机电液技术在工程机械中的应用.doc

机电液一体化技术在工程机械中的发展与应用一、引言 随着社会的发展，人们对工程机械的发展方向提出了更多的要求，如高性能、低能耗、操纵轻便灵活、安全舒适、可靠耐用等，即对于现代化工程机械，人们已不满足其“能工作”，而是要求其“出色工作”，希望能实现省力、自动化、智能化和低耗能。1 电子技术的飞速发展，尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的发展，使信息、传感等技术与传统机械产品的融合成为可能。传统机械产品正向着智能化、网络化、模块化、柔性化、微型化、自动化等机电一体化新阶段迈进。由于工程机械多数还有液压传动系统。因此，对于工程机械来说，采用的则是机械、液压与电子器件一体化技术的产物机电液一体化系统。二、发展概况2.1 国外 自上世纪以来，一些主要工业发达国家就开始逐步将这些新技术应用到工程机械领域，用来提升产品的操控性和实现产品的多功能化，以满足用户对产品环保、节能、操作舒适性及智能化监控维护的要求。为此，他们研发出适用于自己各类产品的先进的机电液一体化系统。如日本开发的无线电遥控水陆两用推土机，美国卡特彼勒公司开发的激光自动调平推土机，以及由德国宝马公司研制出的应用于压路机上的自动滑转控制系统2-3。因此，通过利用先进的机电液一体化技术，可大幅度提高整机的各项性能及生产效率，并能改善工程机械在作业时的可操作性和舒适性等4-5。2.2 国内从工程机械控制方面来说，自上世纪70年代起，国外就己经开始了机电液一体化技术的研发，而我国却还只是从单一机械式向机液式的转变，然而，就目前的水平来看，也只相当于国外80年代的水平；从制造工艺与装备方面来说，我国也落后很多6。如今我国还难以生产高速、高效和高精密的制造设备，而受到技术壁垒的影响，在我国工业生产中应用到的国外先进的制造工艺和设备也比较少。到现在我国制造业关键的技术依然比发达国家落后很多7。但随着我国西部大开发战略的实施和经济的迅猛发展，对各类工程机械的需求越来越大。虽然我国机电液一体化技术研究起步晚，但是我国工程机械制造企业可以通过引进和吸收国外先进的技术，积极创新，来弥补技术上的不足，从而实现工程机械的跨越式发展，促进产业链的调整。目前已有不少企业的工程机械达到同类先进水平，如在bauma China 2008展会上，广西玉柴、柳工股份、三一重工等国内主要的工程机械制造厂商都展出了各自的最新产品。根据相应的作业工况和液压系统元件的压力、流量要求，选择最佳的匹配方案，应用于整机液压系统的匹配，提高主机的自适应控制，实现系统的稳定性和可靠性作业。这就是电液控制智能化技术的具体表现。三、工程机械机电液一体化系统工程机械围绕着两个方面的内容进行研究：一是以简化驾驶员操作，提高车辆的动力性、经济性以及作业效率，节省能源等为目的机械、电子、液压融合的技术。如自动换挡系统、挖掘机多动作复合功能系统等；二是以提高作业质量为目的机电液一体化控制技术，如摊铺机、平地机自动找平和恒速控制系统，振动压路机“软”起振与停振系统，振动块旋转方向与行驶方向一致的控制系统等。电液控制技术兼备了电子和液压技术的双重优势，形成了具有强大竞争力的自身技术特点，为各种工程机械自动控制提供了一种新手段。机电液一体化技术的发展使传统的液压系统和元件发生了实质性的变化，是工程机械发展的一种必然趋势。因而，出现了工程机械机电一体化系统。工程机械机电液一体化系统一般由机械本体、动力部分、检测部分、执行机构、控制器、接口六部分组成。而工程机械动力驱动与控制的核心是液压、电子集成系统。这些基本要素的关系及功能如图所示8。3.1 机械本体机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。机械本体的主要功能是使得构造机械、零部件按照一定的空间和时间关系安装在一定的装置上，并保持特定的关系。为突出机电液一体化的优点，必须使得机械本体部分要求具有较高的强度、轻量化和高可靠性。过去的机械均以钢铁为基础材料，要实现机械本体的高性能、低惯量、较高的谐振频率和适当的阻尼性能，从而对机械系统的结构形式、制造材料、零件形状等方面都相应提出了特定的要求。机械结构是机电液一体化系统的机体。机械的各组成要素均以机体为骨架进行合理布局。要求系统整体布局合理，使液压管路、接头、控制线束尽可能地减少，使用、操作方便，造型美观。3.2 动力部分按照系统控制要求，为系统提供能量和动力使得系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出，是机电液一体化产品的显著特征之一。驱动部分在控制信息作用下，提供动力，驱动各执行机构完成各种动作和功能。机电液一体化系统一方面要求驱动的高效率和快速响应特性，同时要求对外部环境的适应性和可靠性。由于电子与液压技术的高速发展，高性能电子液压比例驱动和电子液压伺服已大量应用于工程机械系统。3.3 检测部分 检测部分功能主要是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。其功能一般由专门的传感器和仪器仪表完成。3.4 执行机构 执行机构的功能应是根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行机构是运动部件，它将输入的各种形式的能量转换为机械能。工程机械中常用的液压式执行部件主要是液压缸和液压马达。3.5 控制器 控制器是机电液一体化系统的核心部分。它将来自各个传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。一般由计算机、PLC、数控装置以及逻辑电路、A/D(模数)与D/A（数模）转换，I/O（输入/输出）接口和计算机外部设备等组成。3.6 接口 机电液一体化系统由许多要素或子系统构成，各子系统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换，为此各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系环节，两个部件间的连接就可称为接口，其基本功能主要有三个。一是交换，需要进行信息交换，传输的环节之间，由于信号的模式不同（如数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等等），无法直接实现信息或能量的交流，通过接口完成信号或能量的统一。二是放大，在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量的匹配。三是传递，变换和放大后的信号在环节间能可靠、快速、准确地交换，且必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规范。接口具有保证信息传递的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。接口的作用使各要素或子系统联接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动。四、关键技术4.1传感与检测技术传感器是是自动控制的眼睛，相当于人的感觉器官，也是实现检测与自动控制的基础。工作过程它将表征机械构件功能优劣的参数和信息检测出来，按规律转换成可用信号，传送至信号处理中心。工程机械上采用的传感器，要求具有很高的灵敏度、抗干扰性、高稳定性。另外，其对强度、抗冲击性、气候适应性、可靠性诸方而也比室内机械设备有更高的要求。此外，还按工作机械的作业特点要求传感器具有耐磨、密封良好的性能。4.2 信号处理和I/0接口技术（1）信号处理 电子技术和电子电路技术，已发展成为以微处理器为中心的硬、软件相结合的计算机技术。可将传感器检测出来的各种信息存储、运算、逻辑分析、判断、变换，进而向执行机构发出控制指令，若加入自诊断功能，便可实现产品的智能化。（2）I/O接口技术 I/O接口技术的优点是实现信息全部、准确、可靠地在系统中传输，同时还可通过显示、应答、音响等实现人机交互。工程机械机电液一体化产品，通过计算机(单片机)进行数据采集、传递和处理，其运行速度极快，而外设如CRT、打印机等动作较慢，这就要求有实现信号变换和电平转换的电子线路，即接口电路。4.3 机械技术与故障诊断技术采用机电液一体化技术的新型工程机械，具有噪声低，燃料费用低，操纵人员疲劳度小，生产率高等优点。但机器发生故障是难以预料的，而且机器结构越复杂，电气、液压控制部分越多，则由人工查明故障的过程也就越困难。因此，解决机电液一体化系统的另一关键问题，是研制具有自我诊断功能的装置。目前，电子故障诊断装置可用于诊断工程机械在工作现场是否有故障，性能是否降低等方面的数据，其中包括对发动机及液压传动系统的油液自动进行金属微粒含量分析的仪器；探求故障和金属磨耗产生原因的原子光潜吸收仪等。这里要注意一点，就是机器自动故障诊断系统越复杂，其造价也就越高，因此不能盲目追求这一功能。从我国国情出发，目前亦强调低成本自动化(不一定每个功能全备)，但要用于出口，这些功能还是应尽量具备，以提高产品在国际市场的竞争力。4.4 比例与伺服驱动技术工程机械上的比例与伺服驱动技术主要是指执行系统与机构中的技术问题。执行机构主要包括电磁铁、液压泵、液压马达、液压缸、气缸等。执行机构的性能、精度、响应速度及可靠性对机电液一体化产品的性能与质量同样具有至关重要的影响。4.5机电液一体化系统是机械、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子系统之间的接口极其重要。从系统外部看，输入/输出是系统与人、环境或其它系统之间的接口；从系统内部看，是通过许多接口将各组成要素的输入/输出联系成一体的系统。因此，各要素及各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。五、机电液一体化技术在工程机械中应用及优势 机电液一体化技术在工程机械上应用的结果，使工程机械的性能发生了巨大的变化。下面以沥青摊铺机为例，说明机电一体化技术在工程机械中的应用。5.1应用在现代的摊铺机上.采用了以下机电一体化技术9。（1）发动机燃油喷射电子控制系统。此时控制的关健参数是喷油量和喷油时间，通过控制可提高喷油压力、降低油耗、减少污染。（2）发动机自动熄火控制系统。当发动机工作参数发生异常时，能及时发出指令.并驱动相应电路.强行关纽发动机，达到自动保护且的。 （3）发动机极限负载调节电子控制系统。它主要对负载进行监控，发动机负载状况由两个参数控制：一个是发动机油门开关。通过一个封装式电位器测量油门踏板的机械行程，将其转换成电压讯号；另一个是发动机转速，采用一个脉冲接收器感应测量转速，经过极限负荷传感控侧单元的分析、比较、处理，控制电液比例减压阀，调节变量泵的压力，在改变工作状态的条件下，可使发动机功率实现最佳转换。（4）摊铺作业的恒速控制系统。恒速摊铺技术是保证摊铺质量的重要条件之一，也是摊铺机发展技术先进性的重要标志之一。该技术的特点是将机电液技术更加完善地结合在一起，选用电控变量泵和变量马达组成闭式回路，左右履带相互独立驱动，最终传动采用内藏式行星减速器，直接驱动行走履带链轮、并通过电子传感器检测行走驱动轮的最终转速。将信号反馈到中央处理器，从而调整电控变量泵的输出油量,以达到恒速摊铺作业，保证路面摊铺质量。 (5)料位自动控制系统。供料系统的供料均匀性也是保证摊铺质量的主要因素之一。在物料供给系统中，传感器将检测到的料位高低信息送到中央处理器，经过处理后.发出控制信号，自动调整液压供给系统的信号，以达到物料供给的均衡性。 (6)自动调平系统。摊铺机料位的自动控制技术和恒速摊铺技术为实现摊铺路面的平整度提拱了条件，而平整度的实现要靠自动调平控制系统。目前几乎所有的摊铺机均采用机电液一体化的自动调平系统。整个系统由纵坡传感器、横坡传感器、纵坡控制器、横坡控制器以及液压执行油缸和电磁阀组成。整个系统是一个机电液一体化的闭环控制系统，它将摊铺装置的倾斜角度变为相应的电信号，再去控制液压电磁阀开闭。液压系统调节摊铺机的倾斜角度，从而达到所需的设定角度，并自动保持这个角度，并自动保持这个角度工作。这种系统具有稳态误差小、动态性能高、结构简单、可靠等优点。5.2优势1 提高作业精度，附加新功能 机电液一体化技术用于工程机械后，可使其性能明显地提高一大步，实现了原先机械难以完成的微调操作.如推土机和挖掘机的自适应作业，激光自动调平作业，自动变速，自动换档等。大幅度地提高推土机和平地机进行大面积作业时的平整精度，减轻了操纵人员的劳动强度。 另外，若需要还可实现无人驾驶和远距离作业，使得海底和条件恶劣以及有放射性和爆炸物的危险场所的施工成为现实。如激光导向的推土机和隧道挖掘机，海底机器人危险矿区无人驾驶自卸汽车等。2 节约能源，提高效率 若采用了机电液一体化技术以后，通过对液压系统的自动负荷控制，充分有效地利用发动机的输出功率，合理分配液压油的流量以适应外载荷和操作的需要。既防止作业液压泵过负荷，又防止发动机因工作负荷过大而熄火或离合器打滑而造成的严重磨损。另外，还可装设电子燃料控制系统，电子节能液压系统以降低能耗，提高效率和使用寿命。3 提高工程机械的功能、安全性和维修性 为使工程机械经常处于无故障状态，可根据需要安装若干个电传感器，判断发动机、液力变矩器、传动装置和液压系统的工作状态，同时检测车体各部分的工作状态，并通过微机（单片机）判断、分析后自动调整工作参数。若机器运行参数超过规定的安全界线，可用声光报警，使故障发生前操纵人员就能获得必要的信息，及时对机械进行维修，防止大故障甚至是事故的发生。另外, 驾驶室也设置了翻车保护机构和落物撞击保护结构，当设备处于翻车或受较重跌落物撞击时，可保护操纵人员的安全。4 科学管理在工程机械上设置各种传感器和微机（单片机），可自动记录设备的工作状况、工作时间、能耗等数据，可根据需要将这些数据及时制表、打印，并对故障部位提出维护要求。这些比操纵人员交班时填写卡片、记录、报表的管理方法更趋合理、准确与及时。对设备实施科学管理，大大提高工程机械的工作效率并降低作业成本。六、总结 通过对机电液一体化技术在工程机械中的介绍，充分体现了该技术在国内外发展现状及未来的发展空间。1 机电液一体化技术在工程机械上的应用研究，李洪忠，梁振清2 岳鹏，王芳.压路机机电液一体化技术的应用J.科技致富向导，2010(26):224-302.3 张伟.高空作业车举升执行机构机电液一体化仿真D.重庆:重庆交通大学，2011.4 张秀华.机电液一体化在通用机械中的应用J.中国高新技术企业，2008(19):97-97.5 刘长生,机电液一体化技术在工程机械上的应用J.建设机械技术与管理.2003.056 朱友超.机器人焊装线系统控制技术研究D.合肥:合肥工业大学，2008.7 朱军.机电液一体化技术在煤碳领域的发展趋势J中国高新技术企业，2007(16):83-87.8 工程机械机电液一体化，焦生杰M.北京：人民交通出版社，2000：3-5.9 龙水根，机电液一体化技术在工程机械上的应用与发展J.工程机械与维修，2004:01.