1、液壓挖掘機中的電控系統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、發展速度始終處于整個工程機械行業的前列，其配套也越來越成為一個龐大的產業。電器系統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，由于電器系統在汽車領域中的重要地位，國內的汽車電器行業非常活躍，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，國內電器系統與國外相比也有一定的差距。但由于工程機械行業與汽車行業有很大的不同，汽車行業的技術到現在已經發展得非常成熟，功能結構非常復雜， 決定了其電器系統的復雜性；而工程機械由于其功能的特殊性和專一性，

2、與汽車領域大批量生產相比，決定了其電器系統目前只能走小批量、多品種的發展道路。總的來講，工程機械電器系統畢竟與汽車電器系統有很大的相似之處，尤其是挖掘機、裝載機等的電器系統，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有一定的特殊性，但還是可以從發展相對成熟的汽車電器領域借鑒到一些發展經驗。 本文將主要對挖掘機電器系統的功能、發展方向作出一定的闡述。一.電器系統在挖掘機工作監測中的應用和發展趨勢電器系統在液壓挖掘機中的監測作用都有目共睹，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、發動機水溫、液壓油

3、溫、機油壓力、發動機轉速等，顯示儀表功能越來越 多，越來越復雜。實際上，挖掘機監測系統功能的不斷完善是發展的必然趨勢，但監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。但發展到今天，儀表顯示技術得到了很大得發展，從機械式電動儀表發展到段式液晶顯示和發光二極管顯示，又發展到單色點陣式液晶顯示， 進而發展到目前

4、流行的彩色液晶顯示，加上電子技術和傳感器技術的發展，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奏，避免挖掘機長期工作在超負荷狀態下，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

5、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， 的數值對于專業維修人員和有經驗的司機非常重要,但并不意味著數值不重要，因為這些具體可以用來判斷挖掘機的工作狀態和目前的液壓系統、發動機系統的狀況。由于這些數據只對專業人士有用，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進行專業評估，以便于維修、保養。二.電器系統在挖掘機管理中的應用隨著無線通訊網絡的發展，利用GSM網絡

6、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系統的位置信息，工作時間信息，耗油量信息，發動機機油壓力 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，因為可以通過短信形式獲得挖掘機的各種工作參 數，供專業人士評估。第三，有利于生產廠家和經銷商對按揭的監督第四，有利于生產廠家和經銷商對挖掘機使用故障的評估，并能節約服務費用。三.電器系統在挖掘機工

7、作安全中的應用和發展方向挖掘機作為一種工程機械， 其工作環境經常處于危險之中，每年都有傷亡事故發生， 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連接起來， 在監測到有障 礙物時切斷

8、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，可以通過監測挖掘工作中掌子面的高度來實現，當監測到掌子面的高度過高時，就發出警報，提醒司機注意。四.電器系統在挖掘機檢測、維護和測試中的應用和發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人士進行評估，也可以觸發系統進行自我維護操作，例如觸發強制潤滑系統進行動作。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。在挖掘機的開發過

9、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能夠支持這種功能，以完成液壓系統、發動機系統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、節能性等。同汽車電器一樣，挖掘機電器系統中技術含量最高的部分在于其動力系統的控制一一節能控制。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內部損失和功率匹配損失。針對液壓系統功率損失，國內外工程機械生產商開發了多種節能控制技 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

10、，導致柴 油機嚴重偏離經濟工作區，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。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，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，決定了在傳統的功率匹配技術下，難以進一步提高節能效果。目前，在這一領域， 國內和國外差別已經不大，

11、 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 研發的節能控制器。但在小挖上，由于成本的限制還應用不多。在傳統的功率匹配控制中， 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。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，因此這種傳統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， 很容易造成發動機過載， 這在一些小挖上

12、表現得 非常明顯一一柴油機經常過熱。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方向轉向了混合動力系 統。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，實現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

13、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，始終處于高效運行狀態，因此能大幅提高燃油效率。油電混合動力的優點是， 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，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 一發電機一蓄電池一電動機一液壓泵一液壓缸、液壓馬達等多個環節， 每一 個環節都存在能量損失， 因此導致整個轉換過程中的能量損

14、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能效果。這種系統的另一個缺點是，由于能量轉換環節多， 導致系統趨于復雜， 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從結構上發生了根本變化，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的缺點，一些公司將研發方向轉向液壓解決方案，如美國環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、

15、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能控制方面的研究比較多，但大多數都集中在傳統的匹配控制方案，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，利用現有的成熟技術和液壓元件，在不改變現有挖掘機液壓系統的基礎上，實現與油電混合技術相同的功能

16、。由于采用了液壓解決方案， 避免了油電混合動力系統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。采用扭矩均衡控制后，能使柴油機始終穩定地工作在經濟工作區內，實現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之外， 基本上不改變當前液壓挖掘機動 力系統的結構，對當前國內外液壓挖掘機的制造體系基本沒有影響，但挖掘機的節能性卻能大幅度提高。六.CAN總線在工程機械中的應

17、用和發展方向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，如安全、穩定、剎車、發動機控制、懸掛等，這些控制往往相互關聯，為節約布線成本而采用串行通 訊的現場總線一一CAN總線。但在液壓挖掘機中，目前遠沒有那么多的智能系統，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，在節省布線成本方面，可 以在發動機和液壓系統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，隨著節能控制部件的發展，也可以將駕駛室內的操縱信號通