液壓挖掘機中的電控系統(tǒng).doc
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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(chǎn)業(yè)。電器系統(tǒng)作為液壓挖掘機重要的配套產(chǎn)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(lǐng)域中的重要地位,國內(nèi)的汽車電器行業(yè)非?;钴S,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。總的來講,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(lǐng)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(lǐng)域借鑒到一些發(fā)展經(jīng)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(yīng)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(shù)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(zhuǎn)速等,顯示儀表功能越來越多,越來越復(fù)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(shè)計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(shù)量上的顯示,其他的顯示都以報警量的形式給出。限于當(dāng)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(shù)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(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展,使得過去這些報警量的數(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)置與司機的經(jīng)驗、習(xí)慣有很大關(guān)系。因為與儀表顯示最相關(guān)的人是司機,他只需要知道與操作挖掘機工作最有關(guān)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(jīng)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(diào)整自己的工作節(jié)奏,避免挖掘機長期工作在超負(fù)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(jīng)驗的司機和用戶來講,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,因為這些具體的數(shù)值對于專業(yè)維修人員和有經(jīng)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(shù)據(jù)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(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)可以存儲在儀表中,需要的時候調(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(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)傳遞挖掘機工作信息成為一種潮流。由于手機網(wǎng)絡(luò)具有距離遠(yuǎn)、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(chǎn)生了以下幾個方面的應(yīng)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(zhǔn)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(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)銷商對挖掘機使用故障的評估,并能節(jié)約服務(wù)費用。三.電器系統(tǒng)在挖掘機工作安全中的應(yīng)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(jīng)常處于危險之中,每年都有傷亡事故發(fā)生,其中絕大多數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)動力,時回轉(zhuǎn)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(dāng)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(yīng)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(shù)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(yīng)當(dāng)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(shù),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(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)計進行完整的評估,如操縱性、經(jīng)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(yīng)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(shù)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(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工況復(fù)雜,負(fù)載變化劇烈,導(dǎo)致柴油機嚴(yán)重偏離經(jīng)濟工作區(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(fù)載功率條件下都工作在經(jīng)濟工作區(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(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的油耗,但由于挖掘機本身工作負(fù)載的特點,決定了在傳統(tǒng)的功率匹配技術(shù)下,難以進一步提高節(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,柴油機與液壓泵的功率才能匹配得較好,使柴油機工作點位于經(jīng)濟工作區(qū)。由于負(fù)載的劇烈波動,最大和最小負(fù)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(fù)載時工作點嚴(yán)重偏離經(jīng)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(fù)載工況的要求,在工程機械的設(shè)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(jīng)濟性較差。當(dāng)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(jīng)常過熱。 為解決這些問題,國外各著名工程機械生產(chǎn)廠家普遍將研究開發(fā)方向轉(zhuǎn)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(fù)載工況下由柴油機驅(qū)動發(fā)電機向儲能元件蓄能,在大負(fù)載工況下再將儲存的能量釋放出來驅(qū)動電機,作為輔助動力與柴油機一起滿足峰值負(fù)載功率的要求,或者用電機直接驅(qū)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(shè)計中按照平均負(fù)載功率來選擇柴油機,用功率較小的柴油機來驅(qū)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(nèi)燃機輸出扭矩進行均衡控制,使內(nèi)燃機工作點始終位于經(jīng)濟工作區(qū),而且可以利用電機控制技術(shù),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(nèi)的節(jié)流損失,同時可以對回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換經(jīng)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(dá)等多個環(huán)節(jié),每一個環(huán)節(jié)都存在能量損失,因此導(dǎo)致整個轉(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)的另一個缺點是,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,都有待進一步提高。此外,油電混合動力技術(shù)使挖掘機動力系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)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(chǎn)成本的上升。這些缺點無疑嚴(yán)重制約了油電混合動力技術(shù)在工程機械上的應(yīng)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(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(shù),用來驅(qū)動以行走、回轉(zhuǎn)等動作為主的行走設(shè)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(dá)為驅(qū)動裝置的設(shè)備,但對于以液壓缸驅(qū)動為主的設(shè)備如液壓挖掘機來講則不適用。 目前,國內(nèi)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(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力在工程機械方面的應(yīng)用,主要研究內(nèi)容限于油電混合動力技術(shù)方面。另外也有不少單位在研究液壓混合動力技術(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方案。 針對油電混合動力技術(shù)和靜壓傳動技術(shù)的缺點,浙江工業(yè)大學(xué)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(shù)和液壓元件,在不改變現(xiàn)有挖掘機液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,實現(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(jīng)濟工作區(qū)內(nèi),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(jīng)濟工作區(qū)內(nèi),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(dāng)前液壓挖掘機動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),對當(dāng)前國內(nèi)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(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,每一個微處理器負(fù)責(zé)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(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(shè)置一個數(shù)據(jù)采集器,負(fù)責(zé)采集挖掘機的工作參數(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)挖掘機實際應(yīng)用的需求來設(shè)計電器系統(tǒng)。其中,研究挖掘機的節(jié)能控制處于非常關(guān)鍵的地位,決定了國內(nèi)挖掘機今后的競爭力。盡管國外挖掘機節(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(yīng)該還有50%的節(jié)能潛力。 第 9 頁 共 9 頁- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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