雷州雷宝机械有限公司 广东雷州 524200
摘要：本文针对配置电控变速箱的装载机，提出了一种双手柄操作控制系统，并以ZF4WG200半自动变速箱和BP230全自动变速箱为例，设定了两种不同电控变速箱双手柄操作控制系统实现策略和实施方案，尤其是对半自动变速箱提出两种不同的控制方案，可根据实际需求选择不同的控制方案，保证最优的性价比和高可靠性。
关键词：装载机；变速箱；双手柄操作控制系统
引言
装载机作为一种循环作业机械，是当前工程施工中普遍采用的机种，其需要实现的作业工况主要有铲掘、行走运输、重载牵引等。目前在配置电控变速箱的装载机大部分有一个工作装置控制手柄，一个档位手柄，在铲装作业中两个手柄配合使用，劳动强度大，效率无法得到提升。因此，为了提高电控变速箱装载机工作效率，降低劳动强度，本文提出了一种双手柄操作控制系统，根据半自动变速箱和全自动变速箱不同，设定两种不同的控制方案，以达到最优的性价比和高可靠性。
1.半自动电控变速箱控制系统方案
以ZF半自动自动变速箱4WG-200为例，介绍一下半自动变速箱的双手柄控制策略，4WG-200半自动变速箱的控制原理图如图1所示，其中，A1表示变速箱控制器，A2表示档位选择器，A3表示电磁阀，A5表示诊断接口，K1表示起动互锁继电器，K2表示倒档信号继电器，S2表示动力切断开关，S4表示KD档开关。电源供电，变速箱通过档位选择器A2把档位信号发送给控制器A1，控制器A1通过计算、转化，把信号发送给电磁阀A3，电磁阀A3通过Y1、Y2、Y3、Y4和Y5不同的组合实现前四后三的不同方向档位和和速度档位，如表1所示。
图1变速箱单手柄控制系统原理
表1电磁阀与档位对应表
档位选择器A2逻辑关系如表2所示，速度和方向是通过不同的开关控制的，不同的档位信息输出对应不同的唯一信号输出，通过分析可看出AD1、AD2、AD3不同的逻辑关系控制1、2、3、4档速度信息，F控制前进档位信息，R控制后退档位信息，N控制空档档位信息，KD控制KD档位信息。不同的信号输出代表不同的档位信息。
表2档位选择器不同档位信息输出表
在正常装配过程中，档位手柄A2是装在转向柱上的，如图2所示，工作装置操纵手柄装配在随动座椅的右侧，在铲装作业过程中左手操纵转向柱和档位手柄A2，右手操纵工作装置操纵手柄，劳动强度大，劳动效率低，对操作者的技能有较高的要求[1]。为解决此难题，提出了双手柄操作控制系统，在工作装置操纵手柄上集成方向档位信息和KD档信息形成操纵FNR手柄A2.2，如图3所示。在铲装作业过程中通过FNR手柄A2.2可实现铲装作业过程中档位和工作装置操纵集成，提高工作效率，降低劳动强度。在转厂作业工况下两个手柄均可使用。具体实施方案有两种，具体如下。
1.1继电器控制
实现原理如图4所示，通过增加三个中间继电器K11、K15、K16和九个二极管实现，如档位选择器A2.1在空档2档时，FNR手柄A2.2所在的方向档位就是现在的方向档位信息，速度档位信息是A2.1的速度档位信息；如档位选择器A2.1在前进档2档时，FNR手柄A2.2如果在前进档位或空档档位时变速箱就是前进档位，速度档位信息是A2.1的速度档位信息，FNR手柄A2.2如果在后退档位时，此时变速箱控制器A1会同时接到两条相反的指令，变速箱控制器A1会认为程序错误，程序保护输出空档信息，只有当两个手柄信息不冲突时才会有正确的输出；如档位选择器A2.1在后退档2档时，FNR手柄A2.2如果在后退档位或空档档位时变速箱就是后退档位，速度档位信息是A2.1的速度档位信息，FNR手柄A2.2如果在前进档位时，此时变速箱控制器A1会同时接到两条相反的指令，变速箱控制器A1会认为程序错误，程序保护输出空档信息，只有当两个手柄信息不冲突时才会有正确的输出；其他档位操作也是如此。同时FNR手柄集成KD档功能，满足条件可应用KD档。
1.2控制器控制
原有的继电器控制方式在档位选择器A2.1和FNR手柄A2.2存在一定安全隐患，如两个A2.1和A2.2都在前进档时，停机时需要把两个手柄都停在空档才可，增加ECU可解决此问题。根据实际的需求，增加控制器ECU实现双手柄操作，由ECU判断档位选择器A2.1和FNR手柄A2.2之间的逻辑关系[2]，控制原理如图5所示。
ECU判断档位信息时可根据实际的需求，设定相应的控制程序。档位选择器A2.1在空档2档时，FNR手柄A2.2所在的方向档位就是现在的方向档位信息，速度档位信息是A2.1的速度档位信息；如档位选择器A2.1在前进档2档时，FNR手柄A2.2如果在空档档位时变速箱就是前进档位，速度档位信息是A2.1的速度档位信息，FNR手柄A2.2如果在前进或后退档位时，此时ECU就认为逻辑错误输出空档信息，变速箱控制器A1会接到空档信息指令，输出空档信息，只有当两个手柄信息都回到空档，然后有一个再在前进档时才会有前进档位输出；如档位选择器A2.1在后退档2档时，FNR手柄A2.2如果在空档档位时变速箱就是后退档位，速度档位信息是A2.1的速度档位信息，FNR手柄A2.2如果在前进或后退档位时，此时ECU就认为逻辑错误输出空档信息，变速箱控制器A1会接到空档信息指令，输出空档信息，只有当两个手柄信息都回到空档，然后有一个再到后退档时才会有前进档位输出；其他档位操作也是如此，同时FNR手柄集成KD档功能，满足条件可应用KD档。此操纵相比较于继电器控制，控制方式可避免逻辑错误，实现精准控制。
根据半自动变速箱实际使用，在铲装操作过程中，建议档位A2.1在空档，使用操作FNR手柄A2.2进行铲装作业，在转厂过程中，建议使用A2.1进行档位和方向切换，不建议使用操作FNR手柄A2.2。
图6全自动变速箱双手柄操作控制系统原理图
2.全自动电控变速箱控制系统方案
以ZF全自动自动变速箱BP230为例，介绍一下全自动变速箱的双手柄控制策略。对于全自动变速箱在变速箱设计时就考虑了双手柄操作的模式[3]，在变速箱控制器里预留了接线，原理图如图6所示。其中A1表示全自动变速箱控制器，A2.1表示档位选择器，A2.2表示FNR手柄，A3表示电磁阀，A6表示显示屏，A7表示CAN接口，B1表示发动机速度传感器，B2表示涡轮传感器，B3表示转毂速度传感器，B4输出速度传感器，K1表示起动互锁继电器，K2表示倒档信号继电器，S2表示动力切断开关，S3表示手动模式/自动模式选择开关，S31表示制动信号开关。
档位选择器A2.1在空档2档时，FNR手柄A2.2所在的方向档位就是现在的方向档位信息，速度档位信息是A2.1的速度档位信息；如档位选择器A2.1在前进档2档时，FNR手柄A2.2如果在空档档位时变速箱就是前进档位，速度档位信息是A2.1的速度档位信息，FNR手柄A2.2如果在前进或后退档位时，此时ECU就认为逻辑错误输出空档信息，变速箱控制器A1会接到空档信息指令，输出空档信息，只有当两个手柄信息都回到空档，然后有一个再在前进档时才会有前进档位输出；如档位选择器A2.1在后退档2档时，FNR手柄A2.2如果在空档档位时变速箱就是后退档位，速度档位信息是A2.1的速度档位信息，FNR手柄A2.2如果在前进或后退档位时，此时ECU就认为逻辑错误输出空档信息，变速箱控制器A1会接到空档信息指令，输出空档信息，只有当两个手柄信息都回到空档，然后有一个再到后退档时才会有前进档位输出。全自动变速箱具有手/自动两种模式，手动模式换档需要操作者执行，自动模式换档根据速度自己进行档位变换，最高档位为A2.1所在的最高速度档位，如目前A2.1在前进4档，其速度档位信息能在1-4进行变换，在前进3档，其速度档位信息只能在1-3变化，其余也是如此，且不能换向，这样FNR手柄就不用集成KD档功能即可，自动模式效率更高。
3.结论
综上所述，本文提出了一种装载机电控变速箱双手柄操作控制系统设计方案，通过该控制系统使装载机在铲装作业过程中，改变了原操作模式，将工作装置控制手柄和方向档位信息集成到一个手柄上，形成双手柄操作控制系统，集铲装作业和换向功能于一体，不仅提高了工作效率，也降低了劳动强度。此外，其他电控变速箱也可按照上述控制方案进行实施，以提高工作效率，降低工作强度。
参考文献：
[1] 张爱山. 轮式装载机自动变速箱控制系统分析[J]. 筑路机械与施工机械化, 2013, 30(1):82-86.
[2] 胡玉军, 王际成, 程伟. 装载机变速箱自动控制系统的设计与开发[J]. 机床与液压, 2012, 40(17):82-83.
[3] 杨宏伟, 杨进京, 商安志,等. 前装式电动轮装载机操作手柄检测试验台[J]. 露天采矿技术, 2016, 31(1):68-70.
论文作者:王金山
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/29
标签：档位论文; 手柄论文; 变速箱论文; 空档论文; 信息论文; 速度论文; 控制器论文; 《防护工程》2018年第19期论文;