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机电一体化技术在工程机械中的应用

中国轴承网发布时间:2008/07/14

机电一体化技术在工程机械中的应用

　　CONEXPO—CON/AGG 2008于2008年3月11-15日在美国拉斯维加斯召开，虽然就工程机械产品参展规模而言，本届展会较德国bauma展会小很多，但却有自己的特色。产品更强调安全、实用的特点，不同于欧洲展会对于外型、环保的关注，且笔者在对现场参展产品进行仔细的参观与分析后，除了感受到众多主机厂家产品日新月异之外，一种技术——机电一体化，在工程机械上也逐步显示出其地位。

　　1、日趋成熟的GPS技术

　　数量众多的运用高精度GPS技术产品的展出，显示了该技术在工程机械上的应用日趋广泛，这也将成为现代化施工的一种趋势。

　　1.1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。约翰•迪尔、卡特彼勒、小松、现代等纷纷在现场展出自己的该项技术，其中约翰•迪尔甚至可以现场操作。国内很多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功能还不够强大，需进一步完善。

　　1.2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，精度可达到厘米级。该项技术在大型的施工现场，尤其在多种机型的建筑工程机械进行集群作业时，具有明显的优势。不仅有利于施工管理方进行有序调度，而且能够提高集群的工作效率。

　　纵观近几年来的3次展会，在该技术方面，做的比较领先的几家企业分别为：Trimble、拓普康及Leica。与前2届展会不同的是，这3家企业除了在自己展位展示产品外，还专门布置了具有相当规模的产品应用展示区。因此，所展示的产品无论从数量还是品种上。都远多于前2届展会。其中Trimble的用户主要为：卡特彼勒、小松;拓普康的主要用户为：卡特彼勒、约翰•迪尔及沃尔沃;Leica的用户主要为：约翰•迪尔。产品类型包括挖掘机、挖掘装载机、推土机、平地机、压路机和农业机械等。由此也显示出该项技术在美国有着广阔的市场，而在我国受成本及市场需求的影响，该项技术还处于实验阶段。

　　2、机电一体化技术在挖掘机上的运用

　　机电一体化技术在挖掘机上的运用可以说是本届展会的亮点，几乎每个挖掘机的主机厂家都展示了在该技术领域内的应用水平。

　　2.1电控挖掘机

　　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的挖掘机，相应的以电比例手柄取代液压先导手柄。其基本原理是首先采集电手柄的动作信号，然后利用控制器进行运算，最后输出相应的PWM值控制比例阀。结合布置于机器上的传感器，电控挖掘机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，同时又配备辅助挖掘操作装置，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。该机型不同于普通的挖掘装载机，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)斗山的主从式挖掘机。其控制原理为：采用一种主从方式的控制形式，即通过手指、手腕、大臂分别对应控制铲斗、斗杆与动臂;通过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，则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。由于其原理是点到点控制，因此在同步性上存在误差。

　　2.2具有辅助挖掘系统的挖掘机

　　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，因上文已经叙述，在此不再展开，仅对单机的辅助挖掘系统进行介绍。现举2个例子加以说明：Prolec公司开发的挖掘机辅助挖掘系统、约翰•迪尔60D型挖掘机均采用了Leica公司开发的整套辅助挖掘系统。这2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。该类技术在提高精度的同时，也节约了人工成本。

　　2.3运用在挖掘机上的监控系统

　　在挖掘机，尤其是20t以上的挖掘机上，采用高品质液晶彩色显示屏，在国内外得到广泛的认可。现以展会现场2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，小松的中挖仪表。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，而且显示屏的按钮可以实现视角的切换。小松的仪表界面分为2部分：一部分显示整机的工作参数，另一部分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。2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，便于操作。在仪表方面，国内厂家均已采用，但国外仪表的高品质性，值得国内挖掘机厂家学习。

　　2.4 自动怠速系统在小型挖掘机上的应用

　　在美国市场，发动机排放要求非常严格，只有符合Tire 3标准的发动机才能在美国市场销售。因此进入美国市场的中挖多数都采用了电控发动机。无论在可控性还是节能性方面都较机械式发动机有很大的改善。但由于成本问题，在10t以下的小型挖掘机上，机械式发动机还是被广泛采用。因此，在节能方面，国外挖掘机厂家采用了不同的技术。

　　JCB小型挖掘机上采用的一种电控油门执行机构，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。

　　纽荷兰小型挖掘机的自动怠速系统，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、机电一体化技术在旋挖钻机上的运用

　　旋挖钻机是近几年来在国内被广泛采用的一种重要的工程机械，其应用主要集中在大型桩基础施工中。而在国外，旋挖钻机使用时间比较长，且发展也较成熟。此次展会更是展出了门类齐全的旋挖钻机，无论在厂家数量还是旋挖钻机的类型上都多于前2届展会，更有很多旋挖钻机的变形产品展出，显示了国外在该产品领域技术的成熟，同时也反映出该产品在美国有着广阔的市场。主要的国外厂家有：宝峨、Soilmec、IMT、Mait、Casagrande、Junttan等，我国有三一、山河智能等。旋挖钻机因其施工工艺较为复杂，且在施工过程中对精度要求较高，因此很多公司都开发了自动控制功能以提高施工效率和精度。最为常见的有2种功能：钻桅自动调垂直功能和钻孔工程中自动回位功能。

　　硬件方面，有些厂家采用了建筑工程机械的通用控制器、仪表，也有些厂家为提高自身竞争力，定制开发了具有公司特色的控制器、仪表。其中宝峨就定制了自己的控制系统，司机室内除了具有显示仪表外，还配有图像监视屏和具有宝峨特色的报警面板。

　　4、遥控技术在工程机械上的应用

　　随着工程机械功能的扩展，遥控技术的应用环境越来越广。很多时候应用遥控技术是出于对操作手的保护和操作的便利性。例如在水泥混凝土泵车上已经广泛采用该技术。此次展会除了常见的应用机型外，山猫的一款滑移装载机上也开发了遥控功能，同时展出的还有遥控技术在一些小型多功能产品上的延用。该机型是在小型挖掘机的底盘上更换成钻机的工作装置，而工作装置是可以遥控的。现场还展出了运用遥控技术的叉车产品，展出产品的品牌有：Maniton、纽荷兰等。

　　5、小结

　　以上有关机电一体化的应用，只是笔者在本届展会上看到的该领域的冰山一角。纵观本届展会，并通过与前2届展会的比较，不难发现，更多厂家展示了其挖掘机的电控技术，尤其是成熟的具有电控功能的产品，充分显示了国外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上的广泛认可，且今后也将会有更大的发展。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，但多数还停留在实验室阶段。因此，在机电一体化技术的成熟性、可靠性和市场化的道路上，还需很长的一段路要走。

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