一种重载装载机铲斗举升控制系统与控制方法与流程

1.本发明涉及工程机械智能控制领域，具体涉及一种重载装载机铲斗举升控制系统与控制方法。


背景技术：

2.目前，由于人们对大型重载工程机械装载机需求越来越多，越来越关心大型重载装载机的作业效率和安全性，因此大型重载装载机在特定应用工况下得到了广泛应用，主要应用于矿山开采，采砂、石料厂等工况施工中。现在市场上的重载装载机系统控制功能和普通的装载机并无区别，操作人员在操作大型装载机时，由于大型装载机的车体宽大，工作装置可装载的物料重量大，油缸粗、超载能力强等原因，驾驶人员一味追求施工作业效率，导致铲斗在装满物料后进行举升装车时，如果操作人员不能很好地控制举升速度，很容易使装载机产生翘尾现象，且巨大的惯性往往导致车辆来回晃动，稍不注意车辆后轮很容易脱离地面，由于前铲斗大于配重重量，导致翘尾或者翻车事故，造成巨大的设备和人员事故。即使操作人员操作技能较高，作业中既要观察车辆周围情况，又要操作行走、转向和工作装置，同时还要控制举升动作的举升速度等，导致操作人员的劳动强度比较大，整车的作业效率比较低。因此，对操作人员的驾驶技能提出了很高的需求，特别是在操作大型重载装载机在坡道上进行铲装作业过程中，操作人员手脚协调配合，特别关注车辆举升卸料的作业速率，很大程度上导致整车作业效率也比较低；而装载机作为往复式机械设备，因此，工作时间一长，很容易导致操作人员驾驶疲劳。所以，如何通过有效设置一种大型重载装载机铲斗举升控制系统和控制方法，来使操作人员操作方便，作业效率高，安全性好，同时达到降低操作人员劳动强度，成为了首要解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术中所存在的上述问题提供了一种重载装载机铲斗举升控制系统与控制方法，通过有效采取操作判断自动控制措施，极大地提高了整机重载工况在作业过程中的举升安全，减少了安全事故的发生，提高了工作效率，降低了劳动强度；且本发明结构简单，成本低廉。
4.本发明的目的是以如下方式实现的：本发明提出了一种重载装载机铲斗控制系统与控制方法，为了适用于不同功率段的大型装载机和不同操作人员的操作习惯，控制单元内部可预先存储多条作业物料重量与上升速率预设曲线，来满足不同吨位载重量的大型装载机和不同操作习惯人员。
5.一方面，本发明所述的重载装载机铲斗举升控制系统，其特征在于，包括控制单元及工作举升检测单元，设置在举升油缸上，其与控制单元的输入端电连接，用于检测油缸伸出或缩回的移动距离和速度；物料检测单元，设置在举升动臂处，其与控制单元的输入端电连接，用于检测举升
动臂承载的压力以反映铲斗物料的重量；倾角检测单元，设置在装载机的主车架重心附近，其与控制单元的输入端电连接，用于检测装载机的前后倾斜角度；举升电磁阀和下降电磁阀，设置在工作装置上，其与控制单元的比例量输出端电连接，用于比例调节对应举升和下降阀芯出口油量的调节面积；所述控制单元用于：接收来自于工作举升检测单元的位移信号，并基于其判断铲斗动作及速度；接收来自于物料检测单元的压力信号，并基于其判断铲斗物料重量；接收来自于倾角检测单元的倾斜角度信号，并基于其判断装载机后轮是否产生翘尾或存在倾翻隐患；及通过控制所述举升电磁阀和/或下降电磁阀来控制举升和/或下降的速度。
6.进一步的，所述工作举升检测单元为油缸位移检测传感器。
7.进一步的，所述物料检测单元为压力传感器。
8.进一步的，所述举升电磁阀和下降电磁阀为电比例电磁阀。
9.另一方面，本发明所述的重载装载机铲斗举升控制方法，其特征在于，控制器接收来自工作举升检测单元检测到的油缸伸出或缩回的移动距离信号，判断当下铲斗执行的是举升动作或下降动作及铲斗运动速度；控制器接收来自物料检测单元检测到的举升动臂承载的压力信号，判断铲斗物料的重量及是否超过预设的物料重量；控制器接收来自倾角检测单元检测到的装载机前后倾斜角度信号，判断装载机后轮是否产生翘尾或存在倾翻隐患；若铲斗执行的是举升动作、铲斗物料的重量超过预设的物料重量、装载机后轮有翘尾状态且铲斗举升速度超过设定阈值时，则控制降低举升动作后半段的速度增益，调节举升速度使其与预设举升速度保持一致；若铲斗执行的是下降动作、铲斗物料的重量超过预设的物料重量、装载机后轮有翘尾状态且铲斗下降速度超过设定阈值时，则控制调节下降速度使其与预设下降速度保持一致。
10.为了进一步提升操作人员操作效率，控制模块内部可以根据当前操作的状态在触发了工作举升检测单元、物料检测单元、倾角检测单元三者中的一者或者两者的组合，则认为此时没有翘尾倾翻隐患，控制单元还是按照操作人员的操作意图控制输出电流不变，优先执行操作人员的操作指令。当前动作都满足控制条件后，为了提高操作人员舒适性和整机安全性，控制装置根据当前倾斜角度值，检索预先存储的物料重量和上升/下降控制速度曲线，并按照预设的上升/下降速度进行输出控制，来确保接触的平稳性，降低系统惯性，使后轮始终保持与地面接触，上述控制逻辑将极大地提高了大型装载机的工作效率和作业安全性。
11.进一步的，所述控制调节举升速度通过控制举升电磁阀电流，调节举升速度，同时控制下降电磁阀电流，进行反向进油调整。
12.进一步的，所述控制调节下降速度通过控制下降电磁阀电流，调节下降速度，同时控制举升电磁阀电流，进行反向进油调整。
13.进一步的，为了不影响举升/下降作业效率，参与速度控制的举升电流/下降电流限制在举升/下降过程全程过半后开始参与介入。
14.本发明的有益效果是：本发明通过设置的与控制器相连的工作举升检测单元检测举升臂的举升动作，压力检测单元用于检测铲斗物料的重量，倾角检测单元用于检测装载机的前后倾斜角度，并判断是否产生翘尾现象，当检测到铲斗物料重量大于超载阈值时，当操作人员铲装完物料后，快速操作举升动作并进行卸料时，通过降低举升动作后半段的速度增益，控制装置向比例控制阀输出调节出口油量调节面积，使举升速度变慢，并在举升速度与设定的举升速度不同时，修正举升电流，同时通过控制下降电磁阀的电流，进行反向进油调整，使得实际上升速度与设定的上升速度保持一致，从而使得重载装载机在铲斗举升至最高位置与限位处提升接触的平稳性，降低接触加速度，使装载机后轮始终保持与地面接触，以减少后轮的翘尾和重载举高惯性导致的装载机倾翻事故的安全事故发生，同时进一步提升驾驶人员的操作安全性，提高了重载装载机的主动安全性和施工作业效率，降低了操作人员劳动强度，提高了操作舒适性，同时避免了安全事故的发生。同理也能在铲斗由高位满载静止到运动的响应性控制过程保证装载机的安全性，防止倾翻事故。
15.本发明首次将这种控制系统和控制方法应用于大型装载机产品上，填补和完善了大型装载机的控制系统，来提高操作效率、安全性，整体结构布置简单，控制方便、性能稳定，安全系数高，可广泛应用于各类大型重载装载机上。
附图说明
16.附图1是本发明一实施例控制系统的整体结构框图；附图2是本发明一实施例控制系统的控制流程框图；附图3是本发明一实施例控制系统的输出电流曲线；附图4是本发明一实施例控制系统的输出速度增益曲线。
具体实施方式
17.下面对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
18.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
19.如图1所示，本实施例的重载装载机铲斗举升控制系统包括工作举升检测单元、物料检测单元、倾角检测单元、控制单元及举升电磁阀、下降电磁阀，具体如下：工作举升检测单元设置在举升油缸上，其与控制单元的输入端通过硬线电连接，用于检测油缸伸出或缩回的移动距离和速度。本实施例中的工作举升检测单元具体采用一种油缸位移检测传感器，能精确的判断油缸伸出或缩回的移动距离，其通过本身的锁紧装置设置在举升油缸上，本实施例中数量设置为1个，当操作人员将工作手柄操作举升动作时，油缸伸出，位移增大，油缸位移检测传感器可以判断出来此时的铲斗执行的是举升动
作；同理，当操作铲斗下降动作时，油缸缩回，位移减小，油缸位移检测传感器可以判断出来此时的铲斗执行的是下降动作，同时工作举升检测单元可以检测出举升或者下降速度，即通过油缸位移检测传感器单位时间内的移动速度可以反映出操作人员举升或者下降的操作速度。
20.物料检测单元设置在举升动臂处，其与控制单元的输入端通过硬线电连接，用于检测举升动臂承载的压力以反映铲斗物料的重量。本实施例的物料检测单元具体采用一种压力传感器，当铲斗铲装不同重量的物料时，物料检测单元会感应到不同的压力，可以将不同的压力在控制单元内部进行等效换算，算出此时铲斗内部的物料重量，来判断此时的铲斗物料重量是否超过预设的数值，来决定是否启动铲斗控制系统来确保举升安全。
21.倾角检测单元，设置在装载机的主车架重心附近，其与控制单元的输入端通过硬线电连接，用于检测装载机的前后倾斜角度。
22.举升电磁阀5和下降电磁阀6是连接在工作装置上的一种电比例电磁阀，其与控制单元的比例量输出端通过硬线电连接，用于比例调节对应举升和下降阀芯出口油量的调节面积，从而精准控制举升和下降的速度。
23.所述控制单元用于：接收来自于工作举升检测单元的位移信号，并基于其判断铲斗动作及速度；接收来自于物料检测单元的压力信号，并基于其判断铲斗物料重量；接收来自于倾角检测单元的倾斜角度信号，并基于其判断装载机后轮是否产生翘尾或存在倾翻隐患；及通过控制所述举升电磁阀和下降电磁阀来控制举升和下降的速度。
24.本实施例重载装载机铲斗举升控制方法如下：控制器的输入端：接收来自工作举升检测单元检测到的油缸伸出或缩回的移动距离信号，判断当下铲斗执行的是举升动作或下降动作及铲斗运动速度；接收来自物料检测单元检测到的举升动臂承载的压力信号，判断铲斗物料的重量及是否超过预设的物料重量；接收来自倾角检测单元检测到的装载机前后倾斜角度信号，判断装载机后轮是否产生翘尾或存在倾翻隐患。
25.当开启本发明重载装载机铲斗控制系统后，控制单元初始化后，输入端检测到铲斗执行的是举升动作、铲斗物料的重量超过预设的物料重量，且装载机后轮有翘尾状态，同时工作举升检测单元检测的铲斗举升速度超过设定阈值后，控制器根据检测状态发送举升电磁阀控制指令按照预先存储的预设举升曲线调整至设定举升速度，举升下降曲线的斜率根据作业物料重量与举升速率预先存储在控制单元的存储器当中。
26.控制单元通过比例量输出端口发送控制举升电磁阀按照预设的曲线控制后半段举升控制电流来限制并降低举升动作，为使举升速度与设定的举升速度保持一致，控制单元同步控制下降电磁阀控制电流来进行反向进油调整，以确保当前状态下的举升速度与设定的举升速度保持一致，且当前举升动作处于不翘尾不倾翻状态使得最大举升速度，从而使得重载装载机在铲斗举升至最高位置与限位处提升接触的平稳性，降低接触加速度，使装载机后轮始终保持与地面接触，以减少后轮的翘尾和重载举高惯性导致的装载机倾翻事故的安全事故发生，同时进一步提升驾驶人员的操作安全性，提高了重载装载机的主动安
全性和施工作业效率，降低了操作人员劳动强度，提高了操作舒适性，同时避免了安全事故的发生。
27.进一步的，为了不影响举升作业效率，参与速度控制的举升电流限制在举升过程全程过半后开始参与介入，这样既保证了作业效率，又可以通过控制输出电流来确保举升动作过快而造成翘尾或者倾翻事故，兼顾了作业效率与作业安全性。
28.另外，在倾角传感器检测到的装载机在不同坡道上进行举升作业时，物料重量和配重的平衡比例与设备倾斜角度的不同呈现的比例不同，最终控制的举升速率也会不同，例如检测到车辆向前倾斜低于水平面一定角度后，此时的举升速度设定曲线比在水平地面时同样重量的物料时的举升速度更慢。同理，检测到车辆向前倾斜角度高于水平面一定角度后，此时的举升速度设定曲线比在水平地面时同样重量的物料时的举升速度更快。
29.现举例说明本实施例，以一台7吨重载装载及为例说明，7吨装载机配装5方斗容，额定装载物料密度1.4，满斗作业时，一铲斗可装载7吨的物料，结合装载机3.5米轴距，理论上在车辆举升状态下是不会产生翘尾和倾翻的，但是当在重载工况下，设备铲装的物料密度提升至1.8，此时装满一铲斗的满载物料达到9吨，此时装载机处于重载和超载工况，在物料装载和举升过程中，举升速度稍微一快，很容易引起翘尾，如果保持举升速度不变，当铲斗运动到最大举升高度时，与举升限位挡块接触的瞬间，将会由于巨大的惯性，使装载机翘尾，即后轮胎脱离地面，此时操作不当很容易导致装载机尾部翘起而产生倾翻事故，造成人员和设备事故。
30.当开启本发明重载装载机铲斗控制系统后，控制系统完成系统初始化，对各输出端口进行周期性往复扫描检测，当输入端口检测到工作举升检测装置1处于举升状态时、同时检测到物料检测装置2采集的物料重量为9吨，超过预先设定的物料重量，且检测装置4检测到倾角检测装置3检测到后轮有翘尾状态，三者同时满足条件后，控制单元对工作举升检测装置检测的铲斗上升速度进行判断，当前举升油缸的速度为10cm/s，当水平地面时，倾角检测的数据为0度，此时举升速度在额定7吨状态下，举升油缸的速度阈值设定为10cm/s，举升速度在额定8吨状态下，举升油缸的速度阈值设定为7cm/s，举升速度在额定9吨状态下，举升油缸的速度阈值设定为4cm/s，当举升速度超过了设定阈值后，控制单元启动铲斗控制系统控制程序，根据当前倾角状态值0度，检索储存在控制装置当前倾角状态下的物料重量9吨与举升速度4cm/s的最佳匹配数值，为了不影响举升作业效率，参与速度控制的举升电流限制在举升过程全程过半后开始参与介入，这样既保证了作业效率，又可以通过控制输出电流来确保举升动作过快而造成翘尾或者倾翻事故，兼顾了作业效率与作业安全性。
31.通过比例量输出端口发送控制举升电磁阀按照预设的曲线控制后半段举升控制电流来限制并降低举升动作，如附图3所示，假如前半段的正常电流输出为400ma，一般通过减少输出举升电流至250ma，并延长举升控制时间，例如，原来从水平位置装载完物料，至举升至最高限位处需要6s，现在通过将原来的后半段3s扩展到5s，总的动作时间，由6s延长至8s，来使举升速度得到精准控制在预设速度范围内，为使上升速度与设定的上升速度保持一致，控制单元同步控制反方向的下降电磁阀控制电流来进行反向进油调整，例如，原反方向电磁阀电流为0 ，现在通过举升电磁阀由400减少输出至250ma，同时反方向电流由0增加到150ma，以确保当前状态下的举升速度与设定的举升速度保持一致，如附图4所示，通过调节后半段举升速度在5s内有当前的4cm/s的速度降至0，进一步的为了限制举升速度增益，
降低举升临界点的加速度，进一步的，通过进行方向进油调整，来使铲斗举升到最高点的极限位置与限位挡块接触的瞬间，加速度和速度降低为零，最大程度的降低了接触的惯性，且当前举升速度为处于当前状态下不翘尾不倾翻状态下的最大举升速度，从而使得重载装载机在铲斗举升至最高位置与限位处提升接触的平稳性，降低接触加速度，使装载机后轮始终保持与地面接触，减少了后轮的翘尾和重载举高惯性导致的装载机倾翻事故的安全事故发生，同时进一步提升驾驶人员的操作安全性，提高了重载装载机的主动安全性和施工作业效率，降低了操作人员劳动强度，提高了操作舒适性，同时避免了安全事故的发生。
32.上述实施例仅为本发明的一较佳实施例，并非对本发明保护范围的限定。本发明并不仅限于该实施例，对于系统由静止到运动的响应性控制装置，本发明的控制系统和控制方法同样适用，见下述第二实施例。
33.在本发明的第二实施例中，当开启本发明重载装载机铲斗控制系统后，控制单元初始化后，输入端检测到铲斗执行的是下降动作、铲斗物料的重量超过预设的物料重量，且装载机后轮有翘尾状态，同时工作举升检测单元检测的铲斗下降速度超过设定阈值后，控制器根据检测状态发送下降电磁阀控制指令按照预先存储的预设下降曲线调整至设定下降速度。
34.具体地，同样以上述某7吨重载装载机为例说明，系统工作装置铲斗由高位满载静止到运动的响应性控制装置，即就是当该重载装载机举高铲装物料后，在铲斗运动至低位进行物料卸载时，此时操作不当也很容易导致装载机尾部翘起而产生倾翻事故，或对设备车架造成撕裂变形，造成人员和设备不可挽回的损失。
35.当开启本发明重载装载机铲斗控制系统后，控制系统完成系统初始化，对各输出端口进行周期性往复扫描检测，当输入端口检测到工作举升检测单元处于由高位静止状态转变为下降状态时，同时检测到物料检测单元采集的物料重量为9吨，超过预先设定的物料重量，且倾角检测单元检测到后轮有翘尾状态，三者同时满足条件后，控制单元检测到的铲斗下降速度进行判断，当前举升油缸的下降速度为10cm/s，当水平地面时，倾角检测的数据为0度，此时铲斗下降速度在额定7吨状态下，举升油缸的下降速度阈值设定为10cm/s，下降速度在额定8吨状态下，举升油缸的下降速度阈值设定为7cm/s，下降速度在额定9吨状态下，举升油缸的速度阈值设定为4cm/s，当举升物料重量满足设定重量的情况下，下降速度超过了设定阈值后，控制单元启动铲斗控制系统控制程序，根据当前倾角状态值0度，检索储存在控制系统当前倾角状态下的物料重量9吨与下降速度4cm/s的最佳匹配数值，为了不影响下降作业效率，参与速度控制的下降电流限制在下降过程全程过半后开始参与介入，这样既保证了作业效率，又可以通过控制输出电流来确保避免因为下降动作过快而造成翘尾或者倾翻事故，兼顾了作业效率与作业安全性。
36.通过比例量输出端口发送控制下降电磁阀按照预设的曲线控制后半段下降控制电流来限制并降低铲斗满载时的下降动作，如附图3所示，假如前半段的正常电流输出为400ma，一般通过减少输出下降电流至250ma，并延长满载铲斗下降控制时间，例如，原来铲斗从高位位置装载完物料，下降至水平限位处需要6s，现在通过将原来的后半段3s扩展到5s，总的动作时间，由6s延长至8s，来使满载铲斗下降速度得到精准控制在预设速度范围内，为使下降速度与设定的下降速度保持一致，控制单元同步控制反方向的举升电磁阀控制电流来进行反向进油调整，例如，原反方向电磁阀电流为0，现在通过下降电磁阀由400减
少输出至250ma，同时反方向铲斗举升电磁阀电流由0增加到150ma，以确保当前状态下的下降速度与设定的下降速度保持一致，如附图4所示，通过调节后半段下降速度在5s内由当前的4cm/s的速度降至0，进一步的为了限制满载铲斗下降速度增益，降低下降临界点的加速度，进一步的，通过进行反方向进油调整，来使铲斗下降到最低点的极限位置与限位挡块接触的瞬间，加速度和速度降低为零，最大程度的降低了接触的惯性，且当前下降速度为处于当前状态下不翘尾不倾翻状态下的最大下降速度，从而使得重载装载机在铲斗下降至最低位置与限位处下降接触的平稳性，降低接触加速度，使装载机后轮始终保持与地面接触，减少了后轮的翘尾和重载举高惯性导致的装载机倾翻事故的安全事故发生，同时进一步提升驾驶人员的操作安全性，提高了重载装载机的主动安全性和施工作业效率，降低了操作人员劳动强度，提高了操作舒适性，同时避免了安全事故的发生。