浅析机电一体化技术在挖掘机上的应用

1大中型液压挖掘机普遍采用电子节能技术。

美国市场对发动机排放的要求非常严格，要求满足轮胎3标准的发动机在其国内市场销售。所以进入美国市场的挖掘机大多采用高排放标准的发动机，尤其是中大型挖掘机。电喷发动机成为了标准配置，相比机械发动机在操控性和节能性上有了很大的提升。

2具有自动怠速功能的小型液压挖掘机

与上述大中型液压挖掘机普遍使用电喷发动机的情况相比，10吨以下的小型挖掘机由于成本问题，仍然广泛使用机械发动机；所以在节能方面，国外挖掘机公司采用了不同的技术。

JCB小型挖掘机采用电子控制油门执行器。驱动器采用液压缸，角度传感器实时反馈油门位置。此外，还利用连接在液压缸上的电磁阀来实现电子油门和自动怠速的功能。

纽荷兰挖掘机自动怠速系统的油门仍然是机械拉杆(软轴)的形式，但设计了自动怠速结构。当系统检测到需要自动怠速时，电磁铁被吸合，机构运动，发动机回到怠速状态。

3液压挖掘机采用电液比例控制技术

该类产品是指在普通液压先导式挖掘机的基础上，利用电液比例技术控制挖掘机，并相应使用电比例手柄代替液压先导手柄。其基本原理是采集电动手柄的动作信号，用控制器计算并输出相应的PWM值来控制比例阀。结合机器上安装的传感器，可以实现一些自动或半自动功能。现场展示的典型电动挖掘机有:

(1)徕卡公司开发的挖掘机工作平台是徕卡公司专门定制的，用于展示其电子挖掘机的控制技术。它不仅采用了电液比例技术，还具有辅助挖掘作业装置。通过安装在平台上的显示屏和工作装置上的倾角传感器，可以实时显示铲斗的运动轨迹。

(2)何山智能的SWEL55挖掘装载机与通常的不同，其工作装置位于一端。从挖掘机切换到装载机时，只需折叠工作装置，反之亦然。为了方便工作装置的模式转换，该机采用全电子控制技术，通过控制器可以轻松完成不同模式下电动手柄的模式转换和不同功能。

(3)斗山的主从式挖掘机，控制原理是:属于一种主从式控制形式，通过手指、手腕、动臂对应控制铲斗、斗杆、动臂；前臂的左右偏转控制挖掘机的旋转。在作业过程中，当操作者(主控制器)的相应关节动作时，计算机采集信号并与安装在挖掘机(从控制器)上的角度传感器的信号进行比较。如果有偏差；发出遥控信号控制挖掘机消除偏差，从而达到控制挖掘机的目的。它的原理还是点对点控制，所以同步有误差。

(4)采用胡斯科技术的液压挖掘机的工作原理是:动臂和回转仍采用常用的液压先导主阀，系统中装有能量回收机构，回收动臂下降的能量，储存起来供其他工作装置使用；斗杆和铲斗采用特殊的电动控制阀，阀门分别布置在工作装置液压缸附近，而不是传统的将所有主阀布置在一起的方式。电控阀由四个插装阀组成，分别控制阀门的A口和B口。它不同于常用的单卷轴形式；一些研究人员声称，采用这项技术后，挖掘机可以节能25%。

4各种监控技术在液压挖掘机上的应用。

为了方便操作者查看机器的重要参数，实时了解整机的状态；仪表技术在液压挖掘机上已经得到了广泛的应用，但出于成本考虑，不同吨位的挖掘机使用的仪表等级也不同。一般来说，10吨以下的小型履带式挖掘机多采用机械仪表或黑白液晶屏。

在挖掘机上采用高质量的液晶彩色显示屏，特别是20吨以上的挖掘机，已经得到国内外的广泛认可。现在分析展会现场的两款精美仪器:Trimble公司为挖掘机开发的CB430仪器和Komastu挖掘仪器。Trimble以动画的形式实时显示挖掘机的轨迹，并提供坐标。显示屏上的按钮可以提供视角的切换。Komastu的仪表界面分为两部分:一部分显示整机的工作参数，另一部分可以以单屏和双屏的形式显示安装在车体后部的摄像头采集的图像。两套操作仪器整体效果良好，显示/监控系统界面直观简洁；识别准确，易懂易操作。仪器方面，国内厂商都采用了；但国外产品和仪器的高质量值得国内挖掘机厂家学习。

5 GPS技术在液压挖掘机中的应用

(1) GPS技术用于远程维护和信息管理。

这种技术的定位精度不高，一般在米级。GPS控制器主要用于采集远程维护所需的信号，并上传到服务器。通过互联网，可以查看机器的状态(通过收集传感器信息)、历史工作记录等等。约翰迪尔、日立、海恩代、卡特彼勒、科玛斯都等。展示了自己的技术，其中JohnDeere可以现场操作，如图16所示。日立展示了其GPS系统的组成，如图17所示。国内很多工程机械主机厂家也采用了这项技术，但目前大部分厂家的GPS系统还不够强大，需要进一步完善。

(2)高精度GPS系统的应用。

该系统采用GPS差分技术，结合激光、全站仪、超声波和多传感器技术，通过软件界面的设计，在系统的虚拟仪器中提供施工现场的三维图形和机器的三维坐标等信息。精度可以达到厘米级。该技术应用于大型建筑工地，尤其是各类工程机械的集群作业；可以显示其优势，有利于施工管理人员的有序调度，提高集群的工作效率。

纵观过去三年的三个展会，这项技术的领先公司是天宝、拓普康和徕卡。除了自己的展位，这三家公司还特意安排了一个颇具规模的产品应用展区，展示的产品无论是数量还是种类都远超上两届展会。Trimble的用户主要是:CAT、Komastu、Topcon的主要用户有:卡特彼勒、约翰迪尔和沃尔沃；徕卡用户主要是:JohnDeere。产品类型包括挖掘机、两忙、推土机、平地机、压路机和农业机械。这么多产品的展出也说明了这项技术在美国市场的广泛应用，但是由于成本和市场需求的原因，这项技术在国内还处于实验室阶段。

6带辅助挖掘系统的液压挖掘机

为了提高工作效率，近年来，辅助操作系统越来越受到主机厂的重视。展会现场还展出了相关产品。严格来说，高精度GPS技术的应用也属于辅助作业的范畴。因为上面已经描述过了，这里就不展开了，只描述单机辅助开采系统。下面举几个例子来说明:卡特彼勒公司的挖掘机采用了Trimble公司开发的挖掘机辅助系统和Prolec公司开发的挖掘机辅助挖掘系统；约翰迪尔60D挖掘机采用徕卡公司开发的一整套辅助挖掘系统。这套系统的基本工作原理类似，主要是利用安装在挖掘机工作装置上的角度或倾斜度传感器，实时检测挖掘机的工作状态；系统中的仪表用于显示工作装置的轨迹和铲斗末端的坐标。做精细工作时，可以在仪器中输入要完成的工作面形状，操作者可以按照提示进行操作，直到完成预定的形状。该系统可以提高工作效率和精度，特别是在复杂工作面的开采和平整作业中。如果结合激光技术，我们还可以利用安装在铲斗上的红外接收器来挖掘指定深度的基坑，提高了精度，节省了人力成本。以上机电一体化在挖掘机上的应用，是我在这次展览中看到的一角。

纵观本次展会，对比前两次展会，不难发现更多的厂商展示了他们的挖掘机电控技术，尤其是很多厂商推出了具有电控功能的成熟产品，这说明国外很多厂商对这项技术的重视，也说明机电一体化技术在美国市场已经得到了充分的认可，未来还会有更大的发展。在这一领域，我国一些高校、工程机械制造企业和科研院所已经充分认识到其重要性，但大多数还停留在实验室阶段；因此，在其成熟、可靠、市场化的道路上还有很长的路要走。

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