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。*，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zui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zui*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zui相關(guān)的人是司機，他只需要知道與操作挖掘機工作zui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*的，有助于司機調(diào)整自己的工作節(jié)奏，避免挖掘機*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(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。
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、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，*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*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(shù)的記錄，以及在*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zui高的部分在于其動力系統(tǒng)的控制——節(jié)能控制。
*，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，負載變化劇烈，導(dǎo)致柴油機嚴重偏離經(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(jīng)濟工作區(qū)。
在傳統(tǒng)的功率匹配控制中，只有在zui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(jīng)濟工作區(qū)。由于負載的劇烈波動，zui大和zui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(jīng)濟工作區(qū)，因此這種傳統(tǒng)的功率匹配是不*的。另外，為滿足zui大負載工況的要求，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*臺輪式裝載機；2004年5月，小松公司則推出了世界上*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(qū)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(qū)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(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，*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zui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。
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，基本上不改變當前液壓挖掘機動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對當前國內(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。
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zui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。