李偉濤1 郭騰偉2

LI Wei-tao et al

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1 前言

高位垃圾車的壓縮機構(gòu)進行作業(yè)時,是一種自動循環(huán)作業(yè)的模式。每個動作與下一個動作的銜接和順序切換時，采用將作業(yè)過程中上一動作液壓油缸的壓力作為切換下一動作的信號，輸入PLC后，PLC按壓力信號的有效性和條件符合性進行判斷與運算，并發(fā)出下一動作的執(zhí)行指令，實現(xiàn)每個動作的自動循環(huán)作業(yè)，這就是機構(gòu)基于壓力換向的高位垃圾車控制原理。

本文將從液壓油缸的壓力信號捕捉方法上進行分析和研究，使壓力信號捕捉邏輯更加完善和優(yōu)化，減少液壓系統(tǒng)的高壓溢流時間，達到降低油溫的目的，提高車輛的可靠性及作業(yè)效率、使用壽命等關(guān)鍵性能指標，提升高位垃圾車的技術(shù)水平。

2 高位垃圾車結(jié)構(gòu)組成及高油溫的危害

2.1 高位垃圾車結(jié)構(gòu)組成

高位垃圾車是在二類底盤上配置專用裝置，用于收集轉(zhuǎn)運生活垃圾的環(huán)衛(wèi)用車，專用裝置主要由進料壓縮機構(gòu)（翻轉(zhuǎn)架、刮板、滑板）和卸料機構(gòu)（插銷、后門、推鏟）組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 高位垃圾車結(jié)構(gòu)組成圖

其中，垃圾的壓縮機構(gòu)為刮板和滑板，其工作模式為自動循環(huán)作業(yè)，動作順序為：原位-刮板張開-滑板伸出-刮板刮合-滑板壓縮-原位。每個機構(gòu)的動作均由液壓系統(tǒng)控制油缸，液壓油缸驅(qū)動對應機構(gòu)實現(xiàn)。

壓縮機構(gòu)是高位垃圾車作業(yè)頻次最高的循環(huán)作業(yè)機構(gòu),其作業(yè)過程中，液壓系統(tǒng)將產(chǎn)生大部份熱量，促使液壓油溫隨作業(yè)過程而升高。壓縮機構(gòu)循環(huán)作業(yè)過程是油溫升高的主要來源和因素，高位垃圾車降低油溫的關(guān)鍵在于壓縮機構(gòu)循環(huán)作業(yè)過程中，如何對壓力信號進行捕捉，才能使無效做功最少，則產(chǎn)生熱量就少，油溫就會下降至理想水平。

2.2 高油溫的危害

液壓系統(tǒng)高油溫的危害非常大，據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計，液壓系統(tǒng)60%～70%的失效和故障是由于高油溫引起的。高油溫會降低液壓系統(tǒng)的效率、可靠性和使用壽命，如何降低油溫、使系統(tǒng)在最合適的油溫下工作是衡量液壓系統(tǒng)優(yōu)劣和水平高低的重要標志。高油溫的危害如下：

a. 油溫過高使運動部位油膜遭到破壞，摩擦阻力增加，磨損加劇，降低了液壓系統(tǒng)的效率；

b. 油溫過高使液壓油黏度顯著降低，泄漏增加，造成滲漏油，污染環(huán)境的同時造成系統(tǒng)的故障，降低了系統(tǒng)的可靠性；

c. 油溫過高使油液氧化加劇，油液壽命降低，使油液形成膠狀物質(zhì)，堵塞各種控制小孔，導致系統(tǒng)失效；

d. 油溫過高會造成液壓系統(tǒng)的控制閥芯高溫膨脹，增加閥芯卡死的幾率；

e. 油溫過高加速橡膠密封件、軟管老化，變質(zhì)，降低了系統(tǒng)的使用壽命。

3 機構(gòu)基于壓力換向的降低油溫方法及技術(shù)優(yōu)勢

3.1 液壓控制系統(tǒng)及壓力換向的原理

壓縮機構(gòu)液壓原理如圖2所示，刮板油缸驅(qū)動刮板，滑板油缸驅(qū)動滑板，DT1（+）刮板張開，DT3（+）滑板伸出，DT2（+）刮板刮合，DT4（+）滑板壓縮。電磁鐵通電順序為DT1（+）-DT3（+）-DT2（+）-DT4（+）,其動作相應順序為刮板張開-滑板伸出-刮板刮合-滑板壓縮，形成了壓縮機構(gòu)壓縮垃圾的工作循環(huán)。

圖2 壓縮機構(gòu)液壓原理圖

設(shè)液壓系統(tǒng)主進油壓力為P，流量為Q；進油口處設(shè)置有主溢流閥，壓力調(diào)定為系統(tǒng)壓力P1，高壓溢流時流量為Q1;進油口處還設(shè)置有壓力繼電器,設(shè)定壓力為Pi;進入液壓油缸工作流量為Q2，Q=Q1+Q2，當無高壓溢流時，Q1=0，Q=Q2，全部流量進入油缸工作，當有高壓溢流時，Q2通過溢流閥溢流，系統(tǒng)產(chǎn)生了無用做功，這將全部產(chǎn)生熱量，熱量W=P1×Q1×T，高壓溢流流量Q1越大，時間T越長，無用做功越多，發(fā)熱越多，油溫越高。

壓縮機構(gòu)作業(yè)時，采用的是一種自動循環(huán)作業(yè)的模式。每個油缸對機構(gòu)進行驅(qū)動時，液壓系統(tǒng)壓力P隨作業(yè)過程發(fā)生變化。每個動作與下一動作的銜接和順序切換時，采用將作業(yè)過程中的液壓系統(tǒng)壓力P作為切換下一動作的信號，實時捕捉壓力信號P，動態(tài)實時輸入可編程控制器PLC后，PLC將按壓力信號P的有效性和條件符合性進行判斷與運算，并發(fā)出下一動作的執(zhí)行指令，以實現(xiàn)每個動作的自動循環(huán)作業(yè)。

3.2 傳統(tǒng)“捕捉壓力信號”方法的短板

傳統(tǒng)捕捉壓力信號方法，是一種“全程壓力維持”法，其傳統(tǒng)方法的動作與壓力工作曲線圖如圖3所示，T1是刮板張開動作的結(jié)束時刻，T2是滑板伸出的結(jié)束時刻，T3是刮板刮合動作的結(jié)束時刻，T4是滑板壓縮動作的結(jié)束時刻。

圖3 傳統(tǒng)方法壓力曲線圖

從液壓控制系統(tǒng)和壓力換向的原理可以看出，壓縮機構(gòu)作業(yè)過程中，壓力P隨作業(yè)過程不斷發(fā)生變化，每一個機構(gòu)動作前開始啟動階段，機構(gòu)有一個由靜到動的狀態(tài)變化，反饋到壓力P上就會有一個壓力沖擊波，其壓力沖擊波時長一般小于0.3 s。

每個動作的后階段，即壓力P達到壓力繼電器壓力Pi后，由于執(zhí)行動作不同、垃圾量及成份不同，壓力P繼續(xù)上升達到溢流閥壓力P1時長不盡相同，最長的時長將達到0.6 s。

為了保證壓縮機構(gòu)循環(huán)作業(yè)的實現(xiàn)和壓縮效果，必須充分考慮動作的前階段和后階段，即前階段0.3 s壓力沖擊波及后階段最高壓力P1到達時長0.6 s，“全程壓力維持”法采用了每個動作均全行程監(jiān)控壓力P，只要壓力P＞Pi維持0.6 s，就會作為有效信號，判斷該動作已完成，并激活下一動作的執(zhí)行，以此類推,實現(xiàn)壓縮機構(gòu)的全循環(huán)作業(yè)。

從壓力工作曲線圖3可看出，該“全程壓力維持”的信號捕捉方法，有如下技術(shù)短板：

a. 無法動態(tài)識別因執(zhí)行動作不同、垃圾量及成份不同等因素導致的影響，不能動態(tài)調(diào)整壓力維持時長0.6 s；

b. 一些動作和工況，會不斷出現(xiàn)高壓溢流，且時長可達0.6 s，如刮板張開后階段, 熱量W=P1×Q1×T，高壓溢流時間越長，無用做功越多，發(fā)熱越多，油溫越高；

c. 壓力維持時長0.6 s不可改變，作業(yè)循環(huán)時間長，作業(yè)效率較低。

3.3 創(chuàng)新“捕捉壓力信號”方法的分析

從傳統(tǒng)的方法分析可以看出，其產(chǎn)生高壓溢流時間長，是系統(tǒng)產(chǎn)生熱量導致油溫升高的根本原因，解決問題的關(guān)鍵在于減少高壓溢流時間，同時又能保證壓力信號的有效性，實現(xiàn)壓縮機構(gòu)的作業(yè)循環(huán)。

“前壓力屏蔽”與“后壓力上升率”相結(jié)合的信號捕捉方法，是一種創(chuàng)新的技術(shù)方法，其對應的壓力工作曲線如圖4所示，T1是刮板張開動作的結(jié)束時刻，T2是滑板伸出的結(jié)束時刻，T3是刮板刮合動作的結(jié)束時刻，T4是滑板壓縮動作的結(jié)束時刻。

圖4 創(chuàng)新方法壓力曲線圖

如圖4工作曲線圖所示，T1、T2、T3、T4(0)是每個動作的結(jié)束時刻，也是下一動作的開始啟動時刻。每一個機構(gòu)動作前開始啟動階段，機構(gòu)有一個由靜到動的狀態(tài)變化，反饋到壓力P上就會有一個壓力沖擊波，其壓力沖擊波時長一般小于0.3 s。壓力沖擊波產(chǎn)生的壓力信號P是動作換向的干擾信號，在各個動作前啟動時刻的前0.3 s(T+0.3),采用屏蔽壓力信號P的方法,即在前啟動階段,系統(tǒng)不采集壓力P的信號,以避免此時干擾信號對動作換向的影響，保證動作換向的順利實現(xiàn)，這種是一種“前壓力屏蔽”方法。

機構(gòu)動作經(jīng)過前啟動階段后，系統(tǒng)恢復監(jiān)控壓力信號P的變化，機構(gòu)作業(yè)并由空載開始向壓縮垃圾和加載方向轉(zhuǎn)變，壓力P開始上升，當壓力P上升到壓力繼電器設(shè)定壓力Pi時，系統(tǒng)通過可編程控制器PLC確認此時機構(gòu)開始重載作業(yè)，此時刻為機構(gòu)重載作業(yè)G點，G1、G2、G3、G4分別是刮板張開、滑板伸出、刮板刮合、滑板壓縮等4個動作的重載點。

機構(gòu)作業(yè)開始重載作業(yè)G點后，由于執(zhí)行動作不同、垃圾量及成份不同，壓力P繼續(xù)上升達到溢流閥壓力P1時長不盡相同，此時摒棄傳統(tǒng)的壓力維持法，避免高壓溢流，采用一種“后壓力上升率”的方法。

壓力上升率K=△P/S，即在規(guī)定時間內(nèi)的壓力上升值。一般機構(gòu)壓力上升率K=3即可，也就是說，在0.1 s內(nèi)上升0.3 MPa。如果K≥3,說明壓力在0.1 s內(nèi)上升超過0.3 MPa,油缸還在繼續(xù)重載作業(yè)，液壓系統(tǒng)沒有高壓溢流，沒有發(fā)熱；如果K＜3,說明壓力在0.1 s內(nèi)上升小于0.3 MPa,壓力已上升到高壓溢流壓力P1，油缸停止重載作業(yè)，此時機構(gòu)已停止動作，如果沒有切換到下一動作，將進行高壓溢流，產(chǎn)生熱量。

機構(gòu)作業(yè)開始重載作業(yè)G點后，系統(tǒng)開始監(jiān)控壓力上升率K值，如果K值大于或等于3，此時機構(gòu)對應油缸將繼續(xù)動作，實施重載作業(yè)，保證最佳壓縮效果；如果K值小于3，此時機構(gòu)對應油缸動作已停止，壓力P已上升到高壓溢流壓力P1，此時系統(tǒng)自動切換到下一動作作業(yè)，避免高壓溢流。由于系統(tǒng)檢測響應精度的限制，此時高壓溢流時間是系統(tǒng)檢測響應時間0.1 s，遠低于傳統(tǒng)方法中高壓溢流時長0.6 s，大大減少了高壓溢流時間，減少了發(fā)熱量，液壓油溫將大大降低。

圖5 創(chuàng)新方法控制策略流程圖

“前壓力屏蔽”與“后壓力上升率”相結(jié)合的信號捕捉方法，是一種創(chuàng)新的技術(shù)方法,保證了壓力信號P的有效性，在實現(xiàn)壓縮機構(gòu)的作業(yè)循環(huán)的基礎(chǔ)上，減少高壓溢流時間，降低了液壓油溫。

3.4 新技術(shù)的控制策略

通過新技術(shù)方法的技術(shù)分析可以得知，新技術(shù)有效地減少了各動作作業(yè)時的高壓溢流時間，減少了發(fā)熱，降低了油溫，圖5為創(chuàng)新方法的控制策略流程圖。

新技術(shù)方法由壓縮機構(gòu)（刮滑板）循環(huán)開關(guān)觸發(fā)作業(yè)，1刮板張開-2滑板伸出-3刮板刮合-4滑板壓縮，形成了壓縮機構(gòu)完整的作業(yè)循環(huán)。每個動作中均采用了“前壓力屏蔽”與“后壓力上升率”相結(jié)合的信號捕捉方法，實時捕捉壓力信號P，動態(tài)實時輸入可編程控制器PLC后，PLC按圖5所示的控制策略程對壓力信號P的有效性和條件符合性進行判斷與運算，實現(xiàn)了每個動作與下一動作的銜接和順序切換，保證了完整的作業(yè)循環(huán)功能,并減少了高壓溢流時間，即減少了系統(tǒng)的無用做功，降低了油溫。

3.5 新技術(shù)的優(yōu)勢和效果

“前壓力屏蔽”與“后壓力上升率”相結(jié)合的信號捕捉方法相比傳統(tǒng)的技術(shù)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和效果：

a.通過控制策略和信號捕捉方法的創(chuàng)新，解決了高位垃圾車油溫高的難題，沒有增加硬件設(shè)施，不增加成本，是解決技術(shù)難題的最佳途徑；

b.新技術(shù)通過改變捕捉信號的方法，減少了高壓溢流時間，減少了發(fā)熱和無用做功，降低了油溫，提高了液壓系統(tǒng)效率和可靠性，延長了液壓系統(tǒng)的使用壽命。

c.新技術(shù)減少了高壓溢流時間，每個循環(huán)時間縮短2s[（0.6-0.1）×4=2]，提高了作業(yè)循環(huán)的節(jié)拍，提高了高位垃圾車的作業(yè)效率。

4 試驗驗證

“全程壓力維持”方法是傳統(tǒng)的技術(shù)，而“前壓力屏蔽”與“后壓力上升率”相結(jié)合的信號捕捉方法是一種創(chuàng)新的技術(shù)。為了驗證新技術(shù)的可行性及新技術(shù)的實際應用效果，筆者采用2臺總質(zhì)量為18 t的高位垃圾車作為試驗樣車，在同一地點同一時間同時進行裝載作業(yè)試驗，以排除環(huán)境溫度及不同工況對油溫的影響。運用傳統(tǒng)技術(shù)的試驗車為1號車，運用創(chuàng)新“捕捉壓力信號”技術(shù)的試驗車為2號車。

2臺試驗樣車進行時長4天，每天上午和下午各裝載1車垃圾，試驗樣車裝載作業(yè)如圖6所示。

圖6 試驗樣車裝載作業(yè)

其試驗檢測油溫的數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

從表1可以看出，1號車（傳統(tǒng)技術(shù)）在裝載完一車垃圾車后的溫升基本在38℃左右，而且2號車（新技術(shù)）在裝載完一車垃圾后的溫升基本在25℃，溫升下降率約為34%，說明新技術(shù)應用后的高位垃圾車工作時液壓油溫得到了較大程度的降低，進一步驗證了創(chuàng)新“捕捉壓力信號”技術(shù)的可行性，可達到理想的技術(shù)應用效果。

表1 油溫的數(shù)據(jù)記錄表

5 結(jié)語

高位垃圾車通過“捕捉壓力信號”的技術(shù)，使液壓油的溫升得到了有效的控制，保證了液壓系統(tǒng)在合適的油溫下運行，提高了液壓系統(tǒng)效率和可靠性，延長了液壓系統(tǒng)的使用壽命，提升了高位垃圾車的技術(shù)水平。

a. 對油缸動作的前啟動階段，采用“前壓力屏蔽”法，有效地避免了動作由靜到動的壓力沖擊帶來無效信號的影響；

b. 對油缸動作的后運行階段，在達到壓力繼電器設(shè)定壓力Pi后，運用“后壓力上升率”的信號捕捉方法，可非常敏銳地采集到油缸動作的終點信號；

c. “前壓力屏蔽”與“后壓力上升率”相結(jié)合的信號捕捉方法，保證液壓系統(tǒng)的高壓溢流時間僅為傳統(tǒng)“全程壓力維持”方法的1/6，顯著降低了液壓油溫；

d. 作業(yè)循環(huán)內(nèi)減少了高壓溢流的時間，即減少了壓縮機構(gòu)(刮滑板機構(gòu))作業(yè)循環(huán)的時間，提高了高位垃圾車的作業(yè)效率。