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液壓挖掘機中的電控系統(tǒng) 液壓挖掘機作為一種重要的通用型工程機械，其銷售量、保有量、發(fā)展速度始終處于整個工程機械行業(yè)的前列，其配套也越來越成為一個龐大的產業(yè)。電器系統(tǒng)作為液壓挖掘機重要的配套產品中的一種，其性能和功能對液壓挖掘機有著重大的影響。眾所周知，由于電器系統(tǒng)在汽車領域中的重要地位，國內的汽車電器行業(yè)非?；钴S，但與國外相比無論在產值上還是在技術水平上都有非常大的差距。同樣，在工程機械領域，國內電器系統(tǒng)與國外相比也有一定的差距。但由于工程機械行業(yè)與汽車行業(yè)有很大的不同，汽車行業(yè)的技術到現(xiàn)在已經發(fā)展得非常成熟，功能結構非常復雜，決定了其電器系統(tǒng)的復雜性；而工程機械由于其功能的特殊性和專一性，與汽車領域大批量生產相比，決定了其電器系統(tǒng)目前只能走小批量、多品種的發(fā)展道路?？偟膩碇v，工程機械電器系統(tǒng)畢竟與汽車電器系統(tǒng)有很大的相似之處，尤其是挖掘機、裝載機等的電器系統(tǒng)，與汽車一樣，都屬于行走機械領域，因此盡管挖掘機電器系統(tǒng)有一定的特殊性，但還是可以從發(fā)展相對成熟的汽車電器領域借鑒到一些發(fā)展經驗。本文將主要對挖掘機電器系統(tǒng)的功能、發(fā)展方向作出一定的闡述。 一．電器系統(tǒng)在挖掘機工作監(jiān)測中的應用和發(fā)展趨勢 電器系統(tǒng)在液壓挖掘機中的監(jiān)測作用都有目共睹，其主要組成部分就是顯示儀表和各種傳感器。目前，在顯示儀表上，有著這樣一種趨勢，將盡可能多的挖掘機工作參數顯示在儀表上，如燃油量、發(fā)動機水溫、液壓油溫、機油壓力、發(fā)動機轉速等，顯示儀表功能越來越多，越來越復雜。 實際上，挖掘機監(jiān)測系統(tǒng)功能的不斷完善是發(fā)展的必然趨勢，但監(jiān)測儀表的設計也是多方面因素綜合的結果，包括基本功能的需要，用戶心理的研究、維修服務的考慮等多方面因素。 在基本功能需求方面，實際上監(jiān)測儀表顯示最需要的功能是燃油量，另外還有工作時間，這也是在早期的挖掘機顯示中最不可缺少的數量上的顯示，其他的顯示都以報警量的形式給出。限于當時的發(fā)展水平和成本考慮，這些報警量的具體值往往并不加以采集。但發(fā)展到今天，儀表顯示技術得到了很大得發(fā)展，從機械式電動儀表發(fā)展到段式液晶顯示和發(fā)光二極管顯示，又發(fā)展到單色點陣式液晶顯示，進而發(fā)展到目前流行的彩色液晶顯示，加上電子技術和傳感器技術的發(fā)展，使得過去這些報警量的數據采集和顯示變得成本低廉，形成一種將所有工作數據的具體值都顯示在儀表上的趨勢。 但從工程學角度來講，顯示量的設置與司機的經驗、習慣有很大關系。因為與儀表顯示最相關的人是司機，他只需要知道與操作挖掘機工作最有關的量就可以了，顯然這就是燃油量和工作時間。燃油量顯示可以提醒司機何時加油以保證工作的連續(xù)性；工作時間的顯示則有助于司機把握自己的工作量。對于有經驗的司機來講，發(fā)動機水溫、燃油溫度也是必不可少的，有助于司機調整自己的工作節(jié)奏，避免挖掘機長期工作在超負荷狀態(tài)下，但這些量也可以以報警量的形式提醒司機；但對于沒有經驗的司機和用戶來講，則所顯示的水溫和油溫有可能產生誤解和歧義。 盡管報警量的數值沒有必要在在儀表上顯示，但并不意味著數值不重要，因為這些具體的數值對于專業(yè)維修人員和有經驗的司機非常重要，可以用來判斷挖掘機的工作狀態(tài)和目前的液壓系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)的狀況。由于這些數據只對專業(yè)人士有用，因此在正常工作時可以不必將具體數值顯示在儀表上，使儀表顯示更加簡潔、直觀。這些數據可以存儲在儀表中，需要的時候調用出來，或者通過通訊接口讀入到手持電腦或筆記本電腦中，或者通過無線通訊讀入到用戶的計算機中，以對挖掘機的工作狀態(tài)進行專業(yè)評估，以便于維修、保養(yǎng)。 二．電器系統(tǒng)在挖掘機管理中的應用 隨著無線通訊網絡的發(fā)展，利用GSM網絡或CDMA網絡傳遞挖掘機工作信息成為一種潮流。由于手機網絡具有距離遠、實時性強的特點，可以通過短信的形式傳遞挖掘機的各種工作信息，如利用GPS系統(tǒng)的位置信息，工作時間信息，耗油量信息，發(fā)動機機油壓力信息等，因此產生了以下幾個方面的應用。 首先，有利于機主對挖掘機進行管理，因為可以利用手機或計算機實時監(jiān)控工作時間、工作地點和燃油消耗量，準確計算挖掘機的實際工作量。 其次，有利于對挖掘機的維護和保養(yǎng)，因為可以通過短信形式獲得挖掘機的各種工作參數，供專業(yè)人士評估。 第三，有利于生產廠家和經銷商對按揭的監(jiān)督。 第四，有利于生產廠家和經銷商對挖掘機使用故障的評估，并能節(jié)約服務費用。三．電器系統(tǒng)在挖掘機工作安全中的應用和發(fā)展方向 挖掘機作為一種工程機械，其工作環(huán)境經常處于危險之中，每年都有傷亡事故發(fā)生，其中絕大多數都是因為司機的不重視所引起，因此非常有必要利用傳感器對周圍環(huán)境的危險程度進行評估，以提醒司機注意危險。 造成事故的因素主要有：傾翻、回轉誤傷和誤撞、塌方等。 對于傾翻，往往是由于挖掘機在斜坡上工作引起的，因此可以利用一個傾斜傳感器來提醒司機工作的危險程度，并系好安全帶。只這一項措施，就能避免很多傷亡事故的發(fā)生。 對于回轉誤撞，可以采取兩種措施，第一是在挖掘機尾部安裝聲光報警裝置，第二是在挖掘機尾部安裝距離傳感裝置，并將距離傳感裝置與回轉液壓系統(tǒng)連接起來，在監(jiān)測到有障礙物時切斷液壓動力或先導動力，時回轉動作停止以避免事故。 對于塌方的危險，可以通過監(jiān)測挖掘工作中掌子面的高度來實現(xiàn)，當監(jiān)測到掌子面的高度過高時，就發(fā)出警報，提醒司機注意。 四．電器系統(tǒng)在挖掘機檢測、維護和測試中的應用和發(fā)展方向 挖掘機在工作中的可靠性對于其工作效益有極大的影響。前面介紹過，可以將挖掘機的所有工作參數都用模擬傳感器記錄下來，一方面給司機報警，起到提醒的作用，另一方方面可以給專業(yè)人士進行評估，也可以觸發(fā)系統(tǒng)進行自我維護操作，例如觸發(fā)強制潤滑系統(tǒng)進行動作。 另外，利用點陣式液晶顯示，還可以為司機提供很多有益的提示，例如顯示操作手冊，到一定的工作時間后自動提示司機應當完成的維護工作等。 在挖掘機的開發(fā)過程中，有時也迫切需要了解很多挖掘機工作的參數，此時需要挖掘機電器系統(tǒng)能夠支持這種功能，以完成液壓系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)中負載大小的檢測和多路閥、液壓馬達、液壓泵、液壓缸等的工作參數的記錄，以及在長期工作狀態(tài)下這些參數的變化情況，以便對設計進行完整的評估，如操縱性、經濟性、可靠性、節(jié)能性等。 五．電器系統(tǒng)在挖掘機節(jié)能控制中的應用和發(fā)展方向 同汽車電器一樣，挖掘機電器系統(tǒng)中技術含量最高的部分在于其動力系統(tǒng)的控制——節(jié)能控制。 眾所周知，挖掘機工作過程中存在各種功率損失，其中占主導地位的是液壓系統(tǒng)內部損失和功率匹配損失。針對液壓系統(tǒng)功率損失，國內外工程機械生產商開發(fā)了多種節(jié)能控制技術，較好地解決了這一問題。功率匹配損失是由于挖掘機工況復雜，負載變化劇烈，導致柴油機嚴重偏離經濟工作區(qū)，造成燃油利用率不高，尤其是在高轉速、小負載的情況下。為解決這一問題，國外很早就展開了研究，對發(fā)動機和液壓泵采取功率匹配控制，目的是控制柴油機在各種負載功率條件下都工作在經濟工作區(qū)。到目前為止，幾乎所有的國外公司生產的中型挖掘機都配備了這一控制系統(tǒng)，如小松公司的PC系列挖掘機，日立建機的Ex系列挖掘機，卡特彼勒公司的挖掘機等。為進一步提高功率匹配控制效果，國內一些學者也做了大量的研究工作。這些技術曾經大幅度降低了液壓挖掘機的油耗，但由于挖掘機本身工作負載的特點，決定了在傳統(tǒng)的功率匹配技術下，難以進一步提高節(jié)能效果。目前，在這一領域，國內和國外差別已經不大，在二十噸級的液壓挖掘機上，國內普遍采用了電控泵和自國內主研發(fā)的節(jié)能控制器。但在小挖上，由于成本的限制還應用不多。 在傳統(tǒng)的功率匹配控制中，只有在最大負載功率下，柴油機與液壓泵的功率才能匹配得較好，使柴油機工作點位于經濟工作區(qū)。由于負載的劇烈波動，最大和最小負載功率是交替變化的，加到柴油機輸出軸上的扭矩也劇烈波動，使柴油機在小負載時工作點嚴重偏離經濟工作區(qū)，因此這種傳統(tǒng)的功率匹配是不完全的。另外，為滿足最大負載工況的要求，在工程機械的設計中必須按照工作過程中的峰值功率來選擇柴油機，因此柴油機功率普遍偏大，燃油經濟性較差。當選不到大功率柴油機時，很容易造成發(fā)動機過載，這在一些小挖上表現(xiàn)得非常明顯——柴油機經常過熱。 為解決這些問題，國外各著名工程機械生產廠家普遍將研究開發(fā)方向轉向了混合動力系統(tǒng)。2003年，日立建機推出了世界上第一臺輪式裝載機；2004年5月，小松公司則推出了世界上第一臺試驗型混合動力液壓挖掘機。隨后，神戶制鋼，卡特彼勒等公司也推出了自己的混合動力挖掘機。這些公司普遍采用的是油電混合的解決方案，借助蓄電池、超級電容等儲能元件，在小負載工況下由柴油機驅動發(fā)電機向儲能元件蓄能，在大負載工況下再將儲存的能量釋放出來驅動電機，作為輔助動力與柴油機一起滿足峰值負載功率的要求，或者用電機直接驅動液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)柴油機輸出功率和扭矩的均衡控制。這樣，就可以在設計中按照平均負載功率來選擇柴油機，用功率較小的柴油機來驅動大噸位挖掘機，而且柴油機的運行工況平穩(wěn)，始終處于高效運行狀態(tài)，因此能大幅提高燃油效率。油電混合動力的優(yōu)點是，不但能對內燃機輸出扭矩進行均衡控制，使內燃機工作點始終位于經濟工作區(qū)，而且可以利用電機控制技術，對每一個液壓缸都采用閉式傳動方案，從而取消了多路閥控制，徹底消除閥內的節(jié)流損失，同時可以對回轉動能、工作裝置的重力勢能等進行回收。小松、神鋼等公司采用的就是這種方案。這種方案的最大缺點是，由于能量轉換經歷了柴油機—發(fā)電機—蓄電池—電動機—液壓泵—液壓缸、液壓馬達等多個環(huán)節(jié)，每一個環(huán)節(jié)都存在能量損失，因此導致整個轉換過程中的能量損失較大，從而在一定程度上抵消了采用這種技術所能取得的節(jié)能效果。 這種系統(tǒng)的另一個缺點是，由于能量轉換環(huán)節(jié)多，導致系統(tǒng)趨于復雜，技術要求也相應提高，如電池壽命、電源轉換效率、重量、可靠性等，都有待進一步提高。此外，油電混合動力技術使挖掘機動力系統(tǒng)從結構上發(fā)生了根本變化，對整個挖掘機制造體系影響巨大，從而造成生產成本的上升。這些缺點無疑嚴重制約了油電混合動力技術在工程機械上的應用。 因為油電混合動力系統(tǒng)的缺點，一些公司將研發(fā)方向轉向液壓解決方案，如美國環(huán)境署支持研究的液壓混合動力裝置。在這種解決方案中，利用蓄能器作為儲能元件，采用靜壓傳動技術，用來驅動以行走、回轉等動作為主的行走設備，如汽車、裝載機、推土機等。這種解決方案適合于以液壓馬達為驅動裝置的設備，但對于以液壓缸驅動為主的設備如液壓挖掘機來講則不適用。 目前，國內在液壓挖掘機功率匹配節(jié)能控制方面的研究比較多，但大多數都集中在傳統(tǒng)的匹配控制方案，也有為數不多的單位在研究混合動力在工程機械方面的應用，主要研究內容限于油電混合動力技術方面。另外也有不少單位在研究液壓混合動力技術，但僅限于在汽車領域的應用，采用的仍然是靜壓傳動方案。 針對油電混合動力技術和靜壓傳動技術的缺點，浙江工業(yè)大學機電研究所和徐州瑞隆公司提出了一種新的液壓解決方案，利用現(xiàn)有的成熟技術和液壓元件，在不改變現(xiàn)有挖掘機液壓系統(tǒng)的基礎上，實現(xiàn)與油電混合技術相同的功能。 由于采用了液壓解決方案，避免了油電混合動力系統(tǒng)中由于能量的多次轉換所造成的效率損失，而且采用的是成熟的液壓元件和技術，因此能夠以低廉的成本大幅度降低挖掘機油耗。 在傳統(tǒng)的功率匹配控制中，只有在峰值功率條件下才柴油機才能工作在經濟工作區(qū)內，而在其他非峰值功率條件下，柴油機通常工作在效率較低的空載狀態(tài)。采用扭矩均衡控制后，能使柴油機始終穩(wěn)定地工作在經濟工作區(qū)內，實現(xiàn)真正意義上的功率匹配控制。 在本方案中，整個裝置獨立于挖掘機主液壓系統(tǒng)之外，基本上不改變當前液壓挖掘機動力系統(tǒng)的結構，對當前國內外液壓挖掘機的制造體系基本沒有影響，但挖掘機的節(jié)能性卻能大幅度提高。 六．CAN總線在工程機械中的應用和發(fā)展方向 CAN總線在汽車領域中得到了非常成功的應用，但目前在工程機械中的應用還非常有限。在汽車中，由于存在非常多的微處理器，每一個微處理器負責一個汽車子系統(tǒng)，如安全、穩(wěn)定、剎車、發(fā)動機控制、懸掛等，這些控制往往相互關聯(lián)，為節(jié)約布線成本而采用串行通訊的現(xiàn)場總線——CAN總線。但在液壓挖掘機中，目前遠沒有那么多的智能系統(tǒng)，因此產生不了采用CAN總線的需求動力。 但這并不意味著CAN總線在工程機械中就沒有前途。例如，在節(jié)省布線成本方面，可以在發(fā)動機和液壓系統(tǒng)旁邊設置一個數據采集器，負責采集挖掘機的工作參數，利用CAN總線傳遞到駕駛室的顯示儀表上；另外，隨著節(jié)能控制部件的發(fā)展，也可以將駕駛室內的操縱信號通過儀表和CAN總線對節(jié)能控制系統(tǒng)發(fā)出指令；第三，隨著液壓系統(tǒng)的發(fā)展，液壓泵、閥都在向著數字化發(fā)展，利用CAN總線則可以大量地節(jié)省布線成本。 七．總結 目前國內的挖掘機電器系統(tǒng)還有待發(fā)展，其中最重要的是要根據挖掘機實際應用的需求來設計電器系統(tǒng)。其中，研究挖掘機的節(jié)能控制處于非常關鍵的地位，決定了國內挖掘機今后的競爭力。盡管國外挖掘機節(jié)能控制已經發(fā)展到了非常成熟的地步，但并不意味著我們沒有一點機會，混合動力汽車的發(fā)展為我們挖掘機等工程機械的的節(jié)能提供了很好的借鑒，說明挖掘機節(jié)能還有很大的潛力可挖，樂觀估計的話應該還有50%的節(jié)能潛力。 第 9 頁 共 9 頁