液壓挖掘機(jī)中的電控系統(tǒng).doc

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液壓挖掘機(jī)中的電控系統(tǒng) 液壓挖掘機(jī)作為一種重要的通用型工程機(jī)械，其銷售量、保有量、發(fā)展速度始終處于整個(gè)工程機(jī)械行業(yè)的前列，其配套也越來越成為一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)。電器系統(tǒng)作為液壓挖掘機(jī)重要的配套產(chǎn)品中的一種，其性能和功能對液壓挖掘機(jī)有著重大的影響。眾所周知，由于電器系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域中的重要地位，國內(nèi)的汽車電器行業(yè)非常活躍，但與國外相比無論在產(chǎn)值上還是在技術(shù)水平上都有非常大的差距。同樣，在工程機(jī)械領(lǐng)域，國內(nèi)電器系統(tǒng)與國外相比也有一定的差距。但由于工程機(jī)械行業(yè)與汽車行業(yè)有很大的不同，汽車行業(yè)的技術(shù)到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，功能結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，決定了其電器系統(tǒng)的復(fù)雜性；而工程機(jī)械由于其功能的特殊性和專一性，與汽車領(lǐng)域大批量生產(chǎn)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(jī)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(jī)、裝載機(jī)等的電器系統(tǒng)，與汽車一樣，都屬于行走機(jī)械領(lǐng)域，因此盡管挖掘機(jī)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(lǐng)域借鑒到一些發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。本文將主要對挖掘機(jī)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(jī)工作監(jiān)測中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢 電器系統(tǒng)在液壓挖掘機(jī)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(jī)工作參數(shù)顯示在儀表上，如燃油量、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、液壓油溫、機(jī)油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等，顯示儀表功能越來越多，越來越復(fù)雜。 實(shí)際上，挖掘機(jī)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(shè)計(jì)也是多方面因素綜合的結(jié)果，包括基本功能的需要，用戶心理的研究、維修服務(wù)的考慮等多方面因素。 在基本功能需求方面，實(shí)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(shí)間，這也是在早期的挖掘機(jī)顯示中最不可缺少的數(shù)量上的顯示，其他的顯示都以報(bào)警量的形式給出。限于當(dāng)時(shí)的發(fā)展水平和成本考慮，這些報(bào)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(shù)得到了很大得發(fā)展，從機(jī)械式電動(dòng)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(diǎn)陣式液晶顯示，進(jìn)而發(fā)展到目前流行的彩色液晶顯示，加上電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得過去這些報(bào)警量的數(shù)據(jù)采集和顯示變得成本低廉，形成一種將所有工作數(shù)據(jù)的具體值都顯示在儀表上的趨勢。 但從工程學(xué)角度來講，顯示量的設(shè)置與司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)、習(xí)慣有很大關(guān)系。因?yàn)榕c儀表顯示最相關(guān)的人是司機(jī)，他只需要知道與操作挖掘機(jī)工作最有關(guān)的量就可以了，顯然這就是燃油量和工作時(shí)間。燃油量顯示可以提醒司機(jī)何時(shí)加油以保證工作的連續(xù)性；工作時(shí)間的顯示則有助于司機(jī)把握自己的工作量。對于有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)來講，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、燃油溫度也是必不可少的，有助于司機(jī)調(diào)整自己的工作節(jié)奏，避免挖掘機(jī)長期工作在超負(fù)荷狀態(tài)下，但這些量也可以以報(bào)警量的形式提醒司機(jī)；但對于沒有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)和用戶來講，則所顯示的水溫和油溫有可能產(chǎn)生誤解和歧義。 盡管報(bào)警量的數(shù)值沒有必要在在儀表上顯示，但并不意味著數(shù)值不重要，因?yàn)檫@些具體的數(shù)值對于專業(yè)維修人員和有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)非常重要，可以用來判斷挖掘機(jī)的工作狀態(tài)和目前的液壓系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的狀況。由于這些數(shù)據(jù)只對專業(yè)人士有用，因此在正常工作時(shí)可以不必將具體數(shù)值顯示在儀表上，使儀表顯示更加簡潔、直觀。這些數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在儀表中，需要的時(shí)候調(diào)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(jì)算機(jī)中，以對挖掘機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行專業(yè)評估，以便于維修、保養(yǎng)。 二．電器系統(tǒng)在挖掘機(jī)管理中的應(yīng)用 隨著無線通訊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，利用GSM網(wǎng)絡(luò)或CDMA網(wǎng)絡(luò)傳遞挖掘機(jī)工作信息成為一種潮流。由于手機(jī)網(wǎng)絡(luò)具有距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以通過短信的形式傳遞挖掘機(jī)的各種工作信息，如利用GPS系統(tǒng)的位置信息，工作時(shí)間信息，耗油量信息，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力信息等，因此產(chǎn)生了以下幾個(gè)方面的應(yīng)用。 首先，有利于機(jī)主對挖掘機(jī)進(jìn)行管理，因?yàn)榭梢岳檬謾C(jī)或計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控工作時(shí)間、工作地點(diǎn)和燃油消耗量，準(zhǔn)確計(jì)算挖掘機(jī)的實(shí)際工作量。 其次，有利于對挖掘機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)，因?yàn)榭梢酝ㄟ^短信形式獲得挖掘機(jī)的各種工作參數(shù)，供專業(yè)人士評估。 第三，有利于生產(chǎn)廠家和經(jīng)銷商對按揭的監(jiān)督。 第四，有利于生產(chǎn)廠家和經(jīng)銷商對挖掘機(jī)使用故障的評估，并能節(jié)約服務(wù)費(fèi)用。三．電器系統(tǒng)在挖掘機(jī)工作安全中的應(yīng)用和發(fā)展方向 挖掘機(jī)作為一種工程機(jī)械，其工作環(huán)境經(jīng)常處于危險(xiǎn)之中，每年都有傷亡事故發(fā)生，其中絕大多數(shù)都是因?yàn)樗緳C(jī)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(xiǎn)程度進(jìn)行評估，以提醒司機(jī)注意危險(xiǎn)。 造成事故的因素主要有：傾翻、回轉(zhuǎn)誤傷和誤撞、塌方等。 對于傾翻，往往是由于挖掘機(jī)在斜坡上工作引起的，因此可以利用一個(gè)傾斜傳感器來提醒司機(jī)工作的危險(xiǎn)程度，并系好安全帶。只這一項(xiàng)措施，就能避免很多傷亡事故的發(fā)生。 對于回轉(zhuǎn)誤撞，可以采取兩種措施，第一是在挖掘機(jī)尾部安裝聲光報(bào)警裝置，第二是在挖掘機(jī)尾部安裝距離傳感裝置，并將距離傳感裝置與回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)連接起來，在監(jiān)測到有障礙物時(shí)切斷液壓動(dòng)力或先導(dǎo)動(dòng)力，時(shí)回轉(zhuǎn)動(dòng)作停止以避免事故。 對于塌方的危險(xiǎn)，可以通過監(jiān)測挖掘工作中掌子面的高度來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)監(jiān)測到掌子面的高度過高時(shí)，就發(fā)出警報(bào)，提醒司機(jī)注意。 四．電器系統(tǒng)在挖掘機(jī)檢測、維護(hù)和測試中的應(yīng)用和發(fā)展方向 挖掘機(jī)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(jī)的所有工作參數(shù)都用模擬傳感器記錄下來，一方面給司機(jī)報(bào)警，起到提醒的作用，另一方方面可以給專業(yè)人士進(jìn)行評估，也可以觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行自我維護(hù)操作，例如觸發(fā)強(qiáng)制潤滑系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)作。 另外，利用點(diǎn)陣式液晶顯示，還可以為司機(jī)提供很多有益的提示，例如顯示操作手冊，到一定的工作時(shí)間后自動(dòng)提示司機(jī)應(yīng)當(dāng)完成的維護(hù)工作等。 在挖掘機(jī)的開發(fā)過程中，有時(shí)也迫切需要了解很多挖掘機(jī)工作的參數(shù)，此時(shí)需要挖掘機(jī)電器系統(tǒng)能夠支持這種功能，以完成液壓系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中負(fù)載大小的檢測和多路閥、液壓馬達(dá)、液壓泵、液壓缸等的工作參數(shù)的記錄，以及在長期工作狀態(tài)下這些參數(shù)的變化情況，以便對設(shè)計(jì)進(jìn)行完整的評估，如操縱性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、節(jié)能性等。 五．電器系統(tǒng)在挖掘機(jī)節(jié)能控制中的應(yīng)用和發(fā)展方向 同汽車電器一樣，挖掘機(jī)電器系統(tǒng)中技術(shù)含量最高的部分在于其動(dòng)力系統(tǒng)的控制——節(jié)能控制。 眾所周知，挖掘機(jī)工作過程中存在各種功率損失，其中占主導(dǎo)地位的是液壓系統(tǒng)內(nèi)部損失和功率匹配損失。針對液壓系統(tǒng)功率損失，國內(nèi)外工程機(jī)械生產(chǎn)商開發(fā)了多種節(jié)能控制技術(shù)，較好地解決了這一問題。功率匹配損失是由于挖掘機(jī)工況復(fù)雜，負(fù)載變化劇烈，導(dǎo)致柴油機(jī)嚴(yán)重偏離經(jīng)濟(jì)工作區(qū)，造成燃油利用率不高，尤其是在高轉(zhuǎn)速、小負(fù)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(dòng)機(jī)和液壓泵采取功率匹配控制，目的是控制柴油機(jī)在各種負(fù)載功率條件下都工作在經(jīng)濟(jì)工作區(qū)。到目前為止，幾乎所有的國外公司生產(chǎn)的中型挖掘機(jī)都配備了這一控制系統(tǒng)，如小松公司的PC系列挖掘機(jī)，日立建機(jī)的Ex系列挖掘機(jī)，卡特彼勒公司的挖掘機(jī)等。為進(jìn)一步提高功率匹配控制效果，國內(nèi)一些學(xué)者也做了大量的研究工作。這些技術(shù)曾經(jīng)大幅度降低了液壓挖掘機(jī)的油耗，但由于挖掘機(jī)本身工作負(fù)載的特點(diǎn)，決定了在傳統(tǒng)的功率匹配技術(shù)下，難以進(jìn)一步提高節(jié)能效果。目前，在這一領(lǐng)域，國內(nèi)和國外差別已經(jīng)不大，在二十噸級的液壓挖掘機(jī)上，國內(nèi)普遍采用了電控泵和自國內(nèi)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(yīng)用不多。 在傳統(tǒng)的功率匹配控制中，只有在最大負(fù)載功率下，柴油機(jī)與液壓泵的功率才能匹配得較好，使柴油機(jī)工作點(diǎn)位于經(jīng)濟(jì)工作區(qū)。由于負(fù)載的劇烈波動(dòng)，最大和最小負(fù)載功率是交替變化的，加到柴油機(jī)輸出軸上的扭矩也劇烈波動(dòng)，使柴油機(jī)在小負(fù)載時(shí)工作點(diǎn)嚴(yán)重偏離經(jīng)濟(jì)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(fù)載工況的要求，在工程機(jī)械的設(shè)計(jì)中必須按照工作過程中的峰值功率來選擇柴油機(jī)，因此柴油機(jī)功率普遍偏大，燃油經(jīng)濟(jì)性較差。當(dāng)選不到大功率柴油機(jī)時(shí)，很容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)過載，這在一些小挖上表現(xiàn)得非常明顯——柴油機(jī)經(jīng)常過熱。 為解決這些問題，國外各著名工程機(jī)械生產(chǎn)廠家普遍將研究開發(fā)方向轉(zhuǎn)向了混合動(dòng)力系統(tǒng)。2003年，日立建機(jī)推出了世界上第一臺(tái)輪式裝載機(jī)；2004年5月，小松公司則推出了世界上第一臺(tái)試驗(yàn)型混合動(dòng)力液壓挖掘機(jī)。隨后，神戶制鋼，卡特彼勒等公司也推出了自己的混合動(dòng)力挖掘機(jī)。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(chǔ)能元件，在小負(fù)載工況下由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)向儲(chǔ)能元件蓄能，在大負(fù)載工況下再將儲(chǔ)存的能量釋放出來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，作為輔助動(dòng)力與柴油機(jī)一起滿足峰值負(fù)載功率的要求，或者用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)輸出功率和扭矩的均衡控制。這樣，就可以在設(shè)計(jì)中按照平均負(fù)載功率來選擇柴油機(jī)，用功率較小的柴油機(jī)來驅(qū)動(dòng)大噸位挖掘機(jī)，而且柴油機(jī)的運(yùn)行工況平穩(wěn)，始終處于高效運(yùn)行狀態(tài)，因此能大幅提高燃油效率。油電混合動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)是，不但能對內(nèi)燃機(jī)輸出扭矩進(jìn)行均衡控制，使內(nèi)燃機(jī)工作點(diǎn)始終位于經(jīng)濟(jì)工作區(qū)，而且可以利用電機(jī)控制技術(shù)，對每一個(gè)液壓缸都采用閉式傳動(dòng)方案，從而取消了多路閥控制，徹底消除閥內(nèi)的節(jié)流損失，同時(shí)可以對回轉(zhuǎn)動(dòng)能、工作裝置的重力勢能等進(jìn)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(diǎn)是，由于能量轉(zhuǎn)換經(jīng)歷了柴油機(jī)—發(fā)電機(jī)—蓄電池—電動(dòng)機(jī)—液壓泵—液壓缸、液壓馬達(dá)等多個(gè)環(huán)節(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都存在能量損失，因此導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)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(shù)所能取得的節(jié)能效果。 這種系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，由于能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，導(dǎo)致系統(tǒng)趨于復(fù)雜，技術(shù)要求也相應(yīng)提高，如電池壽命、電源轉(zhuǎn)換效率、重量、可靠性等，都有待進(jìn)一步提高。此外，油電混合動(dòng)力技術(shù)使挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上發(fā)生了根本變化，對整個(gè)挖掘機(jī)制造體系影響巨大，從而造成生產(chǎn)成本的上升。這些缺點(diǎn)無疑嚴(yán)重制約了油電混合動(dòng)力技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用。 因?yàn)橛碗娀旌蟿?dòng)力系統(tǒng)的缺點(diǎn)，一些公司將研發(fā)方向轉(zhuǎn)向液壓解決方案，如美國環(huán)境署支持研究的液壓混合動(dòng)力裝置。在這種解決方案中，利用蓄能器作為儲(chǔ)能元件，采用靜壓傳動(dòng)技術(shù)，用來驅(qū)動(dòng)以行走、回轉(zhuǎn)等動(dòng)作為主的行走設(shè)備，如汽車、裝載機(jī)、推土機(jī)等。這種解決方案適合于以液壓馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)備，但對于以液壓缸驅(qū)動(dòng)為主的設(shè)備如液壓挖掘機(jī)來講則不適用。 目前，國內(nèi)在液壓挖掘機(jī)功率匹配節(jié)能控制方面的研究比較多，但大多數(shù)都集中在傳統(tǒng)的匹配控制方案，也有為數(shù)不多的單位在研究混合動(dòng)力在工程機(jī)械方面的應(yīng)用，主要研究內(nèi)容限于油電混合動(dòng)力技術(shù)方面。另外也有不少單位在研究液壓混合動(dòng)力技術(shù)，但僅限于在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，采用的仍然是靜壓傳動(dòng)方案。 針對油電混合動(dòng)力技術(shù)和靜壓傳動(dòng)技術(shù)的缺點(diǎn)，浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)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(shù)和液壓元件，在不改變現(xiàn)有挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)與油電混合技術(shù)相同的功能。 由于采用了液壓解決方案，避免了油電混合動(dòng)力系統(tǒng)中由于能量的多次轉(zhuǎn)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(shù)，因此能夠以低廉的成本大幅度降低挖掘機(jī)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(jī)才能工作在經(jīng)濟(jì)工作區(qū)內(nèi)，而在其他非峰值功率條件下，柴油機(jī)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(jī)始終穩(wěn)定地工作在經(jīng)濟(jì)工作區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的功率匹配控制。 在本方案中，整個(gè)裝置獨(dú)立于挖掘機(jī)主液壓系統(tǒng)之外，基本上不改變當(dāng)前液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對當(dāng)前國內(nèi)外液壓挖掘機(jī)的制造體系基本沒有影響，但挖掘機(jī)的節(jié)能性卻能大幅度提高。 六．CAN總線在工程機(jī)械中的應(yīng)用和發(fā)展方向 CAN總線在汽車領(lǐng)域中得到了非常成功的應(yīng)用，但目前在工程機(jī)械中的應(yīng)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(gè)微處理器負(fù)責(zé)一個(gè)汽車子系統(tǒng)，如安全、穩(wěn)定、剎車、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、懸掛等，這些控制往往相互關(guān)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(jī)中，目前遠(yuǎn)沒有那么多的智能系統(tǒng)，因此產(chǎn)生不了采用CAN總線的需求動(dòng)力。 但這并不意味著CAN總線在工程機(jī)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(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)旁邊設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，負(fù)責(zé)采集挖掘機(jī)的工作參數(shù)，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(nèi)的操縱信號(hào)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(shù)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(jié) 目前國內(nèi)的挖掘機(jī)電器系統(tǒng)還有待發(fā)展，其中最重要的是要根據(jù)挖掘機(jī)實(shí)際應(yīng)用的需求來設(shè)計(jì)電器系統(tǒng)。其中，研究挖掘機(jī)的節(jié)能控制處于非常關(guān)鍵的地位，決定了國內(nèi)挖掘機(jī)今后的競爭力。盡管國外挖掘機(jī)節(jié)能控制已經(jīng)發(fā)展到了非常成熟的地步，但并不意味著我們沒有一點(diǎn)機(jī)會(huì)，混合動(dòng)力汽車的發(fā)展為我們挖掘機(jī)等工程機(jī)械的的節(jié)能提供了很好的借鑒，說明挖掘機(jī)節(jié)能還有很大的潛力可挖，樂觀估計(jì)的話應(yīng)該還有50%的節(jié)能潛力。 第 9 頁 共 9 頁