轮式挖掘机高速行走电控系统设计

轮式液压挖掘机（以下简称轮式挖掘机）是以轮胎作为行走部件的挖掘机械，具有行走速度快，不损坏路面，能远距离自行转场，机动、灵活、高效的鲜明特点，可以进行物料挖掘、吊装、搬移等作业。在市政建设、公路交通建设及快速抢修等工程中得到了广泛应用。基础设施建设，城镇化建设扩大等决定了轮式挖掘机在我国具有广阔的市场前景。

国外轮式挖掘机生产企业较多且机型齐全，如日立、小松、利勃海尔、卡特彼勒、沃尔沃、JCB、斗山、现代等均生产轮式挖掘机。这些公司的产品基本体现了当今世界轮式挖掘机技术发展的最高水平，且很多公司都拥有其专有关键技术及元器件。近年来，国产轮式挖掘机在产量、机型和技术水平等方面都有了一定的发展，比如贵州詹阳动力生产的高速轮式挖掘机GJW111行走速度达到了50km/h，填补了国产空白，实现了行驶速度的重大突破。但其发展规模仍然很小，技术性能和工作可靠性还不能满足国内市场的需要，严重缺乏关键技术。速度大于50km/h的高速行走轮式挖掘机目前还是空白，与国外的技术水平差距较大，其发展任重而道远。

1 系统整体设计

高速轮式液压挖掘机由闭式行走系统、工作系统、制动与转向系统和独立散热系统四部分组成(如图1）。其中柴油发动机作为动力源，提供动力输出，发动机通过分动箱和两个闭式泵、补油泵、开式泵、制动转向泵及散热泵进行机械连接。

图1 系统整体结构框图

闭式行走系统包含2个闭式泵，1个补油泵，4个高速行走马达，1个变速箱，其中2个闭式泵采用的是可以双向调节，流量可为零的电控泵，4个行走马达在变速箱前后各装两个，提供动力输出，通过调节行走马达的排量可以实现马达转速的调节，变速箱通过传动轴与前后桥连接。通过闭式泵斜盘的双向调可以实现整车的前进后退，通过发动机转速和闭式泵与行走马达的排量匹配，实现车速的调节。

上车工作装置和回转部分采用的是负载敏感系统，增加了操作的舒适性。制动与转向采用一个泵，通过制动阀控制，可以实现电控调节前桥与后桥的制动比例分配，通过转向器来实现前轮的转向。散热采用独立散热系统，由散热泵控制散热马达，通过调节马达排量控制风扇转速，实现散热，节能降噪，同时还可以通过换向阀，实现风扇的正反转，实现除尘作用。

2 电控系统设计

轮式挖掘机要实现高速行走，达到流畅平滑的加速，需要发动机、泵和马达的完美匹配。因此，电控系统至关重要（图2）。其中主控制器通过CAN总线分别与监控器和发动机ECM进行通信。主控制器采集的信号有闭式泵的前进压力、后退压力、工作泵的LS压力、马达的出口压力、4个马达的转速、制动压力、电子脚踏油门信号、油门旋钮信号、行走方向开关信号、档位信号、模式选择开关信号、驻车开关、支腿开关、先导开关；需要控制器控制输出的信号有工作泵调节电磁阀、闭式泵1前进电磁阀、后退电磁阀、闭式泵2前进电磁阀、后退电磁阀、4个行走马达的调节电磁阀、驻车电磁阀、离合器电磁阀、风扇方向电磁阀，风扇比例电磁阀、支腿电磁阀、先导电磁阀、刹车灯的控制信号，倒车报警及倒车灯的控制信号。

图2 控制系统示意图

主控制器采集行走模式开关和档位开关信号，判断车辆的行走方向和行走的最高限速，采集油门信号并与发动机的转速相匹配，控制器把转速信号通过CAN总线传输给发动机ECM，ECM调整发动机转速到设定位置，同时控制器会把转速信号相匹配的电流信号控制闭式泵电磁阀，调整闭式泵到相对应的排量，控制器会控制4个行走马达电磁阀电流到设定位置，得到相匹配的排量，实现马达转速的调节，控制器同时会采集马达的出口压力及转速，闭式泵的压力，ECM把发动机的转速通过CAN实时传给控制器，形成行走系统的闭环控制。

3 控制逻辑功能设计

轮式挖掘机主要的工作模式是行走系统的行驶模式，工作装置的挖掘装载作业。其中行驶模式时负载波动大，变化剧烈，行驶速度需要随路况变化动态调节，行走控制策略如图3所示。行走系统的变量参数包括发动机的转速、变量泵与变量马达的排量变化，如图4所示。可以把行走模式的控制策略分为4个模块，发动机油门和转速控制、比例电磁阀斜坡控制、发动机-泵-行走马达的功率匹配控制如图5所示，马达的功率匹配如图6所示。

图3 行走控制策略示意图

图4 行走控制流程图

图5 发动机与闭式泵的功率匹配图

图6 马达的功率匹配图

轮式挖掘机行走时，将模式选择为行走模式，主控制器采集脚踏油门信号，并对其信号进行斜坡处理；根据踏板信号大小控制发动机转速，闭式泵功率控制模块计算出相应的电流控制比例阀，控制主泵排量，主泵功率控制模块则采集发动机实际转速、踏板油门信号，根据发动机实际转速与油门信号输出对应电流给主泵比例阀进行功率控制；在行驶过程中，根据路面状况及坡度，系统会实时检测主泵压力，马达功率控制模块对马达排量进行控制，同时，系统根据马达压力对主泵功率也会做相应调整，使两者相匹配。

4 结语与展望

高速工程机械设备在国防工程建设中具有重要的作用，开发时速大于50km/h的高速轮式挖掘机具有重要的意义。高速轮式挖掘机的系统可以移植到相似的工程机械设备上。但是，控制系统和核心零部件都还要依赖于进口，对性能进一步提升受到很大的制约，因此，要加大控制系统和核心零部件研发的投入。随着各家主机厂的重视、加大研发投入力度和新技术的应用，高速工程机械设备必将迎来高速发展。

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