JGM927-LC型共轨电喷动力式挖掘机的电器优化设计

严希清

(福建船政交通职业学院，福建福州350007)

JGM927-LC型共轨电喷动力式挖掘机的电器优化设计

严希清

(福建船政交通职业学院，福建福州350007)

针对JGM927-LC共轨电喷动力式挖掘机存在烧毁监控器的电器缺陷，分析了缺陷产生的原因，并提出了对该监控系统的电源模块、电子线路和控制程序三方面的改进与优化方案，对工程机械监控系统设计有一定参考价值。

挖掘机；电器优化设计；工程机械监控系统

Abstract：This paper,based on the electrical defect of monitor burning in JGM927-LC common rail EFI power excavator,analyzed the defects and put forward the improvement and optimization scheme in three places including the power supply module of the monitoring system,electronic circuit and control program,which could certainly provide reference to the design of monitoring system for construction machinery.

Key words：excavator;opetimization design of electric apparatus;monitoring system for construction machinery

现今的智能化液压挖掘机是机电液一体化技术的完美产物，其技术涉及到多个学科领域[1]。例如：在流量和负载控制精度方面，它相当于一个移动式的数控加工中心；在负流量电子控制的动作完美协调性方面，它是一个有灵魂的智能机械人。液压挖机就电器软硬件控制系统而言，人机交互界面、单片机、PLC、C语言编程、CPU控制中心、ECM(动力控制模块)、继电逻辑控制、直流电机驱动技术、PWM脉冲宽度调制、电磁抗干扰、电磁阀续流技术等都被涵盖其中[2-3]。

福建某公司在研发初期小批量生产20台JGM927-LC共轨电喷动力式挖掘机，该设备在运行中电器缺陷逐渐呈现，并严重影响到产品质量和品牌声誉。设备的缺陷表现为：在点火锁启动的瞬间，监控器(人机交互界面)的显示内容会形成锯齿状形变波动，有时会出现短时黑屏现象，甚至个别车辆还出现监控器烧坏的严重事故。

1 设备缺陷产生原因

首先，对挖机的的线路、地线(24 V/DC供电电源的负极)、仪表远程监控模块等进行观察和硬件连接检查，并详细地询问了驾驶员有关问题。询问内容具体包括：仪表工作时，什么条件下才出现界面模糊或黑屏？仪表界面形变现象出现后，其他工作动态是否可以正常进行？故障出现的时间是否存在一定周期性等。其次，故障车按照正常作业模式连续工作近6 h，工作过程中重新启动车辆近10次，记录仪表界面故障周期。最后，在晚上工作时间段里，用手机监控跟踪这台车的数据动态和报警记录。

数据整理分析得出：①仪表在车辆点火锁启动和关闭瞬间，仪表监控界面形变情况最为严重；②故障现象在挖机外部部件干燥时(如晴天作业)仪表监控界面锯齿形变现象稍微好转。

从以上2点就可以比较明确判定事故原因：此车辆的故障表现特征是仪表受车辆抛负载问题影响严重所致(所谓抛负载，即由于车载交流发电机的控制环路关闭速度不够快，在将电池电压去除瞬间，会产生较高的输出电压脉冲，此脉冲对仪表电源等器件冲击严重)。抛负载隐患会随着车辆线路的寿命和整车线路的闭环系统老化而加剧，会对仪表和其他电器(扬声器、室内灯等)造成干扰和冲击，最终使其遭受严重损害。

问题原因找到后，将示波器连接到仪表CAN高和CAN低的总线端，观察车辆启动和熄火、高效率重载模式、中效率挖掘模式以及全功率破碎下的电流脉冲输出波形情况，3种工况分组记录数据。数据显示挖机受抛负载干扰问题已达到非常严重的地步，直接影响JGM927-LC机型下一轮的投产计划。

通过反复推敲，研究相关资料[4]，理论结合实践，从全局考虑找出问题根源：①因设计挖机电路时，未充分考虑抛负载影响问题而影响到整体设计。②挖机主控线路上蓄电池接触器用在控制蓄电池负极线路上，器件本身控制触电受点火开关控制加之所有负极线路集中搭铁与上车架蓄电池组负极间接性串接，蓄电池接触器保护作用缩减；抑制电压(点火开关关闭后仍持续一段时间的电压)瞬态电压(高达60 V的高能脉冲)在线路潮湿或搭铁稍不良时便越过蓄电池接触器，至发电机、蓄电池、仪表等各部件。③仪表的内部电路设计和程序设计在处理冷启动问题上有所忽略。

2 改进与优化方案

2.1 改进方案

根据产生事故的原因，综合分析电路与调查控制机舱结构后提出改进方案如下：

1)修改电路。在启动线路和充电回路上加装线上保险片，保证点火开关ACC常带电端点输出线路，不会有太大的电流脉冲冲击，将大负载电流限制在一定范围，保证了仪表输入电源和CAN总线上的电压稳定性。

2)蓄电池接触器应用在蓄电池充电正极回路上，接触器控制线圈线路短接瞬态电压抑制二级管(TVS)，控制线路直接受点火开关的控制。蓄电池控制交流发电机充电回路和启动马达控制回路，可以避免因车辆线路老化后，整车地线回路不良的情况发生，有效防止干扰源的产生。这让蓄电池接触器充当了瞬态电压的第一道防线。

3)线束上的逻辑控制增加延迟关电，先关闭发动机，发电机不发电，然后断开蓄电池接触器，有效防止反向电压对各电器和仪表的冲击。

4)已售车辆的电器在硬件优化后，控制程序也必须同时优化，才可以实现整机控制逻辑的正常运行。

图1 改进后的仪表控制原理图

原电路中，当交流发电机产生充电电流时，断开与蓄电池(亏电状态)的连接，其他负载仍然与交流发电机保持连接，会产生干扰脉冲。控制线路部分改进后的原理图如图1所示。图中延时断电原理如下说明：①电锁打开，BR给仪表供电VCC1。②VCC1有电，仪表开始工作，out1输出控制电瓶继电器工作，其他电器得电，且仪表副电源VCC2得电。③启动发动机，发电机开始发电。④关闭电锁，仪表VCC1失电，但是VCC2仍然有电，仪表继续工作，直到发动机停止，发电机不再发电后，仪表out1停止输出，仪表VCC2断电，仪表停止工作。

2.2 优化方案

针对JGM927-LC监控仪表的控制电路，提出了仪表防抛负载影响的优化方案，分以下2步进行。

1)监控仪表电源电路原有2个瞬态抑制二极管电路的基础上再添加1个瞬态电压抑制二极管(TVS)，进一步加强电源负载变化瞬间电流电压突变的抑制能力。瞬态电压抑制二极管(简称TVS器件)在规定的反向应用条件下，当承受一高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护线路中的精密元器件免受损坏。优化电路简图如图2所示。

图2 在监控仪表电源电路增加TVS二极管

2)在JGM927-LC的逻辑运行程序，添加部分抑制抛负载因素的程序，抛负载语句指令表程序段如下(使用专业编程软件Source Insight)。

Void Engine shut down(void) //发动机关机，延迟断电程序

Static unsigned char flame off flag=0; //关闭熄火阀标志

Static unsigned char flame control off count=0; //熄火阀关闭后到总控关闭计时

Static unsigned char engine shut down en=0; //发动机熄火功能使用

If(Engine Timing Mark==1) //当前发动机工作中

Engine shut down en=1; //发动机工作过，允许启用熄火延迟断电功能

If(Voltage<50) //ACC电压小于5 V，关闭电钥匙

{

//当前延迟断电功能启用 ACC断电开始计时

If((engine shut down en==1)&&(Engine shut count<200))

{

Engine shut count++; //防止溢出，最大到20 s

If(Engine shut count<20) //ACC断电前20 s

FLAME_OUT_ON; //关闭熄火阀，使发动机熄火

Else

If(Engine shut count<50) //ACC断电2～5 s之间

If((Engine Speed<700)&&(ENGINE_OIL_PRESSURE==0)) //确认发动机停止工作

flame off flag=1; //发动机已停止工作，置标志

}

Else

If(Engine shut count<100) //ACC断电 5～10 s

{

If((Engine Speed<700)||(ENGINE_OIL_PRESSURE==0)) //有1个条件满足即关闭熄火和总控

{

FLAME_OUT_OFF; //若控制发动机关闭5 s后，2个条件不能同时满足

CONTROL_POWER_OUT_OFF; //只判断1个条件满足就关闭总电源

}

}

Else

{

FLAME_OUT_OFF; //若控制发动机关闭10 s后，没有一个条件满足

其次，“语法”要求我们从功能和形式两个层面来审视语言现象。在功能层面，不同的过程类型、级阶和性状具有相应的功能，而概念语法隐喻正是这些功能的“失常”：过程间出现相互转换，级阶出现转移（常为降级），性状出现转化（常为转向实体/名词，即名物化）。在形式层面，语法隐喻理论要求具有妥协性或灵活性的语法观，以满足功能“失常”导致的多个编码形式的需要，具体而言就是概念语法隐喻的一致式和（往往是多个）隐喻式，即Halliday所说的“不同的能指”。

CONTROL_POWER_OUT_OFF; //则无论如何关闭总电源

If(flame off flag==1) //发动机已停止工作

If(flame control off count<10) //发动机停止工作后计时

flame control off count++;

}

Else

{

FLAME_OUT_OFF; //发动机停止工作后1 s，停止熄火阀控制

CONTROL_POWER_OUT_OFF; //并且关闭总电源

}

Else //上电后发动机未启动

{

If(Engine shut count<200) //ACC断电后计时

Engine shut count++;

If(Engine shut count >=20) //上电后若发动机未启动，则

CONTROL_POWER_OUT_OFF; //ACC断电后2 s即关闭总控

Else

Engine shut count=0;

}

}

该程序添加在监控仪表的单片机原有程序中，可进一步增加监控仪表的鲁棒性，使监控系统在挖掘机抛负载时对仪表电源的器件冲击损害降到最低，从而更好地保护监控系统的电路不受干扰和损害。

3 结语

经过对JGM927-LC型挖掘机监控系统的电源模块、电子线路和控制程序三方面的优化设计后，该机型烧毁监控器问题得到极大改善，在节约改造成本和不耽误用户太多工期的前提下，将此重大问题完美解决。经过近半年的运行，没有出现监控器黑屏和烧毁监控器现象。该优化方案被逐渐应用于公司其他加强机型设备上，效果显著。

[1]李启月.工程机械 [M].长沙:中南大学出版社,2012.

[2]方义.工程机械中电源电路的优化设计[J].中国市政工程，2011(4):65-69.

[3]彭德刚.工程机械设备监控系统解决方案 [J].建筑机械化,2004(7):31-32.

[4]崔国华，张艳伟.WY1.5型液压挖掘机电路故障分析及改进[J].机械管理开发,2007(4)：71-74.

责任编辑：陈 亮

Improvement and Optimization of Electrical Defects in JGM927-LC Common Rail EFI Power Excavator

YAN Xiqing

(Fujian Chuanzheng Communications College,Fuzhou 350007)

10.3969/j.issn.1671- 0436.2015.06.008

2015-11- 05

严希清(1973— )，男，实验师，高级技师。

TP27

A

1671- 0436(2015)06- 0035- 04