工程機械機電一體化技術的應用與發展

索小娟， 陳光偉，王 娜

1.鄭州鐵路職業技術學院，河南鄭州 450052；

2.中鋼集團金屬制品研究院有限公司，河南鄭州 450001

1 概述

機電一體化也叫機械電子學，它是機械技術、微電子技術、計算機技術及信息技術相互影響、滲透與結合而形成的一門新興的邊緣學科[1]。機電一體化是在機械主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術，并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統的總稱。

機電一體化技術首先在汽車上應用，70 年代中期開始人們將機電一體化技術推廣到工程機械上，從根本上改變了工程機械的面貌，實現省能化、自動化、智能化。據調查，現階段國內外許多高性能工程機械普遍應用電子控制系統，該系統以微機或微處理器為核心并且已經成為必不可少的一部分，現在衡量某種工程機械性能的高低是看其機電一體化水平的應用程度。

2 工程機械中機電一體化技術的應用

2.1 機電一體化和工程機械的關系

現階段工程機械較傳統工程機械來說各種性能都得到了顯著改善，如操作舒適性提高；機械功率高且能耗小；可靠性提高；作業精度及作業效率提高等。工程機械各種性能的提高正是因為將機電一體化技術引入到工程機械中，使得機械、液壓技術和電子控制技術有機結合。目前現代工程機械的許多領域都應用了電子技術，表現為應用電子控制裝置（系統），這種裝置（系統）以微機或微處理器為核心，諸如工程機械的狀態監控與故障自診，拌和設備稱重計量過程的自動控制等。隨著科學技術的不斷發展，功能越來越先進、結構越來越復雜的電子控制裝置將廣泛地應用于現代工程機械上。

2.2 機電一體化對工程機械功能的改進

現代工程施工通常要求工程機械具有較高的性能：1）具備運行狀態的監視功能、自動報警及故障自診功能；2）機械功效高且能耗小；3）技術性價比較高；4）自動化程度及精度越高越好；5）使用成本較低；6）操作安全、簡單，使用壽命長。

下面對現代工程機械的電子（微機）控制系統實現的功能進行說明。

2.2.1 控制柴油機

發動機排放質量與最低油耗間的矛盾，給柴油機技術的深入發展和研究帶來了很大的困難。隨著電子技術的發展，冷風扇的轉速隨溫度的變化自動控制、電子節能液壓泵系統減小能耗、根據負荷條件自動調節柴油機油門、電子控制自動變速等裝置的應用，使柴油機在各種變工況下自動選擇能同時滿足經濟指標和排放指標的最佳噴油定時，充分實現節約能源、凈化排氣、提高效率的目的。

2.2.2 保證成品的作業精度

電子控制系統應用到工程機械設備上，不光使稱量精確且過程自動化，同時避免了人工測量誤差較大的弱點，提高成品的作業精度。如混凝土攪拌站的計量過程大多都實現了自動化，這種電子計量系統廣泛采用微機控制。推土機上采用激光導向和電液伺服控制技術，自動控制鏟刀的切土深度，減少了推土機往返作業的遍數和行程，提高了作業精度和作業效率，降低了施工成本，同時也減輕了操作人員的勞動強度。

2.2.3 降低能耗，提高生產率

傳統工程機械的燃料能量利用率僅為20%左右，非常低，所以提高能量利用率在現代工程機械的發展中勢在必行。新型節能控制器（OLLS 系統）應用于日本小松公司生產的新型挖掘機上后，燃料可節省23%，節能效果良好，因為該系統能使發動機轉矩和泵吸收轉矩經常保持在最佳配合狀態，可有效地利用發動機功率，使作業機構動作迅速，大大提高了生產率。同時在使用質量差的燃料造成發動機功率下降的情況下，由于微機控制系統能自動調節油泵吸收轉矩，不會出現以往發動機冒黑煙或停車的現象。

2.2.4 電子監控、自動報警及故障自診

電子監控和故障診斷專家系統設置各種類型的傳感器，監控工程機械的發動機、傳動系統和液壓系統等的運行狀態，在故障發生之前預先發現問題，從而避免損壞機件事故的發生，保證作業人員安全。同時能動報警并準確地判斷故障發生的位置，提供處理方法，降低設備維修成本，降低設備故障率及停機臺次，保證設備安全、穩定及長周期運行。如日本三菱Ms160O 型礦用液壓挖掘機、美國卡特皮勒公司生產的936 型裝載機等都備有電子監控報警系統。

2.2.5 作業過程的自動化或半自動化

采用自動化或半自動化控制方式在提高生產率的同時降低了操作者的勞動強度，作業精度也不會受到操作人員的技術和生產經驗的影響，達到提高工程機械的運作效率和質量的目的。

例如，日本和歐美各國研制的新型挖掘機可實現作業模式自動化，工作裝置—鏟斗的形狀與運動軌跡可由操作人員預先在在自動化的挖掘軌跡控制板上設定，完成后各種傳感器將信號將傳輸到微機控制系統，動臂、斗桿和鏟刀受到微機系統的控制而按預設定動作，完成各種特定形狀和斷面溝槽和斜面等，從而減少操作人員因經驗不足產生的誤差或事故的發生。

2.2.6 提高安全性

為了防止了翻車和斷臂事故，提高作業安全性，國外塔式起重機和輪式起重機大多裝有微機控制的力矩限制器，一旦超負荷立即發出警報。此外，國外的許多井下挖掘機采用無線電遙控裝置，實現無人駕駛，使工程機械在有放射性物質污染地區和高溫或水下等危險地點上進行作業。

3 工程機械中機電一體化技術的展望

目前，國內工程機械機電一體化技術的發展遠落后于日本和歐美等國，根本原因是沒有得到足夠的重視，未來應該加大工程機械機電一體化技術的研究和應用力度。今后，機電一體化技術的發展趨勢如下。

3.1 電子控制理論

隨著以微電子為核心的高新技術推動了自動控制技術在工程機械上應用和推廣，成為工程機械現代化的重要標志。在控制理論的指導下，進行系統設計，設計后的系統仿真等。自動控制技術可應用于工程機械作業的控制和操縱，比如攤鋪機應用基于CAN 總線的工程檢測系統，實現自動找平、行駛速度和車輛轉速控制。目前，最優控制方法和自適度、模糊控制方法被國內外工程機械行業廣泛采用。

3.2 計算機與信息處理技術

信息處理技術包括信息的輸入、識別、變換、運算、存儲及輸出技術，實現信息處理的主要是計算機。計算機技術包括計算機硬件技術和軟件技術、網絡與通信技術、數據庫技術等。計算機應用及信息處理技術成為促進工程機械機電一體化技術發展最活躍的因素。信息處理技術方面尚需研究開發的課題有：人機接口裝置信息的智能化、可編程控制器的標準化等。

3.3 傳感器技術

目前，現代工程機械上傳感器得到廣泛應用，發動機應用冷卻水溫度傳感器、機油壓力傳感器等來檢測和控制發動機的運轉狀態；瀝青攤鋪機上角位移、傾角等傳感器的應用使攤鋪機在工作時實現自動找平且行走速度不變，攤鋪出來預定的平整度、坡度和厚度的路面。隨著傳感器技術的迅猛發展，可靠性與穩定性不斷提高，精度越來越高，采集信息的范圍越來越廣，并將向集成、多功能化和智能化方向發展，未來越來越多種類的傳感器將應用到工程機械上。

4 加快我國工程機械機電一體化技術發展面臨的問題和應對措施

4.1 面臨的問題

目前，我國工程機械行業總體水平不高，遠遠落后于日本和歐美等國，存在的主要問題有：服務面太窄，產品結構不適應現代化建設的需要；具有核心競爭力的產品少；發動機、液壓系統和傳動系統等基礎零件質量一直不過關等。

4.2 應對措施

針對上述我國工程機械行業目前存在的主要問題，應從以下幾方面展開工作：1）重視科研技術開發工作，加大科研經費的投入，同時要全面規劃，實現多層次發展，循序漸進，從完善普通低成本的數顯裝置，電子化儀表做起，逐步實現設備的半自動化，如帶有一定職能的工程機械專業系統，到最后實現機械與電子深度結合的產品與系統，如工程機械智能機器人，計算機輔助管理系統等；2）振興工程機械行業發展，把立足點放在提升基礎技術和基礎部件水平方面來。應采取國內突破，引進和消化國外技術，以及國內產品與國外產品配套各種模式并存的方針；3）改變科技人員的知識結構，要在人的知識結構上體現“一體化”。 我國工程機械科技人員的知識結構不合理，在培養過程中，要做必要的調整和改革，讓其學習有關新技術成果方面的知識，學習有關控制論、計算機等方面的基礎知識，適應新技術的發展要求。

5 結論

綜上所述，工程機械機電一體化技術已進入實用化階段，今后將繼續向著更高的階段發展。工程施工中工程機械的使用過程中，遵循設備使用和管理“以人為本”的原則，要想更好地融入科技含量越來越濃厚的現代工程施工中，維修和管理人員盡快了解和掌握機電一體化技術是基礎和前提。

[1]黃洪鐘.機電一體化技術在工程機械上的應用[J].筑路機械與施工機械化，1990(7)：6-8.

[2]張青.工程機械概論[M].北京：化學工業出版社，2009：4-5.

[3]魏建碑.淺談機電一體化在工程機械中的應用[J].黑龍江科技息，2009(25)：7-9.