趙煥玲

(貴州職業(yè)技術學院，貴州 貴陽 550023)

0 概述

液壓技術廣泛應用于工程機械，在國家各種重大工程建設中發(fā)揮著非常重要的作用。液壓單斗挖掘機是常見的工程機械設備，由于設備結(jié)構(gòu)復雜，涉及技術領域廣泛，在使用過程中，會出現(xiàn)各種不同的技術故障，影響工程進度。為了滿足設備在發(fā)生故障后，能夠快速定位，排除故障的目的，通過對液壓單斗挖掘機設計典型故障碼，在設備出現(xiàn)故障后，能夠?qū)Φ湫凸收线M行自行診斷并快速排除，達到機械控制、電氣控制和液壓等系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，縮短維護時間，降低維修成本。

1 單斗液壓挖掘機實訓臺

履帶式單斗液壓挖掘機為挖掘機的常用形式，主要包含工作裝置、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動力機構(gòu)、傳動機構(gòu)、行走裝置和輔助裝置等系統(tǒng)。單斗液壓挖掘機實訓臺按比例縮小、改進設計制作而成，取消整機行走裝置，保留工作裝置和上部轉(zhuǎn)臺，主要由鏟斗、斗桿、動臂及相關液壓系統(tǒng)等組成，裝有轉(zhuǎn)臺及液壓馬達，臺式結(jié)構(gòu)，控制操作于一體[1]，外形尺寸為1550 mm×650 mm×1800 mm，臺面采用冷軋鋼板經(jīng)噴塑、防腐處理，液壓站放置于液壓臺主柜內(nèi)。整體結(jié)構(gòu)緊湊協(xié)調(diào)，實用性強，單斗液壓挖掘機實訓臺結(jié)構(gòu)組成及外形圖如圖1。

圖1 單斗液壓挖掘機實訓臺結(jié)構(gòu)組成及外形圖

在工作過程中，單斗液壓挖掘機需要完成包含動臂升降、斗桿收放、鏟斗轉(zhuǎn)動、平臺回轉(zhuǎn)、整機行走等動作，在一個循環(huán)作業(yè)中可以組成復合動作[2]。

2 液壓系統(tǒng)原理設計

單斗液壓挖掘機實訓臺可實現(xiàn)“挖掘→提升、回轉(zhuǎn)→卸載”的自動工作循環(huán)，和“挖掘→提升→回轉(zhuǎn)→卸載→自動復位”單獨按鈕控制，其液壓原理圖如圖2所示。

1-過濾器；2-葉片泵；3-電動機；4-安全溢流閥；5-壓力表；6，7，8，9-電磁換向閥；10-液壓馬達；11-回轉(zhuǎn)減速器；12，14，16-液壓缸；13-動臂；15-斗桿；17-鏟斗。

關閉所有的故障開關，打開電源，按下啟動鍵，調(diào)節(jié)溢流閥3～4 MPa，將切換按鈕調(diào)至“手動”，此時即可用操縱桿控制挖掘機。

單斗液壓挖掘機實訓臺其控制原理圖如圖3所示，可實現(xiàn)單獨動作如下：

(1)鏟斗單獨伸出。扳動操縱桿，PLC輸入端X0有輸入信號，輸出端Y0有輸出信號，電磁閥6右線圈得電動作，右位接入系統(tǒng)，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥6的A口→液壓缸16的有桿腔→鏟斗伸出，液壓缸16的無桿腔→電磁換向閥6的B口→油箱。

(2)鏟斗單獨收回。扳動操縱桿，PLC輸入端X1有輸入信號，輸出端Y1有輸出信號，電磁閥6左線圈得電動作，左位接入系統(tǒng)，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥6的B口→液壓缸16的無桿腔→鏟斗收回，液壓缸16的有桿腔→電磁換向閥6的A口→油箱。

(3)斗臂單獨伸出。扳動操縱桿，PLC輸入端X2有輸入信號，輸出端Y2有輸出信號，電磁閥7右線圈得電動作，右位接入系統(tǒng)，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥7的A口→液壓缸14的有桿腔→斗臂伸出，液壓缸14的無桿腔→電磁換向閥7的B口→油箱。

(4)斗臂單獨收回。扳動操縱桿，PLC輸入端X3有輸入信號，輸出端Y3有輸出信號，電磁閥7左線圈得電動作，左位接入系統(tǒng)，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥7的B口→液壓缸14的無桿腔→斗臂收回，液壓缸14的有桿腔→電磁換向閥7的A口—油箱。

(5)動臂單獨提升。扳動操縱桿，PLC輸入端X4有輸入信號，輸出端Y4有輸出信號，電磁閥9右線圈得電動作，右位接入系統(tǒng)，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥9的A口→液壓缸12的無桿腔→動臂伸出，液壓缸12的有桿腔→電磁換向閥9的B口—油箱。

(6)動臂單獨下降。扳動操縱桿，PLC輸入端X5有輸入信號，輸出端Y5有輸出信號，電磁閥9左線圈得電動作，左位接入系統(tǒng)，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥9的B口→液壓缸12的有桿腔→動臂下降，液壓缸12的無桿腔→電磁換向閥9的A口→油箱。

(7)右旋。扳動操縱桿，PLC輸入端X7有輸入信號，輸出端Y7有輸出信號，電磁閥8右線圈得電動作，右位接入系統(tǒng)，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥8的A口→液壓馬達→電磁換向閥8的B口→油箱。

(8)左旋。扳動操縱桿，PLC輸入端X6有輸入信號，輸出端Y6有輸出信號，電磁閥8左線圈得電動作，左位接入系統(tǒng)，此時油路走向為：油箱→過濾器→變量泵→溢流閥4→電磁換向閥8的B口→液壓馬達→電磁換向閥8的A口→油箱。

電磁換向閥7控制液壓缸14控制拖動斗桿15運動，電磁換向閥9控制液壓缸12控制動臂的運動，電磁換向閥8控制馬達，通過回轉(zhuǎn)減速器11帶動整個駕駛室回轉(zhuǎn)運動。

3 電氣控制系統(tǒng)設計

實訓臺采用三相AC380V 50Hz電源，電氣控制采用直流24V電源，可編程序控制器(PLC)電氣控制方式[3]，機-電-液一體化控制，具有手動控制和自動控制兩種方式。PLC是液壓單斗挖掘機電器控制系統(tǒng)核心模塊，采用的三菱PLC FX3SA-20MR模塊，I/O輸出8點，輸入12點，實訓臺遙感、位置開關等操作控制信號與PLC輸入端相連，能夠?qū)崿F(xiàn)實時有效的控制， PLC控制原理圖如圖3，電氣控制原理圖如圖4。

圖3 PLC控制原理圖

圖4 電氣控制原理圖

通過可編程序控制器(PLC)指令編程、梯形圖編程，與計算機的通訊、在線調(diào)試，優(yōu)化挖掘機的液壓傳動控制。同時，通過上位機和下位機的連接，PC機端演示實驗運行過程，利用PLC軟件編程，實現(xiàn)挖掘機工作過程，PLC軟件編程見圖5。

圖5 三菱FX3SA-20MR PLC軟件編程

4 電氣控制系統(tǒng)故障碼設計

針對液壓挖掘機的特點進行分析，對實訓臺設置故障碼為K1～K10的電源、泵啟動等10種典型故障[4]，通過故障碼對應開關控制故障出現(xiàn)、關閉。具體故障碼設置如下：

1)故障碼K1：交流電源故障

設置在急停之后泵停止按鈕之前，打開此撥動開關，三相缺一相，導致相序保護器不啟動，實驗臺斷電，交流電發(fā)生故障，PLC無電源，DC24V電源故障，故障指示燈也會熄滅。泵站無法正常啟動。

2)故障碼K2：直流電源故障

設置在急停(交流電源故障)之后，直流電源之前，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC無交流電源，DC24V直流電源無電，失去220V電源來源，所以故障指示燈也會熄滅。泵站正常啟動。

3)故障碼K3：泵啟動故障1

設置在泵停止按鈕之后，泵啟動按鈕之前，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC工作正常，DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站無法正常啟動。

4)故障碼K4：泵啟動故障2

設置在泵停止按鈕(泵啟動故障1)之后，泵自鎖之前，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC工作正常，DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠點動，無法正常啟動。

5)故障碼K5 ：PLC輸入故障

設置在DC24V輸出之后，PLC輸出公共端S/S之前，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC無輸入，DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠正常啟動[5]。

6)故障碼K6：PLC輸出故障

設置在DC24V輸出之后，PLC輸出公共端COM之前，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC輸入正常，PLC無輸出，DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠正常啟動。

7)故障碼K7：鏟斗故障

設置在PLC輸出Y1之后，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC輸入正常，PLC輸出Y1故障，鏟斗無法正常工作。DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠正常啟動。

8)故障碼K8：回旋故障

設置在PLC輸出Y7之后，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC輸入正常，PLC輸出Y7故障，回旋馬達無法正常工作。DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠正常啟動。

9)故障碼K9：斗桿故障

設置在PLC輸出Y3之后，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC輸入正常，PLC輸出Y3故障，斗桿無法正常工作。DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠正常啟動。

10)故障碼K10：泵站故障

設置在PLC輸出Y5之后，打開此撥動開關，實驗臺交流電正常，PLC輸入正常，PLC輸出Y5故障，動臂無法正常工作。DC24V電源正常，對應故障指示燈點亮。泵站能夠正常啟動。

5 單斗液壓挖掘機實訓臺應用

通過貴州職業(yè)技術學院精品開放課程教學團隊設計并通過校企合作進行研發(fā)生產(chǎn)，同時與昆山同創(chuàng)科教有限公司合作研制生產(chǎn)一臺帶有故障碼的液壓單斗挖掘機實訓臺，如圖6。

圖6 單斗液壓挖掘機實訓臺

該實訓臺能夠完成單斗液壓挖掘機作業(yè)動作以及機-電-液一體控制實物演示實驗，分析液壓傳動結(jié)構(gòu)與液壓控制系統(tǒng)原理，通過PLC軟件仿真并上傳PLC控制板，并進行單斗液壓挖掘機演示控制。同時，通過選擇設定的典型故障碼，對單斗液壓挖掘機在工作過程中出現(xiàn)的常見典型故障進行復現(xiàn)，便于故障分析、排除、維護和保養(yǎng)。

6 后續(xù)

本實訓臺僅設置故障碼K1～K10等典型故障，為了滿足工程實踐需要，可以通過PLC軟件對故障碼進行設置，完善實訓臺故障碼的擴展模塊功能。