本发明涉及工程机械，具体涉及一种具有流量保持功能的挖掘机机具安全控制系统及其工作方法。
背景技术：
1、在现代工程机械的广泛应用中，多功能机具(如可旋转倾斜铲斗、液压手腕)已成为提高挖掘机作业效率的重要工具。为了简化操作，通常为机具配备流量保持技术；具体来说，操作人员可以通过以下步骤来控制机具的运动：首先，通过手柄上的滑键激活机具的回转动作；接着，按下流量保持按钮，锁定液压系统的流量，以便在操作人员松开滑键后，机具仍能保持持续运动。
2、这种流量保持技术在实际应用中虽然提高了操作的便捷性和效率，但也带来了一些安全隐患。首先，当机具在运行过程中发生机械卡阻时，液压系统内的压力会持续升高，而现有的系统往往缺乏有效的自动保护机制来应对这种情况。其次，液压系统的高压软管有可能因各种原因突发性破裂，导致机具失控，进而引发严重的安全事故；最后，机具的非预期运动可能会导致设备之间的碰撞或对操作人员造成伤害。
3、目前，挖掘机的机具自动控制系统的安全保护措施主要是安装溢流阀作为过载保护装置，由于溢流阀仅在压力超标时才泄压，无法在机械卡阻或管路泄漏初期提供有效保护，渐进性卡阻时，压力渐增，溢流阀无法及时反应，常导致设备损坏；对于微小管路泄漏，溢流阀也无法早期预警，可能引发严重故障；而且，现有技术中卡阻和泄漏的检测主要依赖人工判断，无法实现自动、及时的防护。由此可见，仅依靠溢流阀的保护方案已无法满足现代工程机械对液压系统安全性能的要求。
技术实现思路
1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种具有流量保持功能的挖掘机机具安全控制系统及其工作方法，主要针对具有流量保持功能且仅配置进油路与回油路压力传感器的液压系统，安全控制系统通过提取进回油路压力信号的四维特征参数(压力差δp、压力变化率rp、压力波动度fd、压力平衡系数bc)，利用安全控制器进行分析处理，结合三级响应策略(1级预警、2级限流、3级急停)，实现对机械卡阻、管路破裂及运动失控三类主要风险的智能化识别与防护，有效提升了工程机械液压系统的安全性。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有流量保持功能的挖掘机机具安全控制系统，包括：
3、压力传感器，用于实时监测挖掘机多功能机具液压安全控制系统进油路和回油路的压力情况，与安全控制单元的输入端连接；
4、安全控制单元，该安全控制器能够同时处理多个任务，确保安全控制系统在复杂的工作环境下仍能快速响应，能够对压力传感器采集到的压力数据进行实时分析和处理，并根据分析结果及时发出相应的控制指令
5、执行机构，负责根据安全控制器发出的指令进行相应的动作，以实现对液压安全控制系统的安全控制，主要包括：高频比例阀、常闭式液压锁止阀和声光报警装置，高频比例阀、常闭式液压锁止阀和声光报警装置与安全控制单元的输出端连接，高频比例阀、常闭式液压锁止阀设置在液压安全控制系统的油路上，其中，常闭式液压锁止阀用于切断液压安全控制系统的油路，高频比例阀用于调节液压安全控制系统油路的流量，声光报警装置设置在挖掘机驾驶室内，用于报警，提醒操作人员及时注意并处理异常情况。
6、进一步的，所述声光报警装置安装在挖掘机驾驶室内的显眼位置，由警示灯和蜂鸣器组成。
7、进一步的，当安全控制系统检测到异常时，根据不同的风险等级和类型，安全控制器会向声光报警装置发送相应的控制信号，触发黄色警示灯闪烁和蜂鸣器间歇报警(1级预警)、红灯慢闪和蜂鸣器持续报警(2级限流)、红灯长鸣和蜂鸣器高频报警(3级急停)不同模式的声光信号，提醒操作人员及时注意并处理异常情况。
8、进一步的，高频比例阀的频响需达到50hz以上，使其能快速响应安全控制器的指令。
9、进一步的，常闭式液压锁止阀的动作时间不超过80ms，能够在极短的时间内切断液压安全控制系统的油路。
10、一种具有流量保持功能的挖掘机机具安全控制系统的工作方法，所述工作方法包括：
11、四类特征参数：构建了一种多维度压力特征分析模型，基于挖掘机多功能机具液压安全控制系统进油路和回油路压力信号，通过数学建模和算法设计，提取出四类特征参数；
12、风险识别：通过对多维度压力特征分析模型提取出的四类特征参数实时监测和分析，结合预设的判定规则，能够快速、准确地识别出机械卡阻、管路破裂和运动失控这三类主要风险，其中，针对这三类主要风险识别类型包括：机械卡阻的识别、管路破裂的识别、运动失控的识别；
13、三级响应策略：为了应对不同类型和不同程度的风险，设计了三级响应策略，三级响应策略分别为：1级预警、2级限流、3级急停，通过设置不同级别的安全响应措施，能够在风险发生的第一时间采取相应的动作，最大程度地降低风险带来的危害，同时避免过度反应对设备正常运行造成不必要的干扰。
14、进一步的，还包括：失效安全设计：为了防止因部件故障导致设备失控，通过配置失效安全设计，确保设备在故障时自动进入安全状态，有效保障人员和设备的安全；当安全控制系统检测到压力传感器、安全控制器或电源出现故障时，会立即激活相应的失效安全机制；
15、失效安全机制：当压力传感器失效时，安全控制系统会切换至保守模式，放宽阈值以避免误报；当安全控制器故障时，通过硬线触发液压锁止阀；当电源中断时，液压锁止阀自动激活，确保设备处于安全状态。
16、进一步的，所述四类特征参数：
17、(1)压力差(δp)：压力差是指进回油路压力差值，其计算公式为：δp＝pin-pout；其中，pin表示进油路压力，pout表示回油路压力，该参数能够直接反映负载的大小；在正常工作状态下，压力差保持在一定的范围内；当负载增加时，压力差会相应增大；反之，当负载减小时，压力差则会减小；通过监测压力差的变化，实时了解液压系统所承受的负载情况，为后续的风险识别提供基础信息；
18、(2)压力变化率(rp)：压力变化率是指压力差变化的速度，其计算公式为：rp＝(δpt-δpt-1)/δt；其中，δpt表示当前时刻的压力差，δpt-1表示前一时刻的压力差，δt表示时间间隔，该参数反映了液压系统压力变化的动态特性；在正常工作过程中，压力变化率相对平稳；但如果系统出现异常情况，如机械卡阻或管路破裂，压力差会在短时间内发生急剧变化，导致压力变化率迅速增大，通过监测压力变化率，能及时捕捉到压力的突变情况，从而快速识别出潜在的安全风险；
19、(3)压力波动度(fd)：压力波动度用于描述压力波动的幅度，其计算公式为：fd
20、＝max(pin)-min(pin)在10s的时间窗口内进行计算，该参数能够检测系统的稳定性；在一个稳定运行的液压系统中，进油路压力的波动幅度较小，压力波动度较低；而当系统出现泄漏、振动等问题时，压力波动幅度会明显增大，压力波动度也随之升高。通过分析压力波动度，能有效评估液压系统的稳定性和可靠性；
21、(4)压力平衡系数(bc)：压力平衡系数是指进回油压力的比值，其计算公式为：bc
22、＝|pin pout|该参数反映了能量在液压系统中的传递效率；在理想状态下，液压系统的进油路和回油路压力之间存在一定的平衡关系，压力平衡系数保持在一个相对稳定的范围内，当系统出现能量传递异常情况，进回油压力的平衡关系会被打破，压力平衡系数会发生显著变化；通过监测压力平衡系数，能及时发现液压系统能量传递过程中存在的问题，为预防运动失控等风险提供依据。
23、进一步的，针对三类主要风险识别具体包括：
24、机械卡阻的识别：当安全控制系统检测到压力变化率(rp)超过预设的阈值，同时压力差(δp)也超过正常范围，并且这种状态持续一定时间时，安全控制系统会判定发生了机械卡阻；
25、管路破裂的识别：对于管路破裂的判定，安全控制系统主要依据压力波动度(fd)和压力平衡系数(bc)的变化；当压力波动度突然增大，超出正常范围，并且压力平衡系数出现异常变化时，安全控制系统会判定发生了管路破裂；
26、运动失控的识别：安全控制系统判定运动失控的条件是压力平衡系数(bc)偏离正常范围，并且压力差(δp)出现异常波动；通过对这两个特征参数的综合分析，能够有效地识别出液压安全控制系统的失控状态，及时发出警报并采取措施。
27、进一步的，所述三级响应策略具体包括：
28、1级预警：当安全控制系统检测到单项参数出现异常时，会触发1级预警；此时，安全控制系统会通过黄色警示灯闪烁和蜂鸣器间歇报警的方式，向操作人员发出警告信号，提醒操作人员注意安全控制系统的异常状态，并及时进行检查和处理；
29、2级限流：当安全控制系统确认发生了卡阻或泄漏情况时，会进入2级限流响应；安全控制系统会自动调节比例阀的开度，降低液压安全控制系统的流量输出，以减轻安全控制系统的负载压力，防止安全控制系统因过载而损坏；同时，驾驶室内的警示灯会以一定的频率闪烁，提示操作人员采取进一步的措施；
30、3级急停：当安全控制系统检测到运动失控或管路突发破裂等严重风险时，会立即启动3级急停响应；安全控制系统会迅速切断比例阀的电源，激活液压锁止阀，将液压安全控制系统锁定，防止设备继续运动造成更大的危害；同时，触发声光报警装置，警示操作人员和周围人员注意安全，并进行紧急撤离。
31、本发明的有益效果是：
32、(1)本发明通过多维度压力特征分析模型，从进油路和回油路两个压力信号中提取四维特征参数，即压力差(δp)、压力变化率(rp)、压力波动度(fd)和压力平衡系数(bc)；这些参数分别从负载大小、压力变化速度、系统稳定性和能量传递效率等不同角度反映液压系统状态，实现对机械卡阻、管路破裂及运动失控三类主要风险的全面识别；
33、(2)本发明通过设计了三级响应策略，根据风险的类型和严重程度采取相应的措施，1级预警通过声光信号提醒操作人员注意异常；2级限流在确认卡阻或泄漏时降低液压流量，减轻系统负载；3级急停在检测到运动失控或管路破裂等严重风险时迅速锁定液压系统，防止事故发生，有效保障设备和人员的安全；
34、(3)本发明硬件成本优化，仅依赖进油路和回油路的压力传感器，无需额外安装角度、流量等传感器，显著降低了硬件成本，能以较低成本实现有效的安全防护，具有广泛的应用前景和市场竞争力；
35、(4)本发明实现对机械卡阻、管路破裂及运动失控三类主要风险的智能化识别与防护，有效提升了工程机械液压系统的安全性；
36、(5)本发明不仅可用于挖掘机，还可以用于其他工程机械。