機電一體化在工程機械中的應用

　　摘　要　現代工程施工中,工程機械的性能、自動(dòng)化程度及其經(jīng)濟性等可以直接影響到施工工藝的好壞,而工程機械的電氣與電子控制系統部分質(zhì)量與性能的優(yōu)劣又直接影響到工程機械的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、可靠性、施工質(zhì)量、生產(chǎn)效率及使用壽命等。
　　關(guān)鍵詞　機電一體化　工程機械　電子控制
　　前言機電一體化又稱(chēng)機械電子學(xué),是一門(mén)跨學(xué)科的綜合性高技術(shù),是由微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機械技術(shù)、液壓技術(shù)以及其他技術(shù)相互融合而成的一門(mén)獨立的交叉學(xué)科。機電一體化技術(shù)從上世紀70 年代中期開(kāi)始在國外工程機械上得到應用。80 年代以微電子技術(shù)為核心的高新技術(shù)的興起,推動(dòng)了工程機械制造技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是隨著(zhù)微型計算機及微處理技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)等的發(fā)展及其在工程機械上的應用,從根本上改變了工程機械的面貌,極大促進(jìn)了產(chǎn)品性能的提高,使工程機械進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展階段。以微機或微處理器為核心的電子控制系統目前在國外工程機械上的應用已相當普及,并已成高性能工程機械不可缺少的組成部分。工程機械的機電一體化和智能化將是今后的發(fā)展方向。
　　一、現代工程機械正處在一個(gè)機電一體化的發(fā)展時(shí)代引入機電一體化技術(shù),使機械、液壓技術(shù)和電子控制技術(shù)等有機的結合,可以極大地提高了工程機械的各種性能,如動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟性、可靠性、安全性,操作舒適性以及作業(yè)精度、作業(yè)效率、使用壽命等。目前以微機或微處理器為核心的電子控制裝置在現代工程機械中的應用已相當普及,電子控制技術(shù)已深入到工程機械的許多領(lǐng)域,如攤鋪機和平地機的自動(dòng)找平,攤鋪機的自動(dòng)供料,挖掘機的電子功率優(yōu)化,柴油機的電子調速,裝載機、鏟運機變速箱的自動(dòng)控制,工程機械的狀態(tài)監控與故障自診等。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,對工程機械的性能要求不斷提高,電子控制裝置在工程機械上的應用將更加廣泛,結構將更加復雜。特別是隨著(zhù)我國進(jìn)口及國產(chǎn)工程機械保有量的逐年增加,如何用好、管好這些價(jià)格昂貴的工程機械,使其發(fā)揮最大的效率,是工程施工部門(mén)所面臨的一個(gè)重要的問(wèn)題。為幫助廣大工程機械使用人員、維修人員、管理人員對工程機械中的電氣與電子控制裝置的功能、類(lèi)別及特性有一些初步的了解和掌握,下面以簡(jiǎn)單的介紹與論述。
　　現代工程施工中,工程機械的性能、自動(dòng)化程度及其經(jīng)濟性等可直接影響到施工工藝的好壞;而工程機械的電氣與電子控制系統部分質(zhì)量與性能的優(yōu)劣又直接影響到工程機械的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、可靠性、施工質(zhì)量、生產(chǎn)效率及使用壽命等。電子控制系統已成為現代工程機械技術(shù)水平的一個(gè)重要依據。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及對產(chǎn)品性能要求不斷提高,電子控制系統在工程機械中所占的比重將會(huì )越來(lái)越大,其功能將會(huì )越來(lái)越強,應用范圍也將越來(lái)越廣,而且其復雜程度也隨之提高,這樣就對使用與維修人員提出了更高的要求。
　　二、現代工程施工要求工程機械具有以下性能生產(chǎn)效率高且能量損失小,節約能源;自動(dòng)化程度高,施工質(zhì)量好,精度高;性能穩定,工作可靠,安全,使用壽命長(cháng);具有較好的經(jīng)濟性;高的技術(shù)價(jià)格比和低的制造與使用成本;操作簡(jiǎn)單、輕便、勞動(dòng)強度低,駕駛員的工作條件好,具有運行狀態(tài)監視、故障自診及自動(dòng)報警功能,能及時(shí)準確地指出故障部位,減少停機維修作業(yè)時(shí)間。
　　目前工程機械的電子控制系統主要實(shí)現如下功能:
　　11 電子監控、自動(dòng)報警及故障自診即對工程機械的發(fā)動(dòng)機、傳動(dòng)系統、工作裝置、制動(dòng)系統和液壓系統等的運行狀態(tài)監控,工作中一旦出現異�，F象,能自動(dòng)報警并準確地指出故障的部位,從而改善駕駛員的工作條件,提高機器的工作效率,簡(jiǎn)化設備維護檢查工作,降低使用維修費用,縮短停機維修時(shí)間,延長(cháng)設備的使用壽命。
　　21 節能降耗,提高生產(chǎn)率傳統工程機械的能量利用率較低,例如液壓挖掘機的燃料能量利用率僅為30 %左右,如此低的能量利用率迫使工程機械的發(fā)展必須著(zhù)眼于節能。日本小松公司挖掘機采用新型節能控制器,具有良好的節能效果,燃料可節省23 %;日本日立公司挖掘機節能控制系統采用了卡特電子效率控制系統,通過(guò)對發(fā)動(dòng)機和泵的綜合控制,使功率的利用率可達98 % ,同時(shí)生產(chǎn)率也大大提高。
　　31 柴油機的控制采用電子調速器,電子油門(mén)控制裝置,自動(dòng)停機裝置,自動(dòng)升溫控制裝置等。
　　41 提高作業(yè)精度為保證成品料的作業(yè)精度,現代瀝青及水泥混凝土拌和設備廣泛采用了微機控制的電子稱(chēng)量系統,并使稱(chēng)量過(guò)程實(shí)現了自動(dòng)化。自動(dòng)找平系統的應用,使瀝青混凝土攤鋪機的施工質(zhì)量有了較大的提高。采有超聲波技術(shù)的自動(dòng)供料系統,使瀝青混凝土攤鋪機的供料實(shí)現了自動(dòng)調節,進(jìn)一步提高了攤鋪質(zhì)量。推土機鏟刀、平地機刮刀、鏟運機鏟斗刀刃的電子控制,不僅提高了作業(yè)精度和作業(yè)效率,而且也減輕了操作人員的勞動(dòng)強度。
　　51 作業(yè)過(guò)程的自動(dòng)化或半自動(dòng)化工程機械實(shí)現自動(dòng)化或半自動(dòng)化控制,可以減輕操作者的勞動(dòng)強度,提高生產(chǎn)率,并減少因操作者的經(jīng)驗不足對作業(yè)精度的影響,例如,日本三菱公司的挖掘機設有挖掘軌跡控制系統,操作者在控制板上設定好鏟斗運動(dòng)軌跡的形狀后,微機控制系統能夠根據各種角度傳感器的信號,自動(dòng)控制動(dòng)臂、斗桿和鏟刀的運動(dòng),實(shí)現各種特定開(kāi)口和斷面溝槽、斜面的精確挖掘,使挖掘作業(yè)實(shí)現了自動(dòng)化。
　　61 其他應用一些國外生產(chǎn)的推土機、裝載機、鏟運機等有了電子控制的自動(dòng)變速器,其能夠根據外負荷的變化情況自動(dòng)改變傳動(dòng)系統的傳動(dòng)比,這不僅充分利用了發(fā)動(dòng)機的功率,提高了燃油經(jīng)濟性,而且也簡(jiǎn)化了操作,降低了勞動(dòng)強度。為有效地防止翻車(chē)和斷臂事故,提高作業(yè)的安全性,現代起重機上廣泛地采用了電子控制的力矩限制器。為實(shí)現無(wú)人駕駛,使工程機械能在危險地帶或人無(wú)法接近的地點(diǎn)進(jìn)行作業(yè),某些國外工程機械上設置了無(wú)線(xiàn)遙控裝置。
　　電子系統的可靠性是現代工程機械非常重要的一項性能指標。由于工程機械一般露天作業(yè),其直接受到烈日暴曬、雨霧、強風(fēng)、塵埃等的侵襲,此外還受到強烈的振動(dòng)和沖擊以及各種電、磁等的干擾,工作環(huán)境非常惡劣,因此電子控制系統應滿(mǎn)足:能在- 40～80 ℃的環(huán)境溫度下可靠、穩定地工作;抗老化,具有較長(cháng)的使用壽命;密封性能好,能防止水分和污物的侵入,較好的耐沖擊和抗振性能;較強的抗干擾能力,系統能在各種干擾下可靠地工作。
　　工程機械種類(lèi)繁多,因此各種機型所配備的電器與控制裝置的組成,數量及復雜程度等也差別較大,各種自行式工程機械所配備的電器與控制裝置基本上可分為以下兩大類(lèi):
　　611 車(chē)輛電氣設備這是各種機械應配備的最基本的電器,通常包括以下部分A1 電源:包括蓄電池、發(fā)電機及其調節器。B1 起動(dòng)機:
　　用于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機。C1 點(diǎn)火系:用于汽油機,功能是產(chǎn)生電火花,點(diǎn)燃氣缸中的可燃混合氣。D1 照明及信號設備:包括各種照明和信號燈以及電喇叭、蜂鳴器等,用以保證行駛和施工的人機安全。E1 儀表:包括燃油表、機油壓力表、水溫表、發(fā)動(dòng)機轉速表等,用來(lái)監視發(fā)動(dòng)機和其他裝置的工作情況。
　　612 電氣、電子(微機) 控 制裝置用于實(shí)現各種控制功能。例如,攤鋪機的自動(dòng)找平裝置及供料自控裝置;電控的電子功率優(yōu)化系統;裝載機、鏟運機變速器的電子控制裝置等。
　　三、機電一體化的發(fā)展趨勢機電一體化是集機械、電子、光學(xué)、控制、計算機、信息等多種學(xué)科的交叉綜合,它的發(fā)展和進(jìn)步依賴(lài)并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。機電一體化的主要發(fā)展方向大致有以下幾個(gè)方面:
　　11 智能化。智能化是21 世紀機電一體化技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化的研究中日益得到重視,機器人與數控機床的智能化就是重要應用之一。這里所說(shuō)的“智能化”是對機器行為的描述,是在控制理論的基礎上,吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、模糊數學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)等新思想、新方法,使它具有判斷推理、邏輯思維及自主決策等能力,以求得到更高的控制目標。誠然,使機電一體化產(chǎn)品具有與人完全相同的智能是不可能的,也是不必要的。但是,高性能、高速的微處理使機電一體化產(chǎn)品賦有低級智能或者人的部分智能,則是完全可能而且必要的。
　　21 模塊化。模塊化是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產(chǎn)品種類(lèi)和生產(chǎn)廠(chǎng)家繁多,研制和開(kāi)發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動(dòng)力接口和環(huán)境接口等的機電一體化產(chǎn)品單元,是一項十分復雜但又非常重要的事情。如研制集減速、智能調速、電機于一體的動(dòng)力單元,具有視覺(jué)、圖像處理、識別和測距等功能的控制單元,以及各種能完成操作的機械裝置等。有了這些標準單元就可迅速開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品,同時(shí)也可以擴大生產(chǎn)規模。為了達到以上目的,還需要制定各項標準,以便于各部件、單元的匹配。由于利益沖突,近期很難制定出國際或國內這方面的標準,但可以通過(guò)組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然,從電氣產(chǎn)品的標準化、系列化帶來(lái)的好處可以肯定,無(wú)論是對生產(chǎn)標準機電一體化單元的企業(yè),還是對生產(chǎn)機電一體化產(chǎn)品的企業(yè),模塊化將給機電一體化企業(yè)帶來(lái)美好的前程。
　　31 網(wǎng)絡(luò )化。20 世紀90 年代,計算機技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò )技術(shù),網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù),工業(yè)生產(chǎn),政治,軍事,教育等日常生活都帶來(lái)了巨大的變革。各種網(wǎng)絡(luò )將全球經(jīng)濟、生產(chǎn)連成一片,企業(yè)間的競爭也將全球化。機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來(lái),只要其功能獨到,質(zhì)量可靠,很快就會(huì )暢銷(xiāo)全球,由于網(wǎng)絡(luò )的普及,基于網(wǎng)絡(luò )的各種遠程控制和監視技術(shù)方興未艾,而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產(chǎn)品,現場(chǎng)總線(xiàn)和局域網(wǎng)技術(shù)的應用使家用電器網(wǎng)絡(luò )化已形成優(yōu)勢,利用家庭網(wǎng)絡(luò )將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統,能使人們待在家里就可分享各種高技術(shù)帶來(lái)的便利與快樂(lè )。因此,機電一體化產(chǎn)品無(wú)疑將朝著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展。
　　41 微型化。微型化興起于20 世紀80 年代末,指的是機電一體化向微型機器和微觀(guān)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢,國外稱(chēng)其為微電子機械系統,泛指幾何尺寸不超過(guò)1cm3 的機電一體化產(chǎn)品,并向微米、納米級發(fā)展,微機電一體化產(chǎn)品體積小,耗能少,運動(dòng)靈活,在生物醫療、軍事、信息等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢,微機電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機械技術(shù)。微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術(shù),即超精密技術(shù),它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類(lèi)。
　　51 環(huán)�；�。工業(yè)的發(fā)達給人們生活帶來(lái)巨大變化。一方面,物質(zhì)豐富,生活舒適;另一方面,資源減少,生態(tài)環(huán)境受到嚴重污染。于是,人們呼吁保護環(huán)境資源,回歸自然,綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應運而生,綠色化是時(shí)代的趨勢。綠色產(chǎn)品在其設計、制造、使用和銷(xiāo)毀的過(guò)程中,符合特定的環(huán)境保護和人類(lèi)健康的要求,對生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害極少,資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產(chǎn)品,具有遠大的發(fā)展前景。機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境,報廢后能回收利用。
　　61 系統化。系統化的表現特征之一,就是系統體系結構進(jìn)一步采用開(kāi)放式和模式化的總體結構。系統可以靈活組態(tài),進(jìn)行任意剪裁和組合,同時(shí)尋求實(shí)現多子系統協(xié)調控制和綜合管理;表征之二是通信功能大大加強。
　　結束語(yǔ)機電一體化技術(shù)在工程機械中的應用將越來(lái)越廣泛,地位也越來(lái)越重要,設備使用和管理“以人為本”的原則也說(shuō)明,作為工程施工中工程機械的使用、維修的管理人員,應盡快了解和掌握這門(mén)技術(shù),更好地融入科技含量越來(lái)越濃厚的現代工程施工中。

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