液压挖掘机中的电控系统

作者：浙江工业大学 高峰

欢迎访问e展厅 展厅 1 挖掘机/推土机展厅 推土机, 履带挖掘机, 轮式挖掘机, 二手挖掘机, 小型挖掘机, ... 液压挖掘机作为一种重要的通用型工程机械，其销售量、保有量、发展速度始终处于整个工程机械行业的前列，其配套也越来越成为一个庞大的产业。电器系统作为液压挖掘机重要的配套产品中的一种，其性能和功能对液压挖掘机有着重大的影响。众所周知，由于电器系统在汽车领域中的重要地位，国内的汽车电器行业非常活跃，但与国外相比无论在产值上还是在技术水平上都有非常大的差距。同样，在工程机械领域，国内电器系统与国外相比也有一定的差距。但由于工程机械行业与汽车行业有很大的不同，汽车行业的技术到现在已经发展得非常成熟，功能结构非常复杂，决定了其电器系统的复杂性；而工程机械由于其功能的特殊性和专一性，与汽车领域大批量生产相比，决定了其电器系统目前只能走小批量、多品种的发展道路。总的来讲，工程机械电器系统毕竟与汽车电器系统有很大的相似之处，尤其是挖掘机、装载机等的电器系统，与汽车一样，都属于行走机械领域，因此尽管挖掘机电器系统有一定的特殊性，但还是可以从发展相对成熟的汽车电器领域借鉴到一些发展经验。本文将主要对挖掘机电器系统的功能、发展方向作出一定的阐述。 一．电器系统在挖掘机工作监测中的应用和发展趋势 电器系统在液压挖掘机中的监测作用都有目共睹，其主要组成部分就是显示仪表和各种传感器。目前，在显示仪表上，有着这样一种趋势，将尽可能多的挖掘机工作参数显示在仪表上，如燃油量、发动机水温、液压油温、机油压力、发动机转速等，显示仪表功能越来越多，越来越复杂。 实际上，挖掘机监测系统功能的不断完善是发展的必然趋势，但监测仪表的设计也是多方面因素综合的结果，包括基本功能的需要，用户心理的研究、维修服务的考虑等多方面因素。 在基本功能需求方面，实际上监测仪表显示最需要的功能是燃油量，另外还有工作时间，这也是在早期的挖掘机显示中最不可缺少的数量上的显示，其他的显示都以报警量的形式给出。限于当时的发展水平和成本考虑，这些报警量的具体值往往并不加以采集。但发展到今天，仪表显示技术得到了很大得发展，从机械式电动仪表发展到段式液晶显示和发光二极管显示，又发展到单色点阵式液晶显示，进而发展到目前流行的彩色液晶显示，加上电子技术和传感器技术的发展，使得过去这些报警量的数据采集和显示变得成本低廉，形成一种将所有工作数据的具体值都显示在仪表上的趋势。 但从工程学角度来讲，显示量的设置与司机的经验、习惯有很大关系。因为与仪表显示最相关的人是司机，他只需要知道与操作挖掘机工作最有关的量就可以了，显然这就是燃油量和工作时间。燃油量显示可以提醒司机何时加油以保证工作的连续性；工作时间的显示则有助于司机把握自己的工作量。对于有经验的司机来讲，发动机水温、燃油温度也是必不可少的，有助于司机调整自己的工作节奏，避免挖掘机长期工作在超负荷状态下，但这些量也可以以报警量的形式提醒司机；但对于没有经验的司机和用户来讲，则所显示的水温和油温有可能产生误解和歧义。 尽管报警量的数值没有必要在在仪表上显示，但并不意味着数值不重要，因为这些具体的数值对于专业维修人员和有经验的司机非常重要，可以用来判断挖掘机的工作状态和目前的液压系统、发动机系统的状况。由于这些数据只对专业人士有用，因此在正常工作时可以不必将具体数值显示在仪表上，使仪表显示更加简洁、直观。这些数据可以存储在仪表中，需要的时候调用出来，或者通过通讯接口读入到手持电脑或笔记本电脑中，或者通过无线通讯读入到用户的计算机中，以对挖掘机的工作状态进行专业评估，以便于维修、保养。 二．电器系统在挖掘机管理中的应用 随着无线通讯网络的发展，利用GSM网络或CDMA网络传递挖掘机工作信息成为一种潮流。由于手机网络具有距离远、实时性强的特点，可以通过短信的形式传递挖掘机的各种工作信息，如利用GPS系统的位置信息，工作时间信息，耗油量信息，发动机机油压力信息等，因此产生了以下几个方面的应用。 首先，有利于机主对挖掘机进行管理，因为可以利用手机或计算机实时监控工作时间、工作地点和燃油消耗量，准确计算挖掘机的实际工作量。 其次，有利于对挖掘机的维护和保养，因为可以通过短信形式获得挖掘机的各种工作参数，供专业人士评估。 第三，有利于生产厂家和经销商对按揭的监督。 第四，有利于生产厂家和经销商对挖掘机使用故障的评估，并能节约服务费用。 三．电器系统在挖掘机工作安全中的应用和发展方向 挖掘机作为一种工程机械，其工作环境经常处于危险之中，每年都有伤亡事故发生，其中绝大多数都是因为司机的不重视所引起，因此非常有必要利用传感器对周围环境的危险程度进行评估，以提醒司机注意危险。 造成事故的因素主要有：倾翻、回转误伤和误撞、塌方等。 对于倾翻，往往是由于挖掘机在斜坡上工作引起的，因此可以利用一个倾斜传感器来提醒司机工作的危险程度，并系好安全带。只这一项措施，就能避免很多伤亡事故的发生。 对于回转误撞，可以采取两种措施，第一是在挖掘机尾部安装声光报警装置，第二是在挖掘机尾部安装距离传感装置，并将距离传感装置与回转液压系统连接起来，在监测到有障碍物时切断液压动力或先导动力，时回转动作停止以避免事故。 对于塌方的危险，可以通过监测挖掘工作中掌子面的高度来实现，当监测到掌子面的高度过高时，就发出警报，提醒司机注意。 四．电器系统在挖掘机检测、维护和测试中的应用和发展方向 挖掘机在工作中的可靠性对于其工作效益有极大的影响。前面介绍过，可以将挖掘机的所有工作参数都用模拟传感器记录下来，一方面给司机报警，起到提醒的作用，另一方方面可以给专业人士进行评估，也可以触发系统进行自我维护操作，例如触发强制润滑系统进行动作。 另外，利用点阵式液晶显示，还可以为司机提供很多有益的提示，例如显示操作手册，到一定的工作时间后自动提示司机应当完成的维护工作等。 在挖掘机的开发过程中，有时也迫切需要了解很多挖掘机工作的参数，此时需要挖掘机电器系统能够支持这种功能，以完成液压系统、发动机系统中负载大小的检测和多路阀、液压马达、液压泵、液压缸等的工作参数的记录，以及在长期工作状态下这些参数的变化情况，以便对设计进行完整的评估，如操纵性、经济性、可靠性、节能性等。 五．电器系统在挖掘机节能控制中的应用和发展方向 同汽车电器一样，挖掘机电器系统中技术含量最高的部分在于其动力系统的控制——节能控制。 众所周知，挖掘机工作过程中存在各种功率损失，其中占主导地位的是液压系统内部损失和功率匹配损失。针对液压系统功率损失，国内外工程机械生产商开发了多种节能控制技术，较好地解决了这一问题。功率匹配损失是由于挖掘机工况复杂，负载变化剧烈，导致柴油机严重偏离经济工作区，造成燃油利用率不高，尤其是在高转速、小负载的情况下。为解决这一问题，国外很早就展开了研究，对发动机和液压泵采取功率匹配控制，目的是控制柴油机在各种负载功率条件下都工作在经济工作区。到目前为止，几乎所有的国外公司生产的中型挖掘机都配备了这一控制系统，如小松公司的PC系列挖掘机，日立建机的EX系列挖掘机，卡特彼勒公司的挖掘机等。为进一步提高功率匹配控制效果，国内一些学者也做了大量的研究工作。这些技术曾经大幅度降低了液压挖掘机的油耗，但由于挖掘机本身工作负载的特点，决定了在传统的功率匹配技术下，难以进一步提高节能效果。目前，在这一领域，国内和国外差别已经不大，在二十吨级的液压挖掘机上，国内普遍采用了电控泵和自国内主研发的节能控制器。但在小挖上，由于成本的限制还应用不多。 在传统的功率匹配控制中，只有在最大负载功率下，柴油机与液压泵的功率才能匹配得较好，使柴油机工作点位于经济工作区。由于负载的剧烈波动，最大和最小负载功率是交替变化的，加到柴油机输出轴上的扭矩也剧烈波动，使柴油机在小负载时工作点严重偏离经济工作区，因此这种传统的功率匹配是不完全的。另外，为满足最大负载工况的要求，在工程机械的设计中必须按照工作过程中的峰值功率来选择柴油机，因此柴油机功率普遍偏大，燃油经济性较差。当选不到大功率柴油机时，很容易造成发动机过载，这在一些小挖上表现得非常明显——柴油机经常过热。 为解决这些问题，国外各著名工程机械生产厂家普遍将研究开发方向转向了混合动力系统。2003年，日立建机推出了世界上第一台轮式装载机；2004年5月，小松公司则推出了世界上第一台试验型混合动力液压挖掘机。随后，神户制钢，卡特彼勒等公司也推出了自己的混合动力挖掘机。这些公司普遍采用的是油电混合的解决方案，借助蓄电池、超级电容等储能元件，在小负载工况下由柴油机驱动发电机向储能元件蓄能，在大负载工况下再将储存的能量释放出来驱动电机，作为辅助动力与柴油机一起满足峰值负载功率的要求，或者用电机直接驱动液压系统，实现柴油机输出功率和扭矩的均衡控制。这样，就可以在设计中按照平均负载功率来选择柴油机，用功率较小的柴油机来驱动大吨位挖掘机，而且柴油机的运行工况平稳，始终处于高效运行状态，因此能大幅提高燃油效率。 油电混合动力的优点是，不但能对内燃机输出扭矩进行均衡控制，使内燃机工作点始终位于经济工作区，而且可以利用电机控制技术，对每一个液压缸都采用闭式传动方案，从而取消了多路阀控制，彻底消除阀内的节流损失，同时可以对回转动能、工作装置的重力势能等进行回收。小松、神钢等公司采用的就是这种方案。这种方案的最大缺点是，由于能量转换经历了柴油机—发电机—蓄电池—电动机—液压泵—液压缸、液压马达等多个环节，每一个环节都存在能量损失，因此导致整个转换过程中的能量损失较大，从而在一定程度上抵消了采用这种技术所能取得的节能效果。 这种系统的另一个缺点是，由于能量转换环节多，导致系统趋于复杂，技术要求也相应提高，如电池寿命、电源转换效率、重量、可靠性等，都有待进一步提高。此外，油电混合动力技术使挖掘机动力系统从结构上发生了根本变化，对整个挖掘机制造体系影响巨大，从而造成生产成本的上升。这些缺点无疑严重制约了油电混合动力技术在工程机械上的应用。 因为油电混合动力系统的缺点，一些公司将研发方向转向液压解决方案，如美国环境署支持研究的液压混合动力装置。在这种解决方案中，利用蓄能器作为储能元件，采用静压传动技术，用来驱动以行走、回转等动作为主的行走设备，如汽车、装载机、推土机等。这种解决方案适合于以液压马达为驱动装置的设备，但对于以液压缸驱动为主的设备如液压挖掘机来讲则不适用。 目前，国内在液压挖掘机功率匹配节能控制方面的研究比较多，但大多数都集中在传统的匹配控制方案，也有为数不多的单位在研究混合动力在工程机械方面的应用，主要研究内容限于油电混合动力技术方面。另外也有不少单位在研究液压混合动力技术，但仅限于在汽车领域的应用，采用的仍然是静压传动方案。 针对油电混合动力技术和静压传动技术的缺点，浙江工业大学机电研究所和徐州瑞隆公司提出了一种新的液压解决方案，利用现有的成熟技术和液压元件，在不改变现有挖掘机液压系统的基础上，实现与油电混合技术相同的功能。 由于采用了液压解决方案，避免了油电混合动力系统中由于能量的多次转换所造成的效率损失，而且采用的是成熟的液压元件和技术，因此能够以低廉的成本大幅度降低挖掘机油耗。 在传统的功率匹配控制中，只有在峰值功率条件下才柴油机才能工作在经济工作区内，而在其他非峰值功率条件下，柴油机通常工作在效率较低的空载状态。采用扭矩均衡控制后，能使柴油机始终稳定地工作在经济工作区内，实现真正意义上的功率匹配控制。 在本方案中，整个装置独立于挖掘机主液压系统之外，基本上不改变当前液压挖掘机动力系统的结构，对当前国内外液压挖掘机的制造体系基本没有影响，但挖掘机的节能性却能大幅度提高。 六．CAN总线在工程机械中的应用和发展方向 CAN总线在汽车领域中得到了非常成功的应用，但目前在工程机械中的应用还非常有限。在汽车中，由于存在非常多的微处理器，每一个微处理器负责一个汽车子系统，如安全、稳定、刹车、发动机控制、悬挂等，这些控制往往相互关联，为节约布线成本而采用串行通讯的现场总线——CAN总线。但在液压挖掘机中，目前远没有那么多的智能系统，因此产生不了采用CAN总线的需求动力。 但这并不意味着CAN总线在工程机械中就没有前途。例如，在节省布线成本方面，可以在发动机和液压系统旁边设置一个数据采集器，负责采集挖掘机的工作参数，利用CAN总线传递到驾驶室的显示仪表上；另外，随着节能控制部件的发展，也可以将驾驶室内的操纵信号通过仪表和CAN总线对节能控制系统发出指令；第三，随着液压系统的发展，液压泵、阀都在向着数字化发展，利用CAN总线则可以大量地节省布线成本。 七．总结 目前国内的挖掘机电器系统还有待发展，其中最重要的是要根据挖掘机实际应用的需求来设计电器系统。其中，研究挖掘机的节能控制处于非常关键的地位，决定了国内挖掘机今后的竞争力。尽管国外挖掘机节能控制已经发展到了非常成熟的地步，但并不意味着我们没有一点机会，混合动力汽车的发展为我们挖掘机等工程机械的的节能提供了很好的借鉴，说明挖掘机节能还有很大的潜力可挖，乐观估计的话应该还有50%的节能潜力。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/3/2007)