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機(jī)電一體化在工程機(jī)械中的應(yīng)用
摘 要 現(xiàn)代工程施工中,工程機(jī)械的性能、自動(dòng)化程度及其經(jīng)濟(jì)性等可以直接影響到施工工藝的好壞,而工程機(jī)械的電氣與電子控制系統(tǒng)部分質(zhì)量與性能的優(yōu)劣又直接影響到工程機(jī)械的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(jī)電一體化 工程機(jī)械 電子控制
前言機(jī)電一體化又稱機(jī)械電子學(xué),是一門跨學(xué)科的綜合性高技術(shù),是由微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)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獨(dú)立的交叉學(xué)科。機(jī)電一體化技術(shù)從上世紀(jì)70 年代中期開始在國外工程機(jī)械上得到應(yīng)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(jī)械制造技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是隨著微型計(jì)算機(jī)及微處理技術(shù)、傳感與檢測(cè)技術(shù)、信息處理技術(shù)等的發(fā)展及其在工程機(jī)械上的應(yīng)用,從根本上改變了工程機(jī)械的面貌,極大促進(jìn)了產(chǎn)品性能的提高,使工程機(jī)械進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展階段。以微機(jī)或微處理器為核心的電子控制系統(tǒng)目前在國外工程機(jī)械上的應(yīng)用已相當(dāng)普及,并已成高性能工程機(jī)械不可缺少的組成部分。工程機(jī)械的機(jī)電一體化和智能化將是今后的發(fā)展方向。
一、現(xiàn)代工程機(jī)械正處在一個(gè)機(jī)電一體化的發(fā)展時(shí)代引入機(jī)電一體化技術(shù),使機(jī)械、液壓技術(shù)和電子控制技術(shù)等有機(jī)的結(jié)合,可以極大地提高了工程機(jī)械的各種性能,如動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)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(jī)或微處理器為核心的電子控制裝置在現(xiàn)代工程機(jī)械中的應(yīng)用已相當(dāng)普及,電子控制技術(shù)已深入到工程機(jī)械的許多領(lǐng)域,如攤鋪機(jī)和平地機(jī)的自動(dòng)找平,攤鋪機(jī)的自動(dòng)供料,挖掘機(jī)的電子功率優(yōu)化,柴油機(jī)的電子調(diào)速,裝載機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)變速箱的自動(dòng)控制,工程機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)控與故障自診等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)工程機(jī)械的性能要求不斷提高,電子控制裝置在工程機(jī)械上的應(yīng)用將更加廣泛,結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜。特別是隨著我國進(jìn)口及國產(chǎn)工程機(jī)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(jī)械,使其發(fā)揮最大的效率,是工程施工部門所面臨的一個(gè)重要的問題。為幫助廣大工程機(jī)械使用人員、維修人員、管理人員對(duì)工程機(jī)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(jiǎn)單的介紹與論述。
現(xiàn)代工程施工中,工程機(jī)械的性能、自動(dòng)化程度及其經(jīng)濟(jì)性等可直接影響到施工工藝的好壞;而工程機(jī)械的電氣與電子控制系統(tǒng)部分質(zhì)量與性能的優(yōu)劣又直接影響到工程機(jī)械的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(tǒng)已成為現(xiàn)代工程機(jī)械技術(shù)水平的一個(gè)重要依據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及對(duì)產(chǎn)品性能要求不斷提高,電子控制系統(tǒng)在工程機(jī)械中所占的比重將會(huì)越來越大,其功能將會(huì)越來越強(qiáng),應(yīng)用范圍也將越來越廣,而且其復(fù)雜程度也隨之提高,這樣就對(duì)使用與維修人員提出了更高的要求。
二、現(xiàn)代工程施工要求工程機(jī)械具有以下性能生產(chǎn)效率高且能量損失小,節(jié)約能源;自動(dòng)化程度高,施工質(zhì)量好,精度高;性能穩(wěn)定,工作可靠,安全,使用壽命長;具有較好的經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度低,駕駛員的工作條件好,具有運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、故障自診及自動(dòng)報(bào)警功能,能及時(shí)準(zhǔn)確地指出故障部位,減少停機(jī)維修作業(yè)時(shí)間。
目前工程機(jī)械的電子控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能:
11 電子監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警及故障自診即對(duì)工程機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、工作裝置、制動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控,工作中一旦出現(xiàn)異常現(xiàn)象,能自動(dòng)報(bào)警并準(zhǔn)確地指出故障的部位,從而改善駕駛員的工作條件,提高機(jī)器的工作效率,簡(jiǎn)化設(shè)備維護(hù)檢查工作,降低使用維修費(fèi)用,縮短停機(jī)維修時(shí)間,延長設(shè)備的使用壽命。
21 節(jié)能降耗,提高生產(chǎn)率傳統(tǒng)工程機(jī)械的能量利用率較低,例如液壓挖掘機(jī)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(jī)械的發(fā)展必須著眼于節(jié)能。日本小松公司挖掘機(jī)采用新型節(jié)能控制器,具有良好的節(jié)能效果,燃料可節(jié)省23 %;日本日立公司挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)采用了卡特電子效率控制系統(tǒng),通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的綜合控制,使功率的利用率可達(dá)98 % ,同時(shí)生產(chǎn)率也大大提高。
31 柴油機(jī)的控制采用電子調(diào)速器,電子油門控制裝置,自動(dòng)停機(jī)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(xiàn)代瀝青及水泥混凝土拌和設(shè)備廣泛采用了微機(jī)控制的電子稱量系統(tǒng),并使稱量過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。自動(dòng)找平系統(tǒng)的應(yīng)用,使瀝青混凝土攤鋪機(jī)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(tǒng),使瀝青混凝土攤鋪機(jī)的供料實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié),進(jìn)一步提高了攤鋪質(zhì)量。推土機(jī)鏟刀、平地機(jī)刮刀、鏟運(yùn)機(jī)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(qiáng)度。
51 作業(yè)過程的自動(dòng)化或半自動(dòng)化工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化控制,可以減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高生產(chǎn)率,并減少因操作者的經(jīng)驗(yàn)不足對(duì)作業(yè)精度的影響,例如,日本三菱公司的挖掘機(jī)設(shè)有挖掘軌跡控制系統(tǒng),操作者在控制板上設(shè)定好鏟斗運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀后,微機(jī)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)各種角度傳感器的信號(hào),自動(dòng)控制動(dòng)臂、斗桿和鏟刀的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)各種特定開口和斷面溝槽、斜面的精確挖掘,使挖掘作業(yè)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。
61 其他應(yīng)用一些國外生產(chǎn)的推土機(jī)、裝載機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)等有了電子控制的自動(dòng)變速器,其能夠根據(jù)外負(fù)荷的變化情況自動(dòng)改變傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比,這不僅充分利用了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率,提高了燃油經(jīng)濟(jì)性,而且也簡(jiǎn)化了操作,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。為有效地防止翻車和斷臂事故,提高作業(yè)的安全性,現(xiàn)代起重機(jī)上廣泛地采用了電子控制的力矩限制器。為實(shí)現(xiàn)無人駕駛,使工程機(jī)械能在危險(xiǎn)地帶或人無法接近的地點(diǎn)進(jìn)行作業(yè),某些國外工程機(jī)械上設(shè)置了無線遙控裝置。
電子系統(tǒng)的可靠性是現(xiàn)代工程機(jī)械非常重要的一項(xiàng)性能指標(biāo)。由于工程機(jī)械一般露天作業(yè),其直接受到烈日暴曬、雨霧、強(qiáng)風(fēng)、塵埃等的侵襲,此外還受到強(qiáng)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(tǒng)應(yīng)滿足:能在- 40～80 ℃的環(huán)境溫度下可靠、穩(wěn)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(qiáng)的抗干擾能力,系統(tǒng)能在各種干擾下可靠地工作。
工程機(jī)械種類繁多,因此各種機(jī)型所配備的電器與控制裝置的組成,數(shù)量及復(fù)雜程度等也差別較大,各種自行式工程機(jī)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(shè)備這是各種機(jī)械應(yīng)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(jī)及其調(diào)節(jié)器。B1 起動(dòng)機(jī):
用于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。C1 點(diǎn)火系:用于汽油機(jī),功能是產(chǎn)生電火花,點(diǎn)燃?xì)飧字械目扇蓟旌蠚狻1 照明及信號(hào)設(shè)備:包括各種照明和信號(hào)燈以及電喇叭、蜂鳴器等,用以保證行駛和施工的人機(jī)安全。E1 儀表:包括燃油表、機(jī)油壓力表、水溫表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表等,用來監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)和其他裝置的工作情況。
612 電氣、電子(微機(jī)) 控 制裝置用于實(shí)現(xiàn)各種控制功能。例如,攤鋪機(jī)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(tǒng);裝載機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)變速器的電子控制裝置等。
三、機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)機(jī)電一體化是集機(jī)械、電子、光學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)、信息等多種學(xué)科的交叉綜合,它的發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。機(jī)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(jì)機(jī)電一體化技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能在機(jī)電一體化的研究中日益得到重視,機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用之一。這里所說的“智能化”是對(duì)機(jī)器行為的描述,是在控制理論的基礎(chǔ)上,吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)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(biāo)。誠然,使機(jī)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(jī)電一體化產(chǎn)品賦有低級(jí)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(xiàng)重要而艱巨的工程。由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多,研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口和環(huán)境接口等的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元,是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又非常重要的事情。如研制集減速、智能調(diào)速、電機(jī)于一體的動(dòng)力單元,具有視覺、圖像處理、識(shí)別和測(cè)距等功能的控制單元,以及各種能完成操作的機(jī)械裝置等。有了這些標(biāo)準(zhǔn)單元就可迅速開發(fā)新產(chǎn)品,同時(shí)也可以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。為了達(dá)到以上目的,還需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),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(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn),但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然,從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以肯定,無論是對(duì)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電一體化單元的企業(yè),還是對(duì)生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè),模塊化將給機(jī)電一體化企業(yè)帶來美好的前程。
31 網(wǎng)絡(luò)化。20 世紀(jì)90 年代,計(jì)算機(jī)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了巨大的變革。各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)連成一片,企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)也將全球化。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來,只要其功能獨(dú)到,質(zhì)量可靠,很快就會(huì)暢銷全球,由于網(wǎng)絡(luò)的普及,基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾,而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品,現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使家用電器網(wǎng)絡(luò)化已形成優(yōu)勢(shì),利用家庭網(wǎng)絡(luò)將各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家電系統(tǒng),能使人們待在家里就可分享各種高技術(shù)帶來的便利與快樂。因此,機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑將朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
41 微型化。微型化興起于20 世紀(jì)80 年代末,指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì),國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng),泛指幾何尺寸不超過1cm3 的機(jī)電一體化產(chǎn)品,并向微米、納米級(jí)發(fā)展,微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小,耗能少,運(yùn)動(dòng)靈活,在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì),微機(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)。微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)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。
51 環(huán)�；�。工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來巨大變化。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(yán)重污染。于是,人們呼吁保護(hù)環(huán)境資源,回歸自然,綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運(yùn)而生,綠色化是時(shí)代的趨勢(shì)。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀的過程中,符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要求,對(duì)生態(tài)環(huán)境無害或危害極少,資源利用率極高。設(shè)計(jì)綠色的機(jī)電一體化產(chǎn)品,具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。機(jī)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(bào)廢后能回收利用。
61 系統(tǒng)化。系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一,就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)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(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理;表征之二是通信功能大大加強(qiáng)。
結(jié)束語機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用將越來越廣泛,地位也越來越重要,設(shè)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(jī)械的使用、維修的管理人員,應(yīng)盡快了解和掌握這門技術(shù),更好地融入科技含量越來越濃厚的現(xiàn)代工程施工中。
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