一种装载机自动收斗控制方法及系统与流程

1.本发明涉及一种装载机自动收斗控制方法及系统，属于装载机控制技术领域。


背景技术：

2.现有装载机采用人工控制收斗，驾驶员同时操纵手柄和油门，通过手柄控制收斗，油门控制驱动，操作时全凭驾驶员经验，当手柄向内侧操纵收斗时，由于油门同时踩下，导致液压和驱动同时进行时，发动机的功率分配是不确定的，即如果先动手柄，后踩油门，那么发动机功率给收斗就多一些，行走就少一些；而如果先踩油门，后动手柄，发动机功率给行走就多一些，给收斗就少一些。当给行走功率较多时，会出现明显的轮胎打滑现象，功率没有更充分的用于作业，同时会伴随收斗铲掘无力，并且发动机的转速随油门有较大波动，导致收斗流量变化较大，收斗速度会变慢，甚至需要进行二次铲掘等，影响作业效率。当给液压多一些时，行走功率对于前轮和后轮是平均分配的，导致前轮牵引不足，而后轮容易出现过度牵引产生打滑现象，驱动功率没有充分利用和发挥。同时，在收斗过程中，无论液压功率分配多少，行走功率对于前轮和后轮都是平均分配的，这种功率分配模式并不能很好的适应装载机铲掘收斗的作业过程，同时燃油消耗也比较高，综合生产率较低。
3.因此，目前实现高效的铲掘收斗，减少功率的浪费，全靠驾驶员的操作经验。驾驶员根据经验操作虽能够提高功率的使用效率，但并不是最优解，如何实现铲装作业自动将发动机功率更精确的动态分配给负载，降低无用的功率消耗，是一个行业难点。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种装载机自动收斗控制方法及系统。
5.为了实现上述目的，本发明采用的一种装载机自动收斗控制系统，包括手柄、驱动总成、控制器、电源、用于检测铲斗角度的传感器、翻斗缸、主阀、电控泵、控制电控泵排量的第一电磁阀和控制缸、控制先导油路的第二电磁阀、控制主阀阀芯开度的第三电磁阀和第六电磁阀；
6.所述电控泵的出口一路连接主阀的p口，主阀的a口接翻斗缸的g1口，翻斗缸的g2口接主阀的b口；所述电控泵的出口另一路接第二电磁阀的v1口，第二电磁阀的x1口同时接第三电磁阀的q2口和第六电磁阀的q1口，所述第三电磁阀的s2口接主阀的u2口，第六电磁阀的s1口接主阀的u1口；所述电控泵的出口另一路接第一电磁阀的h口，第一电磁阀的k口接控制缸的m口，第一电磁阀的l口接控制缸的n口；
7.所述控制器分别与手柄、驱动总成、用于检测铲斗角度的传感器、电源及各电磁阀连接。
8.作为改进的，还包括油箱、第二溢流阀和第三溢流阀；
9.所述主阀的t口接油箱，所述翻斗缸的g1口另一路通过第三溢流阀接油箱，翻斗缸的g2口另一路通过第二溢流阀接油箱；
10.所述第二电磁阀的w1口、第三电磁阀的r2口和第六电磁阀的r1口均接油箱。
11.作为改进的，还包括第四电磁阀和第五电磁阀；
12.所述主阀的a口接第五电磁阀的c口，第五电磁阀的d口接翻斗缸的g1口，所述主阀的b口接第四电磁阀的e口，第四电磁阀的f口接翻斗缸的g2口。
13.作为改进的，所述第一电磁阀的b1端子、第二电磁阀的b2端子、第三电磁阀的b3端子、第四电磁阀的b4端子、第五电磁阀的b5端子、第六电磁阀的b6端子和第一电磁阀的b7端子，分别与控制器的a1端子、a2端子、a3端子、a4端子、a5端子、a6端子、a7端子连接。
14.作为改进的，还包括减压阀、先导溢流阀；
15.所述电控泵与第二电磁阀之间串接有减压阀，且减压阀的出口同时接先导溢流阀和第二电磁阀的v1口，先导溢流阀的出口接油箱。
16.作为改进的，还包括节流阀和第一溢流阀；
17.所述第一电磁阀的j口通过节流阀接油箱，第一电磁阀的h口通过第一溢流阀接油箱。
18.作为改进的，所述驱动总成设有四个，每个驱动总成均包括电机总成和轮胎，所述电机总成与轮胎通过减速机构机械连接。
19.作为改进的，所述控制器与手柄间采用can总线连接，控制器与驱动总成间采用电缆连接及can通讯连接，控制器与传感器间采用信号线连接，控制器与电源间采用电缆连接及can通讯连接。
20.另外，本发明还提供了一种装载机自动收斗控制方法，采用所述的装载机自动收斗控制系统，根据铲斗的角度区间，确定收斗液压系统和前轮、后轮行走功率的分配：
21.当铲斗处于第一区间时，优先分配收斗液压系统满功率负荷，将剩余功率分配给前轮行走，对后轮行走不进行功率分配，且收斗液压功率与前轮行走功率之和等于发动机或电源可输出的总功率；
22.当铲斗处于第二区间时，优先分配并确保收斗液压系统的功率负荷需求，将剩余功率分配优先确保前轮行走功率的满负荷运行，再将剩余功率对后轮行走进行功率分配；
23.当铲斗处于第三区间时，仅对液压系统进行功率分配，停止对行走系统进行功率分配。
24.作为改进的，所述第一区间的铲斗角度θ≤5
°
，第二区间的铲斗角度5＜θ≤15
°
，第三区间的铲斗角度15
°
＜θ。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.1、更节能：控制器实时检测电控泵的压力和流量信号，可根据铲斗的收斗角度区间，并根据负载压力和泵排量，优先保证液压的功率需求，其次再保证前轮的功率，在角度较大时，完全停止驱动功率输出，避免了人为控制带来的功率浪费，例如后轮打滑的功率会增加燃油的额外消耗，或者液压系统的过度溢流导致功率过度的分配给液压，而行走无力导致铲满率较低，系统溢流的功率也会增加额外的燃油消耗，因此本发明的节能效果显著。
27.2、自动化程度更高，铲装更为智能：由于控制器可以根据系统自适应负载的压力变化，进行动态分配液压功率和行走功率，并通过调整电磁阀的信号，调整翻斗缸流量和收斗速度，同时通过对前轮和后轮电机差别的分配行走功率，使能量分配更有利于铲掘和铲满。和人工操作相比，本发明自动化和智能化程度更高，控制更为精确，更好的符合铲装动
作过程，有利于未来的自动驾驶技术开展。
28.3、更高效：由于人工操作时，驾驶员无法察觉收斗角度的精确变化，因而不可避免的会造成油门踩踏的提前或滞后，造成驱动功率输出时，整车行走无力或出现后轮打滑或者行走过快等，导致难以进行铲掘等，综合作业效率较低，而本发明的控制系统，可以精确的察觉收斗角度的变化，并且行走功率的输出会依据角度变化而适时地作出向前推进物料或者停止输出功率的变化，进而提高综合铲装的作业效率。
附图说明
29.图1为本发明的控制原理图；
30.图2为本发明的翻斗缸伸出动作原理图；
31.图3为本发明的装载机工作示意图；
32.图4为本发明的装载机收斗示意图；
33.图5为本发明的流程示意图；
34.图中：1、手柄，2、前驱动总成，2l、左前驱动总成，2r、右前驱动总成，3、控制器，4、电源，5、传感器，6、后驱动总成，6l、左后驱动总成，6r、右后驱动总成，7、控制缸，8、第一溢流阀，9、第一电磁阀，10、第二电磁阀，11、第三电磁阀，12、第四电磁阀，13、第二溢流阀，14、翻斗缸，15、第三溢流阀，16、第五电磁阀，17、主阀，18、第六电磁阀，19、减压阀，20、先导溢流阀，21、电控泵，22、油箱，23、节流阀，24、轮胎，25、铲斗。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
36.除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
37.如图1所示，一种装载机自动收斗控制系统，包括手柄1、驱动总成、检测铲斗角度的传感器5、控制器3、电源4、电控泵21、主阀17、翻斗缸14、控制电控泵21排量的第一电磁阀9和控制缸7、控制先导油路的第二电磁阀10、控制主阀阀芯开度的第三电磁阀11和第六电磁阀18；
38.所述电控泵21的出口一路连接主阀17的p口，主阀17的a口接翻斗缸14的g1口，翻斗缸14的g2口接主阀17的b口；
39.所述电控泵21的出口另一路接第二电磁阀10的v1口，第二电磁阀10的x1口同时接第三电磁阀11的q2口和第六电磁阀18的q1口，所述第三电磁阀11的s2口接主阀17的u2口，第六电磁阀18的s1口接主阀17的u1口；
40.所述电控泵21的出口另一路接第一电磁阀9的h口，第一电磁阀9的k口接控制缸7的m口，第一电磁阀9的l口接控制缸7的n口；
41.所述手柄1与控制器3间采用can总线连接，控制器3与驱动总成间采用电缆连接以及can通讯连接，传感器5与控制器3间采用信号线连接，电源4与控制器3间采用电缆连接以
及can通讯连接，所述控制器3与各个电磁阀间采用信号线连接。
42.作为实施例的改进，该装载机自动收斗控制系统还包括油箱22、第二溢流阀13和第三溢流阀15；
43.所述主阀17的t口接油箱22，所述翻斗缸14的g1口另一路通过第三溢流阀15接油箱22，翻斗缸14的g2口另一路通过第二溢流阀13接油箱22；所述第二电磁阀10的w1口、第三电磁阀11的r2口和第六电磁阀18的r1口均接油箱22。
44.作为实施例的改进，还包括第四电磁阀12和第五电磁阀16；所述主阀17的a口接第五电磁阀16的c口，第五电磁阀16的d口接翻斗缸14的g1口，所述主阀17的b口接第四电磁阀12的e口，第四电磁阀12的f口接翻斗缸14的g2口。
45.作为实施例的进一步改进，所述第一电磁阀9的b1端子、第二电磁阀10的b2端子、第三电磁阀11的b3端子、第四电磁阀12的b4端子、第五电磁阀16的b5端子、第六电磁阀18的b6端子和第一电磁阀9的b7端子，分别与控制器3的a1端子、a2端子、a3端子、a4端子、a5端子、a6端子、a7端子连接。
46.作为实施例的改进，还包括减压阀19、先导溢流阀20；
47.所述电控泵21与第二电磁阀10之间串接有减压阀19，且减压阀19的出口同时接先导溢流阀20和第二电磁阀10的v1口，先导溢流阀20的出口接油箱22。
48.作为实施例的改进，还包括节流阀23和第一溢流阀8，所述第一电磁阀9的j口通过节流阀23接油箱22，第一电磁阀9的h口通过第一溢流阀8接油箱22。
49.作为实施例的改进，所述驱动总成包括两个前驱动总成2和两个后驱动总成6，两个前驱动总成2分为左前驱动总成2l、右前驱动总成2r，两个后驱动总成6分为左后驱动总成6l、右后驱动总成6r，各驱动总成均包括电机总成和轮胎24，所述电机总成与轮胎24通过减速机构机械连接。
50.本发明的装载机自动收斗控制系统，具体包括：
51.1、液压连接：
52.主油路：液压油经电控泵21连接主阀17的p口，主阀17的a口接第五电磁阀16的c口，第五电磁阀16的d口接翻斗缸14的g1口；翻斗缸14的g2口接第四电磁阀12的f口，第四电磁阀12的e口接主阀17的b口，主阀17的t口接油箱22，翻斗缸14的g1口另一路通过第三溢流阀15回油箱22；翻斗缸14的g2口另一路通过第二溢流阀13回油箱22。
53.先导控制油路：电控泵21的出口另一路接减压阀19，减压阀19的出口同时接先导溢流阀20、第二电磁阀10的v1口，第二电磁阀10的x1口同时接第三电磁阀11的q2口和第六电磁阀18的q1口，先导溢流阀20的出口、第二电磁阀10的w1口、第三电磁阀11的r2口和第六电磁阀18的r1口同时接油箱22；第三电磁阀11的s2口接主阀17的u2口，第六电磁阀18的s1口接主阀17的u1口。
54.泵排量控制油路：电控泵21的出口另一路接第一电磁阀9的h口和第一溢流阀8，第一电磁阀9的k口接控制缸7的m口，第一电磁阀9的l口接控制缸7的n口，第一电磁阀9的j口经节流阀23接油箱22，第一溢流阀8出口接油箱22。
55.2、电器连接：
56.手柄1与控制器3采用can总线连接，控制器3与四个驱动总成采用电缆连接以及can通讯连接，传感器5与控制器3采用信号线连接，电源4与控制器3采用电缆连接以及can
通讯连接。
57.其中，控制器3向第四电磁阀12和第五电磁阀16输出的电流值是恒定的大于0的数值或0，是开关量信号；而向其余电磁阀输出的电流值是可变的线性数值或0，是模拟量信号；传感器5用于实时检测铲斗25的收斗角度信号，并发送至控制器3。
58.本发明的自动收斗作业控制原理：
59.如图2、图3和图4所示，当控制器3控制四个驱动总成驱动整机行驶至物料前时，控制整机以最大驱动力推物料，直至前驱动总成2的转速为0时，停止驱动，同时控制手柄1向左转动一个角度，控制器3向第一电磁阀9的b7端子、第二电磁阀10的b2端子和第六电磁阀18的b6端子输出电流信号，且电流数值与手柄1的角度相对应(近似成正比)，向第四电磁阀12的b4端子和第五电磁阀16的b5端子输出恒定的电流信号，此时：
60.泵排量控制油路：
61.第一电磁阀9的h口和k口接通，j口和l口接通，液压油经电控泵21、第一电磁阀9的h口、k口、控制缸7的m口进入控制缸7的小腔，推动活塞杆右移，使泵斜盘倾角变大，进而泵输出与手柄1角度对应的排量，控制缸7的大腔液压油经n口、l口、j口以及节流阀23进行回油；当手柄1的角度越大时，第一电磁阀9的阀芯开度越大，泵排量越大；
62.先导控制油路：
63.第二电磁阀10的v1口、x1口接通，第六电磁阀18的s1口、q1口接通；先导油经电控泵21、减压阀19、第二电磁阀10的v1口和x1口、第六电磁阀18的q1口和s1口，至主阀17的u1口，将主阀17的阀芯推向右位，至主阀17的p口、a口接通，b口、t口接通；主阀17另一端的控制油经u2口、第三电磁阀11的s2口和r2口回油箱22。当手柄1的角度越大时，第二电磁阀10的b2端子以及第六电磁阀18的b6端子的电流值越大，流经第二电磁阀10的v1口、x1口以及第六电磁阀18的q1口、s1口的流量越大，主阀17的阀芯向右的位移越大。
64.主油路：
65.第四电磁阀12的f口、e口完全接通，第五电磁阀16的d口、c口完全接通，主阀17的p口、a口接通，b口、t口接通，液压油经电控泵21、主阀17的p口和a口、第五电磁阀16的c口和d口、翻斗缸14的g1口至翻斗缸14的大腔，推动翻斗缸14的活塞杆向右伸出，翻斗缸小腔经g2口、第四电磁阀12的f口和e口，主阀17的b口、t口进行回油，从而实现收斗动作。
66.其中，减压阀19主要实现先导压力满足先导油路的要求；此处为定值减压阀，即先导油路的压力是恒定值，优选的，先导压力为2mpa。
67.先导溢流阀20用于确保先导压力的最大值不超过设定值；优选的，先导压力最大值为2.5mpa。
68.第一溢流阀8用于确保电控泵21的最高压力不超过设定值，优选的，设定值为35mpa。
69.第二溢流阀13和第三溢流阀15分别用于确保翻斗缸小腔和大腔的压力不超过设定值；优选的，设定值为30mpa。
70.如图4、图5所示，本发明还提供了一种装载机自动收斗控制方法，采用所述的装载机自动收斗控制系统，该控制方法是根据铲斗25的角度区间θ，确定收斗液压系统和前轮、后轮行走功率的分配：
71.当铲斗25的收斗角度θ≤5
°
时(即位于第一区间)，控制器3优先确保液压系统的功
率需求，将发动机或电源4的剩余功率分配给行走电机，并且当系统主油路压力达到或接近最大且泵排量也最大时，即液压功率达到最大极限值时，将剩余可用功率仅分配给整机的前驱动总成2，而给后驱动总成6不分配功率。此时，整机仅仅依靠前桥边向前推料，边进行大功率收斗；而后轮因为载荷很小，或悬空，或者被前轮拖着走，而无主动的牵引功率。该区间主要保证铲斗25能够克服较大的负载进行收斗，而牵引推料仅作为辅助。因此该区间的主泵排量达到最大，主阀17的阀芯开度最大，翻斗缸14的压力和流量都达到或接近最大。即优先保持收斗的最大功率需求，此时以掘起物料的收斗为主要的功率分配，而前轮行走向前推料的同时，能够有助于物料的铲满，并且随着角度的变大，液压系统的压力逐渐降低，收斗功率有所降低，分配给前轮的驱动功率逐渐变大，向前推料的推力逐渐变大，铲满率更高。即控制器3根据收斗角度的增大，系统压力的降低，对前驱动总成2分配的功率慢慢变大，并且，此时液压收斗的功率与前驱动总成2的功率总和等于发动机或电源4可输出的总功率，角度在变化，但是两者的总和是不变的，液压功率降低了，前驱动总成功率就增加了。
72.当铲斗25的收斗角度5
°
＜θ≤15
°
时(即位于第二区间)，控制器3优先确保液压系统的功率需求，将发动机或电源4的剩余功率分配给行走电机，并且由于系统压力降低，即液压功率未发挥到最大值，即发动机或电源4输出给液压的功率减少，给驱动的功率增大，并且，驱动功率优先保证前轮的满负荷功率，将剩余的功率按照需求供给给后轮，确保后轮不打滑的情况下，输出一定的牵引力。即分配给后轮驱动功率的前提是，前轮的驱动功率是满负荷的，同时后轮不产生打滑。随着收斗角度的增大，整机具有更大的推力，物料进一步提升铲满率。由于收斗角度超过了5
°
，并且压力逐渐变小，控制器3分配给前驱动总成2的功率逐渐增大至前桥电机的最大功率(或扭矩)，当角度进一步增加时，控制器3分配功率保持前轮的最大功率(或扭矩)输出，而后根据后轮的打滑情况确定是否进行功率分配及分配多少。当后轮不打滑时，液压功率、前驱动功率以及后驱动功率总和等于发动机或电源可输出的总功率，当后轮打滑时，给后轮不分配功率，这时发动机或电源4的功率有剩余，剩余的功率可以降低燃油消耗。
73.当铲斗的收斗角度15
°
＜θ时(即位于第三区间，且θ≤45
°
)，控制器3仅输出满足液压系统的功率，而对行走驱动不输出功率，即整机停止状态下，进行收斗，直至完成收斗动作。该区间的物料已经基本铲满，以收斗到位为目标，而停止进行驱动推料。
74.其中，第二电磁阀10、第三电磁阀11和第六电磁阀18均为两位三通比例电磁阀；第四电磁阀12、第五电磁阀16为弹簧复位的两位两通电磁阀；第一电磁阀9为三位四通弹簧复位的比例电磁阀；主阀17为三位四通液控弹簧复位的比例阀。
75.当收斗完成时，控制器3控制手柄1的角度为0，同时控制器3向第一电磁阀9的b7端子、第二电磁阀10的b2端子和第六电磁阀18的b6端子输出0电流信号，向第四电磁阀12的b4端子和第五电磁阀16的b5端子输出0电流信号，给第一电磁阀9的b1端子输出电流信号；此时：
76.泵排量控制油路：第一电磁阀9的h口和l口接通，j口和k口接通；液压油经电控泵21、第一电磁阀9的h口和l口、控制缸7的n口进入控制缸大腔，推动活塞杆左移，使泵斜盘倾角变小直至为0，进而控制泵输出的排量为0，控制缸7的小腔液压油经m口、k口、j口以及节流阀23进行回油；
77.当泵排量为0时，第一电磁阀9的b1端子输出0电流信号，电磁阀复位。
78.先导控制油路：第二电磁阀10的v1口、w1口接通；第六电磁阀18的s1口、r1口接通；先导油经电控泵21、减压阀19、第二电磁阀10的v1口、w1口实现回油；
79.主阀17的左侧先导油经u1口、第六电磁阀18的s1口和r1口实现回油，主阀阀芯自动复位，至主阀17的p口、a口截止，b口、t口截止；
80.主油路：第四电磁阀12的f口、e口完全截止，第五电磁阀16的d口、c口完全截止，翻斗缸14的活塞杆被锁定在当前位置。
81.本发明通过多个电磁阀控制主阀和电控泵，进而控制翻斗缸的流量输出，收斗作业效率更高，自动化程度更高，综合生产率更高。
82.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。