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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、自動化程度及其經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量與性能的優劣又直接影響到工程機械的動力性、經濟性、可靠性、施工質量、生產效率及使用壽命等。
關鍵詞 機電一體化 工程機械 電子控制
前言機電一體化又稱機械電子學,是一門跨學科的綜合性高技術,是由微電子技術、計算機技術、信息技術、自動控制技術、機械技術、液壓技術以及其他技術相互融合而成的一門獨立的交叉學科。機電一體化技術從上世紀70 年代中期開始在國外工程機械上得到應用。80 年代以微電子技術為核心的高新技術的興起,推動了工程機械制造技術的迅速發展,特別是隨著微型計算機及微處理技術、傳感與檢測技術、信息處理技術等的發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,極大促進了產品性能的提高,使工程機械進入了一個全新的發展階段。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展方向。
一、現代工程機械正處在一個機電一體化的發展時代引入機電一體化技術,使機械、液壓技術和電子控制技術等有機的結合,可以極大地提高了工程機械的各種性能,如動力性、燃油經濟性、可靠性、安全性,操作舒適性以及作業精度、作業效率、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,電子控制技術已深入到工程機械的許多領域,如攤鋪機和平地機的自動找平,攤鋪機的自動供料,挖掘機的電子功率優化,柴油機的電子調速,裝載機、鏟運機變速箱的自動控制,工程機械的狀態監控與故障自診等。隨著科學技術的不斷發展,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。特別是隨著我國進口及國產工程機械保有量的逐年增加,如何用好、管好這些價格昂貴的工程機械,使其發揮最大的效率,是工程施工部門所面臨的一個重要的問題。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、類別及特性有一些初步的了解和掌握,下面以簡單的介紹與論述。
現代工程施工中,工程機械的性能、自動化程度及其經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量與性能的優劣又直接影響到工程機械的動力性、經濟性、可靠性、施工質量、生產效率及使用壽命等。電子控制系統已成為現代工程機械技術水平的一個重要依據。隨著科學技術的不斷發展及對產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越來越大,其功能將會越來越強,應用范圍也將越來越廣,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效率高且能量損失小,節約能源;自動化程度高,施工質量好,精度高;性能穩定,工作可靠,安全,使用壽命長;具有較好的經濟性;高的技術價格比和低的制造與使用成本;操作簡單、輕便、勞動強度低,駕駛員的工作條件好,具有運行狀態監視、故障自診及自動報警功能,能及時準確地指出故障部位,減少停機維修作業時間。
目前工程機械的電子控制系統主要實現如下功能:
11 電子監控、自動報警及故障自診即對工程機械的發動機、傳動系統、工作裝置、制動系統和液壓系統等的運行狀態監控,工作中一旦出現異常現象,能自動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,簡化設備維護檢查工作,降低使用維修費用,縮短停機維修時間,延長設備的使用壽命。
21 節能降耗,提高生產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展必須著眼于節能。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,通過對發動機和泵的綜合控制,使功率的利用率可達98 % ,同時生產率也大大提高。
31 柴油機的控制采用電子調速器,電子油門控制裝置,自動停機裝置,自動升溫控制裝置等。
41 提高作業精度為保證成品料的作業精度,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量系統,并使稱量過程實現了自動化。自動找平系統的應用,使瀝青混凝土攤鋪機的施工質量有了較大的提高。采有超聲波技術的自動供料系統,使瀝青混凝土攤鋪機的供料實現了自動調節,進一步提高了攤鋪質量。推土機鏟刀、平地機刮刀、鏟運機鏟斗刀刃的電子控制,不僅提高了作業精度和作業效率,而且也減輕了操作人員的勞動強度。
51 作業過程的自動化或半自動化工程機械實現自動化或半自動化控制,可以減輕操作者的勞動強度,提高生產率,并減少因操作者的經驗不足對作業精度的影響,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,自動控制動臂、斗桿和鏟刀的運動,實現各種特定開口和斷面溝槽、斜面的精確挖掘,使挖掘作業實現了自動化。
61 其他應用一些國外生產的推土機、裝載機、鏟運機等有了電子控制的自動變速器,其能夠根據外負荷的變化情況自動改變傳動系統的傳動比,這不僅充分利用了發動機的功率,提高了燃油經濟性,而且也簡化了操作,降低了勞動強度。為有效地防止翻車和斷臂事故,提高作業的安全性,現代起重機上廣泛地采用了電子控制的力矩限制器。為實現無人駕駛,使工程機械能在危險地帶或人無法接近的地點進行作業,某些國外工程機械上設置了無線遙控裝置。
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,其直接受到烈日暴曬、雨霧、強風、塵埃等的侵襲,此外還受到強烈的振動和沖擊以及各種電、磁等的干擾,工作環境非常惡劣,因此電子控制系統應滿足:能在- 40～80 ℃的環境溫度下可靠、穩定地工作;抗老化,具有較長的使用壽命;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:
611 車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、發電機及其調節器。B1 起動機:
用于啟動發動機。C1 點火系:用于汽油機,功能是產生電火花,點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、發動機轉速表等,用來監視發動機和其他裝置的工作情況。
612 電氣、電子(微機) 控 制裝置用于實現各種控制功能。例如,攤鋪機的自動找平裝置及供料自控裝置;電控的電子功率優化系統;裝載機、鏟運機變速器的電子控制裝置等。
三、機電一體化的發展趨勢機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多種學科的交叉綜合,它的發展和進步依賴并促進相關技術的發展。機電一體化的主要發展方向大致有以下幾個方面:
11 智能化。智能化是21 世紀機電一體化技術的一個重要發展方向。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、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學等新思想、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。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多,研制和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口和環境接口等的機電一體化產品單元,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、電機于一體的動力單元,具有視覺、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發新產品,同時也可以擴大生產規模。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,但可以通過組建一些大企業逐漸形成。顯然,從電氣產品的標準化、系列化帶來的好處可以肯定,無論是對生產標準機電一體化單元的企業,還是對生產機電一體化產品的企業,模塊化將給機電一體化企業帶來美好的前程。
31 網絡化。20 世紀90 年代,計算機技術等的突出成就是網絡技術,網絡技術的興起和飛速發展給科學技術,工業生產,政治,軍事,教育等日常生活都帶來了巨大的變革。各種網絡將全球經濟、生產連成一片,企業間的競爭也將全球化。機電一體化新產品一旦研制出來,只要其功能獨到,質量可靠,很快就會暢銷全球,由于網絡的普及,基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾,而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品,現場總線和局域網技術的應用使家用電器網絡化已形成優勢,利用家庭網絡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帶來的便利與快樂。因此,機電一體化產品無疑將朝著網絡化方向發展。
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領域發展的趨勢,國外稱其為微電子機械系統,泛指幾何尺寸不超過1cm3 的機電一體化產品,并向微米、納米級發展,微機電一體化產品體積小,耗能少,運動靈活,在生物醫療、軍事、信息等方面具有無可比擬的優勢,微機電一體化發展的瓶頸在于微機械技術。微機電一體化產品的加工采用精細加工技術,即超精密技術,它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。
51 環保化。工業的發達給人們生活帶來巨大變化。一方面,物質豐富,生活舒適;另一方面,資源減少,生態環境受到嚴重污染。于是,人們呼吁保護環境資源,回歸自然,綠色產品概念在這種呼聲下應運而生,綠色化是時代的趨勢。綠色產品在其設計、制造、使用和銷毀的過程中,符合特定的環境保護和人類健康的要求,對生態環境無害或危害極少,資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產品,具有遠大的發展前景。機電一體化產品的綠色化主要是使用時不污染生態環境,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一步采用開放式和模式化的總體結構。系統可以靈活組態,進行任意剪裁和組合,同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理;表征之二是通信功能大大加強。
結束語機電一體化技術在工程機械中的應用將越來越廣泛,地位也越來越重要,設備使用和管理“以人為本”的原則也說明,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技術,更好地融入科技含量越來越濃厚的現代工程施工中。
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