电子调速系统在工程机械中的应用

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电子调速系统在工程机械中的应用

作者：徐工集团

摘要：本文从原理、结构、安装调整等几方面介绍了电子调速系统的使用特点，为工程机械发动机油门设计提出了一种新型式。 关键词：电子调速系统　工程机械　应用 １．前言 在传统的工程机械上，发动机油门控制有机械式、机械液压式、机械气动式等多种不同型式，电子调速系统也就是通常所说的电控油门在现代工程机械中应用越来越普遍，这是因为电子调速与以上几种型式油门控制相比具有发动机速度反馈、自动调节供油量、运行平稳、效率高、结构紧凑、操作方便等优点。随着工程机械自动化程度不断提高，电子调速系统在工程机械中必将具有广阔的应用前景。 ２．工作原理 如图１，先设定好压力开关的设定闭合压力，当驾驶员操纵液压先导阀，先导操纵系统的压力传到压力开关，由于先导系统的压力大于设定闭合压力，压力开关闭合，电子调速系统开始工作，在工作装置发生动作或机械行走时，油门控制器根据负荷变化调节发动机供油量。 监控器上的油门按扭处于位置５或６时为设定转速，处于位置７时可通过手动调节转速设定电位器来控制发动机油门的大小。当负荷增大或减小时，发动机转速传感器将信号送到油门控制器，控制器将该信号于所需的速度设置相比较，控制器输出一个已调制好的脉冲宽度信号给执行器，执行器将这个信号转变成与线圈中电流量大小成正比例的一个输出动作，这个动作使发动机油门增大或减小直到发动机转速与设定转速一致。这样就使发动机始终运行在设定的转速位置附近，使发动机运行稳定。 如图２所示，当发动机转速小于所需的速度设置时，执行器内的电磁线圈根据控制器传来的脉冲信号，电磁线圈内的电流增大，电磁力大于油门拉杆的回复力，油门拉杆向前运动，使发动机转速升高，直到发动机转速与所需的速度设置一致，电磁力与油门拉杆回复力平衡，发动机转速稳定；反之，当发动机转速高于所需的速度设置时，执行器内电磁线圈电流减小，电磁力小于回复力，油门向后回复移动，使发动机转速降低，直到与所需设定转速一致时，电磁力与回复力平衡，发动机转速稳定。当执行器断电时，电磁力为零，在复位弹簧的作用下油门回到怠速状态或断油状态。 有些机械在工作过程中工况变化较频繁，如挖掘机，驾驶员需操纵先导系统从一种工况转到另一种工况，在转换过程中，发动机负荷陡然减小或增大，并且这样的瞬间非常频繁，若将此信息传给油门控制器，势必造成执行器频繁动作，反使发动机运行不稳定。在这种情况下，需加一延时继电器，以避免此种情况发生，延时继电器延时一般设定为２～７秒。 ３．应用设计 ３．１结构型式 常用电子调速系统主要包括控制器和执行器两大部分，控制器是一个功能强大的数字式微处理器，处理来自速度传感器的速度信号与设定速度的关系，并将调制好的脉冲宽度信号输出给执行器，执行器将这个脉冲信号转换为相应的执行动作。 按照输出方式不同执行器有直线运动和旋转运动两种方式。直线运动输出方式的执行器又有推和拉两种执行动作，这种执行器只是电磁铁芯和连接弹簧结构。旋转式输出的执行器可采用扭力矩电机，电机输出的旋转扭矩与线圈内通过的电流成正比例。 ３．２安装型式 电子调速系统的安装，控制器安装较为简单，用支架将控制器固定在适当的位置即可，但要注意防水和被其它可能的物件碰撞。安装执行器最好和发动机固定在一起，以使执行器和发动机保持同步振动，执行器根据输出动作方式不同其于油门拉杆连接方式也不同。直线运动方式输出的执行器将输出轴与油门拉杆联结，使执行器达到最大行程时发动机应处于最大供油状态，执行器断电时发动机处于怠速状态或断油状态。由于输出轴为直线往复运动，油门拉杆做绕轴的旋转运动，为使二者不发生抗劲现象，弥补摆动角以保护执行器，在执行器和油门拉杆之间加一球形拉杆，见图２。若安装不当可能会出现这种问题：发动机能达到最大供油状态，但不能回到怠速位置或断油位置；或者能达到怠速或断油位置而不能达到最大供油位置。这种现象是由于发动机油门拉杆的有效长度和执行器行程不匹配造成的，为此要精心设计计算油门拉杆有效长度和执行器行程二者间关系。一般来说，应使执行器输出轴行程略大于油门拉杆连接铰点的直线行程。为达到在使用中方便调节发动机供油点，应在执行器输出轴和油门拉杆之间设计一个能方便调节二者之间距离的机构。 旋转运动方式的执行器常用的安装方式是在输出轴端安装一槽轮，油门拉杆和槽轮之间用钢索（油门拉线）连接，钢索一端固定在槽轮上，另一端固定在油门手柄上，见图３，这样，执行器的转动就可带动油门拉杆转动实现油门调节的目的。这种安装方式较直线运动方式安装易于调节，因为不需要精确设计二者之间的相对关系。为了保证系统的精确响应性能，连接要求摩擦、咬合和间隙最小，摩擦、咬合和间隙都会导致系统不稳定性。这样，槽轮和钢索都要光滑，钢索要尽量软，以减小摩擦和间隙。在设计槽论时，经验认为钢索在槽论上最大绕过角度以２００°～２７０°为宜，不应超过３６０°，绕过角度小槽轮直径就大，在发动机转速变化不太大时带轮反应不明显，或带轮转角不大时，发动机转速就有较大的变化，这样不能精确控制发动机转速；轮槽直径小，缠绕角度就大，有可能出现咬合、间歇等现象，同时钢索缠绕多摩擦力增大，也不利于精确控制发动机转速。 选用何种方式执行器要根据安装位置情况，同时也要考虑电磁力（矩）的大小，要保证电磁力（矩）能克服拉杆回复力矩。根据我公司使用情况，直线运动方式的执行器推拉力都不大，而旋转运动方式的执行器容易选取较大力矩电机。这两种执行器在接线上基本相同。 ４．调整校准 电子调速系统安装后调整是一个重要环节，调整不当有可能达不到预期效果。执行器调节主要是调节输出轴与油门拉杆之间的连接，以确保连接后断油拉杆能顺利从断油位置移到最大供油位置。这种调节比较直观，而且输出方式不同调节方法也不同，本文不再赘述。校准控制器是确保控制器能对速度信号作出正确反应，下面以我公司使用过的新格斯达控制器为例阐述控制器校准的方法。 （１）．将速度传感器或频率计数器与发动机相连来测定发动机转速； （２）．将比例放大和积分放大调节到最小； （３）．若使用一个远程速度电位器，把它设置为中等转速； （４）．无负载启动发动机； （５）．调整内部速度电位器到所需速度； （６）．增大比例放大系数直到速度开始波动（即游车），然后减小比例放大系数直到波动停止； （７）．增大积分放大系数直到速度开始波动，然后减小积分放大系数直到波动停止； （８）．加不同负载从开到关（直到１００％）来检测性能和稳定性； （９）．重复６、７、８三个步骤，直到达到工作良好； （１０）．关掉控制器，让发动机转速降到５０％左右，这时重新打开控制器来检测超调量，如果超调量超过４％，微微减少积分放大系数，然后重新测试； （１１）．关掉发动机等到发动机冷却后，重新启动以检测冷启动稳定性。如果发动机速度波动，则稍微减小比例放大系数和积分放大系数直到波动停止。 ５．结束语 目前，工程机械正朝着智能化、人性化方向发展，自动化程度白益提高，油门操纵作为控制系统的一个重要部分也必然向自动化方向发展，在电控发动机还不是普遍使用的工程机械领域，电子调速系统无疑会给整机的自动化程度提高带来不少亮点。