解析机电一体化技术在挖掘机中的应用

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解析机电一体化技术在挖掘机中的应用

　　1 普遍采用电子节能技术的大中型液压挖掘机

　　美国市场在发动机排放上的要求非常严格，要求符合Tire 3标准的发动机才能在其国内市场上销售。所以进入美国市场的挖掘机多数都采用了高排放标准的发动机，尤其是中大型挖掘机，电喷发动机已经成为标准配置，该种发动机无论在可控性还是节能方面都较机械式发动机有很大的改善。

　　2 采用自动怠速功能的小型液压挖掘机

　　对比上面所提到的大中型液压挖掘机普遍采用电喷发动机的现状，由于成本问题，在10吨以下的小型挖掘机上，机械发动机还是被广泛采用;因此，在其节能方面，国外的挖掘机公司采用了不同的技术。

　　JCB小型挖掘机上采用的一种电控的油门执行机构，驱动器采用了一种液压缸，在结构上采用角度传感器实时反馈油门的位置，另外配合连接到液压缸上的一个电磁阀实现电子油门及自动怠速功能。

　　NewHolland小挖的自动怠速系统，其油门仍采用机械拉杆(软轴)的形式，只是设计了一个自动怠速结构，当系统监测到需要自动怠速的时候，电磁铁吸合，机构动作，发动机回到怠速状态。

　　3 采用电液比例控制技术的液压挖掘机

　　该类型产品是指在普通的液压先导式操作挖掘机的基础上，采用电液比例技术控制挖掘机，相应的运用电比例手柄取代液压先导手柄。其基本原理是采集电手柄的动作信号，利用控制器进行运算，输出相应的PWM值控制比例阀。结合布置于机器上的传感器，还可以实现某些自动或者半自动功能。现场展出的比较典型的电控挖掘机有：

　　(1)Leica公司研发的挖掘机工作平台，该平台是Leica公司为演示其电控挖掘机控制技术专门定制的，既采用电液比例技术，同时具有辅助挖掘操作装置，通过安装在平台上的显示屏及工作装置上的倾角传感器，可以实时的显示铲斗的轨迹。

　　(2)山河智能的SWEL55型挖掘装载机，该机型不同与平常的两头忙，其工作装置位于一端，从挖掘机切换成装载机时，只需将工作装置折叠即可完成，反之亦然。为了便于工作装置的模式转换，该机器采用了全电控技术，通过控制器可以轻松完成模式的转换及电手柄在不同模式下的不同功能。

　　(3)Doosan的主从式挖掘机，控制原理为：属于一种主从方式的控制形式，通过手指，手腕，大臂对应控制铲斗，斗杆与动臂;小臂的左右偏转来控制挖掘机的回转。在操作过程中，当操作者(主控制方)的相应关节动作后，计算机采集到该信号，并与安装在挖掘机(从控制方)上的角度传感器的信号进行比较，如果存在偏差;发出遥控信号控制挖掘机消除偏差，从而达到控制挖掘机的目的。其原理还是点到点控制，因此，在同步性上存在误差。

　　(4)采用Husco技术的液压挖掘机，其工作原理为：动臂和回转仍采用常用的液压先导式主阀，在系统中装有能量回收机构，回收动臂下降的能量，并储存起来，供给其他的工作装置;斗杆与铲斗采用特殊的电控阀，而且该阀分别布置在靠近工作装置液压缸的位置，而不是传统的所有主阀布置在一起的方式，该电控阀由四个插装阀构成，对阀的A口和B口分别进行控制;而不同于常用的单阀芯的形式;具研究者声称：采用该项技术后，挖掘机可以节能25%。

　　4 应用于液压挖掘机上的各种监控技术

　　为了方便操作手查看机器的重要参数，实时的了解整机的状态;仪表技术已经广泛的应用到液压挖掘机中，只是出于成本的考虑，不同吨位的挖掘机采用不同层次的仪表。一般说来，10吨以下的小型履带式挖掘机多采用机械式仪表或者黑白液晶显示屏。

　　在挖掘机上，尤其是20吨以上的挖掘机，高品质液晶彩色显示屏的采用，在国内外都得到广泛的认可。现以展会现场两款比较精美的仪表加以分析：Trimble公司为挖掘机开发的CB430型仪表，Komastu中挖仪表。其中Trimble以动画的形式实时显示挖掘机的运动轨迹，并提供坐标。显示屏的按钮可以提供视角的切换。Komastu的仪表界面分为两部分：一部分显示整机的工作参数，另外还可以单屏和双屏的形式显示车体尾部安装的摄像头采集到的图像。两套操作仪表整体效果好，显示/监控系统界面直观，简洁;标识准确，易懂，便于进行操作。在仪表方面，国内厂家都均已采用;但国外产品仪表的高品质性，值得国内的挖掘机生产厂家学习。

　　5 GPS技术在液压挖掘机上的应用

　　(1)用于远程维护、信息管理的GPS技术。

　　该类技术的定位精度不高，一般为米级。主要利用GPS控制器采集远程维护所需的信号上传到服务器中，通过Internet可以查看机器的状态(通过采集传感器信息)，历史工作记录等。现场JohnDeere、Hitachi、Hyandai、CAT、Komastu等纷纷展出自己的该项技术，其中JohnDeere更是可以现场操作，如图16所示。Hitachi展出了其GPS系统的构成，如图17所示。国内很多的工程机械主机厂家也采用了该项技术，但是目前多数厂家的GPS系统不够强大，需进一步完善。

　　(2)高精度GPS系统的应用。

　　该系统利用GPS差分技术，结合激光、全站仪、超声波及多传感器技术，通过软件界面的设计，可以在系统的虚拟仪表中提供施工工地的三维图形、机器的三维坐标等信息;而且精度可以达到厘米级。该项技术在大型的施工现场，尤其是多种机型的工程机械进行集群作业时;能够显示其优势，有利于施工管理方进行有序调度，提高集群的工作效率。

　　纵观近三年来的三次展会，在该技术方面，做的'比较领先的几家企业分别为：Trimble、Topcon及Leica。这三家企业除了自己的展位之外，还专门布置了具有相当规模的产品应用展示区，所展示的产品无论从数量还是品种都远多于上两次展会。其中Trimble的用户主要为：CAT、Komastu，Topcon;的主要用户为：CAT、JohnDeere及Volvo;Leica的用户主要为：JohnDeere。产品类型包括挖掘机、两头忙、推土机、平地机、压路机和农业机械等。如此多产品的展出，也显示了美国市场对于该项技术有着广泛的运用，而因成本及市场需求原因，该项技术在国内还处于实验室阶段。

　　6 具有辅助挖掘系统的液压挖掘机

　　为提高作业效率，近几年来，辅助操作系统逐步得到各主机厂的重视。在展会现场也展出了相关的产品。严格来说，高精度GPS技术的运用也属于辅助操作的范畴，因上面已经叙述，在此不加展开，仅对单机的辅助挖掘系统进行叙述。现举几个例子加以说明：CAT公司的挖掘机采用Trimble开发的挖掘机辅助系统，Prolec公司开发的挖掘机辅助挖掘系统;JohnDeere 60D型挖掘机采用了Leica公司开发的整套辅助挖掘系统。该套系统的基本工作原理类似，主要利用安装在挖掘机工作装置上的角度或者倾角传感器，实时检测挖掘机的工作状态;利用系统中的仪表显示工作装置的轨迹及铲斗末端的坐标。在进行精细作业时，可以在仪表中输入要完成的工作面的形状，操作者可以按照提示进行工作，直到完成预定的形状。尤其是在挖掘复杂形状的工作面和平整作业中，该系统可以提高工作效率和精度。如果配合激光技术，还可以利用安装在斗杆上的红外接收装置，挖掘规定深度的基坑，提高精度的同时，节约了人工成本。 　　以上在挖掘机中有关机电一体化的应用，是笔者在此次展会上所看到的一角。

　　纵观此次展会，并通过与前两次展会的比较，不难发现：更多厂家展示了其挖掘机电控技术，尤其是不少厂家推出了成熟的具有电控功能的产品，显示了国外很多厂商对于该技术的重视程度，也体现了机电一体化技术在美国市场已得到充分的认可，并且今后将会有更大的发展。而在该领域，国内的一些大学、工程机械生产厂家和研究院所已经充分认识到其重要性，但多数停留在实验室阶段;因此，在其成熟性、可靠性和市场化的发展道路上，还需要有很长的一段路要走。

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