
止向发动机发送启动信号。
控制器需要等待下一次启动信号后才能
继续发送启动信号。
b当钥匙开关停止向控制器发送起动信号后,控制器立即停止向发动
机发送启动信号。
c当控制器收到熄火信号,立即向发动机发送熄火信号,没有延时。
图2TEREX-DEMAG5800车型的油门控制开关
2.液压系统和发动机的功率匹配控制
1极限载荷控制
在起重机的实际使用中,还是常常出现发动机与液压系统功率不匹配的现象,导致发动机转速下降过多,偏离最佳工作点,增加油耗,情况严重的还会导致发动机熄火。
控制系统根据当前发动机的转速变化,判断发动机转速的失速状况。
如果失速过大,则控制系统自动调节(减小变量泵的排量,或者同时降低马达的吸收功率,使发动机的输出功率减少至和负载功率相匹配,保障发动机处于较佳的工作状态。
可通过发动机失速率K的大小来侧面判断泵的吸收功率PP是否大于发动机的输出功率PE。
具体实现方法:
根据发动机的空载油门-转速曲线,设定发动机允许失速率,即设定判断发动机是否超载的允许极限转速曲线nlimit,如图3所示:
当在发动机处于某个油门位置状态下时,检测到的实际发动机转速n小于允许极限转速nlimit,则认为泵的吸收功率PP大于发动机输出功率PE,需要进行对泵的排量调节。
一般的,最大允许失速率在10~15%左右,即当发动机处于低怠速(800rpm时,允许发动机转速下降80~120rpm左右,而当发动机处于高怠速(2100rpm时,允许发动机转速下降210~315rpm左右。
当极限载荷控制系统判断出泵吸收功率PP大于发动机输出功率PE,需要进行调节后,系统迅速做出响应,降低变量泵的排量,使发动机转速回到允许的转速范围内。
调节方式一般采用PID调节方式。
在实际应用中,当负载功率过大时,会导致发动机转速下降得很快,如果不
能及时调整变量泵的排量,则会导致发动机在很短时间内熄火,经实际测量,此时间可小于0.5秒。
因此,对PID的动态响应速度提出了很高的要求。
0%
100%2100800
RPM
AP
n0
nlimit
图3允许极限转速曲线
同时,起重机在工作时,又要要求运行平稳,因此在极限载荷控制下,不能让起重机的执行机构工作速度出现震荡,即对PID调节的稳定性要求较高。
基于上述实际需求,单一PID参数已经不能满足实际需求,多PID参数成为必需。
经过实际试验,当失速率在10~20%时,PID调节应以稳定性为主,在进行PID参数整定时应使比例参数P和微分参数D较小,保持其稳定性;而当失速率大于20%时,PID调节应以快速响应为主,比例参数P和微分参数D较大。
2发动机自动怠速控制
本功能工作于发动机转速受油门电位计控制情况下。
系统检测当前液压各分系统压力,如果各分系统压力都降低到空载状态后,则延时5秒(参数可调后发动机转速自动回落到自动空转转速1400rpm(参数可调,再延时5秒(参数可调后如果各分系统压力还没有上升,则发动机转速自动回落到低怠速位置800rpm(参数可调。
3.开式起升回路动作控制
1液压系统组成为变量泵、换向阀和变量马达,开式系统。
如图4所示,
各个控制元件的类型如表1所示。
表1起升机构的控制对象特性
名称内容控制方式控制量
-Y1泵排量控制比例量200mA-600mA-Y2主阀落开关量2A
-Y3主阀起开关量2A
-Y4制动阀开关量2A
-Y5平衡阀开关量2A
-Y6马达排量控制比例量200mA-600mA
图4起升机构示意图
图5泵的电流与流量之间的关系
2控制过程:
[1]手柄控制卷扬方向和起升速度大小。
[2]在起升开始时,泵和主阀先打开,制动器通过程序延时t1(参数可调
时间自动打开,起升结束时相反。
[3]在下降时开始时,泵和主阀先打开,制动器通过程序延时t1’(参数
可调时间自动开启,然后再延时t2(参数可调时间开启平衡阀,
结束过程相反。
3卷扬的速度控制通过改变泵排量和马达排量来实现。
[1]当速度指令从零逐渐变大时(手柄的摆角从中位开启到最大,泵的排量
从零开始增大,即控制器给Y1电磁铁的电流输出为200mA到600mA;
[2]当泵的排量增加到最大时,如果仍需要增大机构速度,开始减小马达的
排量以继续增大卷扬速度,即控制器给Y6电磁铁的电流输出为200mA到600mA,电流越大,排量越小,速度越快。
[3]当负载较大时,如果马达排量较小,其扭矩可能不满足起升扭矩,因此,
需要根据负载的大小调整马达的最小排量,保证卷扬速度能跟随操作手柄全程变化。
整个控制过程如图6所示。
泵的排量↑
泵的排量增加到手柄操作角度增大
比例阀开口↑80%
是否仍需增加速度
马达的排量↓达到当前马达设定最小排量?
停止
Y
N
NY
图6速度控制原理
4控制过程的平稳性
[1]斜坡设计,不管手柄的动作如何快,控制器对液压系统的控制需要平滑、
有一定的时间斜坡,如图7所示。
手柄最大角度
泵电流控制
手柄不同的速
度曲线
时间
图7斜坡设计
[2]微调设计,在手柄上设置机构的最大运行速度,当手柄即使推到最大角
度,速度也是按照设置的机构速度来运行,可以实现微调的动作。
5800的界面如图8所示。
它的调节方式是在手柄上设置了翘板开关,左右调节速度的大小,如图9所示。
在控制的过程中,实际上是限定了控制器对泵和马达的输出电流的最大值。
图85800的机构最大速度调节界面
图9TEREX-DEMAG5800手柄上的速度调节开关
4.闭式回转动作控制
由于回转基本上是一个独立的系统,同起升、变幅等回路基本上是独立的。
目前DEMAG的回转基本采用了闭式系统,保证了平稳性的要求,如图10所示。
1回转工作模式
[1]默认:
回转单独泵工作。
[2]增压模式:
回转泵工作,增压阀打开,通过手柄按钮开关控制,经过控机构的最大运行速
度条
V型翘板开关
制器判断。
增压的作用是在一定程度上增加回转泵的出口压力,使回转的力量增大,如履带吊在坡面上向上回转时,这个功能很有用。
如图10所示的Y1开启,则泵的出口压力将会增大。
[3]随动(自由滑转模式:
泵立即回零位,随动阀Y4打开,制动器Y3打
开。
自由滑转的作用有两个,一个是在大风天不工作的情况下,臂架可以随着风向而转到顺风方向,防止臂架承受过大的侧向力;另一个作用是在重物刚挂上钩子要起升的过程中,重物有可能和臂头不在一个垂线上,开启自由滑转功能后,则可以让臂架自动回转到与重物垂直的方向。
图10回转油路的示意图
2回转速度限制
按照力矩限制器给定的力矩百分比信号,并考虑臂长、幅度、风速与回转速度的关联,自动实现三级回转速度。
速度计算:
LNVVm⨯⨯=
V:
当前由控制器所限定的最大回转速度
mV:
回转最大速度
L:
臂架总长所决定的系数(主臂+塔臂/固定副臂
L臂长≤60m
=
0.1
=
L60m<臂长≤110m
8.0
=
L臂长>110m
6.0
N:
由载荷百分比所决定的系数,N与载荷百分比的函数关系如图11所示,函数关系为:
=T
N
-
6.1
+
图11回转速度限制系数
3回转角度限制
在回转中心安装回转编码器,实时测量臂架与履带前方的角度,为回转的角度限制提供参数。
可以提供以下的功能:
[1]回转至后方110°时自动将行走正方向切换至驾驶员正前方。
[2]回转作业范围限制功能。
图12回转角度传感器安装及界面显示
5.力限器系统
力限器系统是起重机安全控制模块的核心。
它由力传感器、角度传感器、主
机、显示器及软件组成,履带起重机的基本布置方式如图13所示,汽车起重机如图14所示。
角度传感器力传感器
A
B
CD
E
FX
Y
Z
图13履带起重机的力限器的布置方式
角度传感器压力传感器
卷线盒臂架角度臂架长度系统压力吊重
力限器主机
图14汽车起重机的力限器布置方式
4力限器的功能
[1]显示载荷、幅度、高度等信息
[2]预警、制止危险动作继续动作,防止起重机超载和倾翻
[3]国家规定16吨以上臂架型起重机必须安装力矩限制器
[4]在小吨位安装吊重仪,只显示载荷大小,无力矩显示,如图15所示。
图15吊重仪和力矩限制器的差别
5国内外主要厂家
[1]Hirschmann,早期DEMAG、LIEBHERR供应商,现在主机厂自己做
[2]3B6、新韩,Robway
[3]日本主机厂自己研发
[4]徐州赫思曼-徐工
[5]长沙弘安-中联
[6]宜昌、北京电脑所、等其他
6传感器介绍
[1]力传感器:
主要有三种形式,拉板式、销轴式和压式,分别如图16、17、18所示。
本质上都是应变片变形,输出电阻信号,然后经过处理,形成电流或电压信号输出,最核心的技术在于贴片的工艺上。
拉式传感器
图16拉板传感器
销轴式传感器
图17销轴传感器
压式传感器
图18压式传感器
[2]角度传感器:
有重锤式和电子式两种,实现的原理是不一样的。
重锤式是阻尼重锤配电位计,结构简单,但是精度差。
电子式是导电液体与电容极板组成的,精度高,体积小,是发展的方向之一。
图19电子式角度传感器
[3]压力传感器
主要为金属膜片应变检测液体压力,用于压力检测和故障诊断,是汽车起重机非常重要的传感器,是力限器系统所必需的传感器之一。
图20压力传感器
7力限器的安装形式
[1]变幅拉板取力,一般用于大吨位,如图21和22所示。
图21履带起重机拉板取力方式
[2]变幅绳取力,一般用于小吨位,如图23所示。
图23变幅绳取力方式
[3]起升绳取力,一般用于小吨位,可以是三滑轮结构,如图24所示。
也可
以是在钩头取力。
三滑轮的优点在于取力方式简单,安装方便,价格便宜,但是初始精度高,用过一段时间后就不准了,磨损严重。
钩头取力的方式在履带吊上,目前用处不大。
因为涉及到倍率的问题,在单倍率的情况下,传感器只能安装在吊钩上,这是没法用有线的方式实现,如
图25所示。
图24绳头三滑轮取力方式
图25起升绳钩头取力方式[4]工作过程,如图26、27所示。
根据传感器取得的
角度传感器
拉力传感器
力限器主机
液压系统显示系统
液压阀、泵、马达显示器、喇叭等
信息,计算此工况
下实际起重量,与
起重性能表数据比
较,并输出有关信
息
长度传感器
图26力限器的工作过程
实际吊重/额定吊重=力矩百分比
≤90%90%~100%≥100%
正常运行声音报警切断危险动作回路
图27力限器的输出结果
8核心算法:
力+角度→当前起重量9应用举例:
[1]超载信号DO→液压电磁阀→液压卸荷→起升+向下变幅停止,这个一般
用于小吨位液控履带吊、先导控制油路。
强制开关下变幅电磁阀
起升电磁阀
30878785
86
继电器2继电器186
85
878730力限器主机
正常,继电器没电,电磁阀得电,动作正常。
强制开关下变幅电磁阀
起升电磁阀
30878785
86
继电器2继电器186
85
878730力限器主机
超载,继电器得电,电磁阀失电,动作停止。
强制
开关下变幅电磁阀
起升电磁阀
30878785
86
继电器2继电器186
85
878730力限器主机
强制,继电器失电,电磁阀得电,动作正常。
图28力限器超载后的控制原理
[2]超载信号DO→控制器→液压电磁阀→液压卸荷→起升+向下变幅停止,
一般用于中大吨位,如图29所示。
下变幅电磁阀
起升电磁阀力限器主机
控制器
下降电磁阀
上变幅电磁阀
超载高度限位
前倾
总线信息
图29力限器超载后的控制原理
[3]由于中大吨位力限器只作为整机控制系统的一部分,为整机的主控制器
提供力限器的相关信息,因此,主控制器作为全车的控制中心,需要从力限器得到相关的安全数据,有如下几类:
安全限位信号:
超载、高度限位、臂架极限角度位置等各类载荷信息:
载荷、载荷率、配重量、拉力整机参数:
臂架长度、角度、工况、倍率等
10力限器的设计流程
[1]确定力传感器的安装形式,销轴?
拉板?
还是其他的。
[2]从总体那里得到各个受力点的最大拉力值,确定力传感器的量程。
预留
及超出
[3]确定力限器需要输出和输入的内容
a输出:
各类安全信号,什么时候输出?
b输入:
力、角度、安全开关
[4]确定力限器需要输出和输入的形式
a输出:
各类安全信号,总线?
DO
b输入:
力、角度、安全开关
c显示器显示内容
[5]根据上述内容确定硬件清单
a主机、显示器、力传感器、角度传感器、限位开关、电缆、卷筒、
接线盒等
b双方相互提供的数据
[6]制定技术协议,规定各自的权利和义务
[7]编程-调试
6.应急操作
1方案一:
对输入进行应急。
其设计原理是将原车正常的所有输入人机界面进行屏蔽,采用另外一套独立的操作界面,全遥控手柄界面或有线操作界面,界面的输出口直接进原车控制器,然后通过正常的输出口进行控制液压系统。
这个方案主要是针对输入操作进行应急的情况,前提是控制器没有损坏。
这种方案技术难度低,可行性好,但应急程度不高。
DEMAG的履带起重机基本上就是按照这个模式进行应急操作。
如图30所示。
它能满足基本的操作,如起升、变幅、行走、回转、超起配重操作等功能。
图30TEREX-DEMAG5800的应急遥控器
2方案二、对输入和输出都进行应急。
其设计原理是采用独立电路板形式的应急系统:
在主控制器系统之外,设计
另一套完全独立的控制系统,这套系统采用简单的电路板结构设计,保证绝对的可靠性和安全性。
电路板的输出口将主要液压系统的电磁阀进行并联,当主控制器系统出现问题时,通过开关切换到应急系统操作模式,可以实现简单的重物下落、回转、超起配重油缸操作等功能。
这种方案技术难度和成本高,应急程度高,但是可行性需要验证,目前国内和国外的设备这种产品还比较少。
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- 吨位 履带 起重机 主要 控制 功能 实现 原理