工程机械机电一体化技术的应用与发展

2013-08-15索小娟陈光伟

科技传播 2013年14期

索小娟，陈光伟，王娜

1.郑州铁路职业技术学院，河南郑州 450052；

2.中钢集团金属制品研究院有限公司，河南郑州 450001

1 概述

机电一体化也叫机械电子学，它是机械技术、微电子技术、计算机技术及信息技术相互影响、渗透与结合而形成的一门新兴的边缘学科[1]。机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。

机电一体化技术首先在汽车上应用，70 年代中期开始人们将机电一体化技术推广到工程机械上，从根本上改变了工程机械的面貌，实现省能化、自动化、智能化。据调查，现阶段国内外许多高性能工程机械普遍应用电子控制系统，该系统以微机或微处理器为核心并且已经成为必不可少的一部分，现在衡量某种工程机械性能的高低是看其机电一体化水平的应用程度。

2 工程机械中机电一体化技术的应用

2.1 机电一体化和工程机械的关系

现阶段工程机械较传统工程机械来说各种性能都得到了显著改善，如操作舒适性提高；机械功率高且能耗小；可靠性提高；作业精度及作业效率提高等。工程机械各种性能的提高正是因为将机电一体化技术引入到工程机械中，使得机械、液压技术和电子控制技术有机结合。目前现代工程机械的许多领域都应用了电子技术，表现为应用电子控制装置（系统），这种装置（系统）以微机或微处理器为核心，诸如工程机械的状态监控与故障自诊，拌和设备称重计量过程的自动控制等。随着科学技术的不断发展，功能越来越先进、结构越来越复杂的电子控制装置将广泛地应用于现代工程机械上。

2.2 机电一体化对工程机械功能的改进

现代工程施工通常要求工程机械具有较高的性能：1）具备运行状态的监视功能、自动报警及故障自诊功能；2）机械功效高且能耗小；3）技术性价比较高；4）自动化程度及精度越高越好；5）使用成本较低；6）操作安全、简单，使用寿命长。

下面对现代工程机械的电子（微机）控制系统实现的功能进行说明。

2.2.1 控制柴油机

发动机排放质量与最低油耗间的矛盾，给柴油机技术的深入发展和研究带来了很大的困难。随着电子技术的发展，冷风扇的转速随温度的变化自动控制、电子节能液压泵系统减小能耗、根据负荷条件自动调节柴油机油门、电子控制自动变速等装置的应用，使柴油机在各种变工况下自动选择能同时满足经济指标和排放指标的最佳喷油定时，充分实现节约能源、净化排气、提高效率的目的。

2.2.2 保证成品的作业精度

电子控制系统应用到工程机械设备上，不光使称量精确且过程自动化，同时避免了人工测量误差较大的弱点，提高成品的作业精度。如混凝土搅拌站的计量过程大多都实现了自动化，这种电子计量系统广泛采用微机控制。推土机上采用激光导向和电液伺服控制技术，自动控制铲刀的切土深度，减少了推土机往返作业的遍数和行程，提高了作业精度和作业效率，降低了施工成本，同时也减轻了操作人员的劳动强度。

2.2.3 降低能耗，提高生产率

传统工程机械的燃料能量利用率仅为20%左右，非常低，所以提高能量利用率在现代工程机械的发展中势在必行。新型节能控制器（OLLS 系统）应用于日本小松公司生产的新型挖掘机上后，燃料可节省23%，节能效果良好，因为该系统能使发动机转矩和泵吸收转矩经常保持在最佳配合状态，可有效地利用发动机功率，使作业机构动作迅速，大大提高了生产率。同时在使用质量差的燃料造成发动机功率下降的情况下，由于微机控制系统能自动调节油泵吸收转矩，不会出现以往发动机冒黑烟或停车的现象。

2.2.4 电子监控、自动报警及故障自诊

电子监控和故障诊断专家系统设置各种类型的传感器，监控工程机械的发动机、传动系统和液压系统等的运行状态，在故障发生之前预先发现问题，从而避免损坏机件事故的发生，保证作业人员安全。同时能动报警并准确地判断故障发生的位置，提供处理方法，降低设备维修成本，降低设备故障率及停机台次，保证设备安全、稳定及长周期运行。如日本三菱Ms160O 型矿用液压挖掘机、美国卡特皮勒公司生产的936 型装载机等都备有电子监控报警系统。

2.2.5 作业过程的自动化或半自动化

采用自动化或半自动化控制方式在提高生产率的同时降低了操作者的劳动强度，作业精度也不会受到操作人员的技术和生产经验的影响，达到提高工程机械的运作效率和质量的目的。

例如，日本和欧美各国研制的新型挖掘机可实现作业模式自动化，工作装置—铲斗的形状与运动轨迹可由操作人员预先在在自动化的挖掘轨迹控制板上设定，完成后各种传感器将信号将传输到微机控制系统，动臂、斗杆和铲刀受到微机系统的控制而按预设定动作，完成各种特定形状和断面沟槽和斜面等，从而减少操作人员因经验不足产生的误差或事故的发生。

2.2.6 提高安全性

为了防止了翻车和断臂事故，提高作业安全性，国外塔式起重机和轮式起重机大多装有微机控制的力矩限制器，一旦超负荷立即发出警报。此外，国外的许多井下挖掘机采用无线电遥控装置，实现无人驾驶，使工程机械在有放射性物质污染地区和高温或水下等危险地点上进行作业。

3 工程机械中机电一体化技术的展望

目前，国内工程机械机电一体化技术的发展远落后于日本和欧美等国，根本原因是没有得到足够的重视，未来应该加大工程机械机电一体化技术的研究和应用力度。今后，机电一体化技术的发展趋势如下。

3.1 电子控制理论

随着以微电子为核心的高新技术推动了自动控制技术在工程机械上应用和推广，成为工程机械现代化的重要标志。在控制理论的指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真等。自动控制技术可应用于工程机械作业的控制和操纵，比如摊铺机应用基于CAN 总线的工程检测系统，实现自动找平、行驶速度和车辆转速控制。目前，最优控制方法和自适度、模糊控制方法被国内外工程机械行业广泛采用。

3.2 计算机与信息处理技术

信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储及输出技术，实现信息处理的主要是计算机。计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络与通信技术、数据库技术等。计算机应用及信息处理技术成为促进工程机械机电一体化技术发展最活跃的因素。信息处理技术方面尚需研究开发的课题有：人机接口装置信息的智能化、可编程控制器的标准化等。

3.3 传感器技术

目前，现代工程机械上传感器得到广泛应用，发动机应用冷却水温度传感器、机油压力传感器等来检测和控制发动机的运转状态；沥青摊铺机上角位移、倾角等传感器的应用使摊铺机在工作时实现自动找平且行走速度不变，摊铺出来预定的平整度、坡度和厚度的路面。随着传感器技术的迅猛发展，可靠性与稳定性不断提高，精度越来越高，采集信息的范围越来越广，并将向集成、多功能化和智能化方向发展，未来越来越多种类的传感器将应用到工程机械上。

4 加快我国工程机械机电一体化技术发展面临的问题和应对措施

4.1 面临的问题

目前，我国工程机械行业总体水平不高，远远落后于日本和欧美等国，存在的主要问题有：服务面太窄，产品结构不适应现代化建设的需要；具有核心竞争力的产品少；发动机、液压系统和传动系统等基础零件质量一直不过关等。

4.2 应对措施

针对上述我国工程机械行业目前存在的主要问题，应从以下几方面展开工作：1）重视科研技术开发工作，加大科研经费的投入，同时要全面规划，实现多层次发展，循序渐进，从完善普通低成本的数显装置，电子化仪表做起，逐步实现设备的半自动化，如带有一定职能的工程机械专业系统，到最后实现机械与电子深度结合的产品与系统，如工程机械智能机器人，计算机辅助管理系统等；2）振兴工程机械行业发展，把立足点放在提升基础技术和基础部件水平方面来。应采取国内突破，引进和消化国外技术，以及国内产品与国外产品配套各种模式并存的方针；3）改变科技人员的知识结构，要在人的知识结构上体现“一体化”。我国工程机械科技人员的知识结构不合理，在培养过程中，要做必要的调整和改革，让其学习有关新技术成果方面的知识，学习有关控制论、计算机等方面的基础知识，适应新技术的发展要求。