工程機械線路安全及可靠性設計

黃 輝

（廣西柳工機械股份有限公司研究總院，廣西 柳州545007）

0 前言

隨著經濟的不斷發展，工程機械（如裝載機、挖掘機等）在基礎建設、礦山開采、建筑等領域得到了越來越廣泛的應用。工程機械結構復雜且工作環境惡劣，在實際使用中容易發生故障，而電氣系統是工程機械非常重要的部分，對工程機械的工作裝置、液壓系統、動力系統、傳動系統起到控制及輔助的作用，以使機器順利完成其作業任務。如果發生電氣故障，不但影響用戶的正常施工，嚴重的甚至會導致機器燃燒，危及用戶的生命、財產安全。提高工程機械電氣系統可靠性顯得尤為重要，而電氣線路在電氣系統中扮演著電氣神經網絡的角色。因此，線路的安全及可靠性是電氣系統設計中首要解決的課題。

1 工程機械線束的設計

線束主要由線束保護層、回路保護裝置、電線、插接器等構成，因此這些組成部分的元器件、材料選擇及制造工藝直接影響機器電氣線路的安全及可靠性。

1.1 線束保護層

由于線束需布置在機器不同的部位，因此對線束的保護層需要根據機器作業環境及機器不同部位的環境條件，結合保護層的材料特點進行選擇，才能對線束內部的電線起到保護作用，降低機器故障風險。

線束包扎防護材料通常包括膠帶、波紋管、PVC管、尼龍布、無堿玻璃纖維帶、熱縮管等用于線束基本防護的材料。每一種線束防護材料都有其自身特性功能，例如波紋管的耐磨性、PVC管及尼龍布的柔軟性、無堿玻璃纖維帶耐高溫性等。

（1）布置在車架發動機倉或其他高溫區的線束應采用耐溫不低于150℃的保護層進行保護，可優先采用尼龍類（PA）、聚丙烯改良類（PPMOD）的波紋管進行防護。

（2）布置在高于300℃環境溫度中（如熱鋼渣鏟裝工況）的線束應采用至少耐500℃的線束保護層，可選用無堿玻璃纖維帶。

（3）布置在機器駕駛室內部的線束保護層，應充分考慮保護層的阻燃性以及線束裝配、維修的便易性。可優先選用自卷繞尼龍布或者PVC管進行防護。

（4）曝露在機器外面的線束保護層，應根據外部環境選擇材料，以滿足環境溫度、濕度、日照等使用條件，且保護層耐磨不易變形，不影響機器外觀質量。推薦優先選用封閉波紋管或者雙層波紋管進行防護。

（5）對于機器的電源主干線，比如啟動電機正極電纜線應采用尼龍類（PA）、聚丙烯改良類（PPMOD）的封閉波紋管進行防護，且波紋管端頭采用雙壁熱縮管收口。確保電纜全長不出現裸露現象。

保護層阻燃性，布置在高溫區（如發動機倉）、油汽混合區的線束，其保護層阻燃性應符合 GB/T 2408-2008中垂直法V-0等級要求，布置在其他非高溫區、非油氣混合區域的線束，其保護層阻燃性應符合GB/T 2408-2008中垂直法V-2以上等級要求[1]。

1.2 回路保護裝置

回路保護裝置是當電路回路出現過流時，能使回路斷開的裝置，用于保護該回路的導線和電氣設備。在工程機械上，除起動回路中的主回路由于電流太大，可以沒有回路保護裝置外，其他回路均應具有回路保護裝置。

常見回路保護裝置有：熔斷器、斷路器、自恢復保險、智能接觸器（繼電器）、過熱保護器。

（1）回路保護裝置基本選用原則

斷路器具有響應慢的特點，并可能因振動導致短時開路，斷路器不允許用于帶有微處理器的用電設備回路。

在工程機械整機線路中不推薦使用自恢復保險、智能繼電器/接觸器和過熱保護器（熱繼電器）等回路保護裝置。

推薦使用熔斷器（參考QC/T 420-2004、ISO 8820-2：2005、ISO 8820-5：2007），通常稱之為保險（FUSE）。

（2）熔斷器的參數選用

熔斷器應工作在額定電壓范圍內，熔斷器必須在明顯處標明額定電壓（UN），熔斷器的額定電壓UN要大于機器的系統電壓，當工程機械的系統電壓是12 V/24 V，應選用額定電壓為32 V的熔斷器。

為了避免熔斷器本身及接觸電阻引起的發熱損壞熔斷器座，小于30 A的熔斷器可選擇片式熔斷器，大于30 A的應選用旋緊式熔斷器，30 A熔斷器推薦采用旋緊式熔斷器，若選用30 A片式熔斷器應為該回路配備獨立的安裝盒。

重要的功能模塊及涉及行車安全的用電器，應有各自獨立的熔斷器，例如變速控制、ECM、前大燈等，不能和其他功能模塊共用熔斷器。

由于熔斷器和熔斷器盒接線端子間接觸電阻以及熔斷器本身的電阻存在，當電流流過時會產生一定的熱量，所以熔斷器座或熔斷器盒的材料要求耐高溫且能阻燃。

環境溫度高會增加熔斷器的負荷，造成熔斷器的載流能力下降，在熔斷器選型的時候，需根據熔斷器制造商提供的修正曲線進行熔斷器額定電流IN的修正。

設計有多級熔斷器時（如圖1），當分支回路出現過流，該分支回路的熔斷器應當優先熔斷，并確保上級熔斷器不熔斷。

圖1 設計有多級熔斷器圖

1.3 電線和電纜

基于工程機械對電線和電纜的環境適應性要求，選用的電線應符合日標JASO D609-2001、JASO D611-1994 或 德 標 DIN 72551-1991、DIN 76722-2008或國標JB/T8139-1999、QJ/LG 0346-2013的規定。在選用電線時，第一選用序列為日標AV、AVS、AVSS線或者德標FLRY-B線，第二選用序列為國標QVR、QVR-105線。優先選用第一序列電線。考慮到電線的機械強度，電線的導體標稱截面積不能小于0.75 mm2，雙絞線、三絞線、屏蔽電纜等在一個共用外部絕緣層內有兩芯或以上具有獨立絕緣層的電線及叉車用的電線除外。

（1）電線線徑的選擇

考慮環境溫度因素對電線的載流能力的影響，在選用電線時，選取的電線線徑規格應保證電線在所處工作環境溫度下滿足載流量要求。在回路中有保護裝置的條件下，應保證在出現極端情況時（如短路、過流等），電線不應出現冒煙等現象。 各種電線的適用環境溫度范圍見表1。

表1 各種電線的適用環境溫度范圍

導線截面積的計算：

1）根據功率 P=UI，確定導線的電流，U是系統電壓，所允許的電壓降UJ是一定的，線路的電阻R=UJ/I和線路電阻的計算公式：

式中ρ為材料的電阻率（Ω·mm2/m），S是導線的截面積（mm2）

例如AV電線電壓降見下表2。

表2 A V電線電纜不同環境溫度條件下的容許載流量和電壓降[4]

2）或者按下面經驗公式：

式中I為額定電流（A）；A為導線的截面積（mm2）

3）線徑選擇也可以參考更為簡單的經驗計算方式：

當該負載為長時間連續工作時，應使電線額定電流≥負載電流×1.1；當該負載為短時間歇工作時，應使電線額定電流≥負載電流。

當有多個回路共用一根地線時，該地線的載流量應滿足需要同時工作的回路的全部負載電流。

（2）安全性驗算方法

本驗算方法適用于導體標稱截面積小于等于10 mm2的電線。

根據熔斷器的熔斷特性，得到所選用熔斷器的熔斷電流與最大熔斷時間的關系值，再按不同環境溫度下，電線絕緣層冒煙時間-電流曲線圖（以圖2 AV電線23℃環境溫度為例）查找該回路所選用電線在該熔斷器各熔斷電流下的冒煙時間，若有一個冒煙時間小于熔斷器的最大熔斷時間，則選用大一級線徑型號的電線重新驗證，只有當電線在熔斷器各熔斷電流下的冒煙時間均大于熔斷器的熔斷時間時，該線徑電線才符合設計安全要求。

圖2 電線絕緣層冒煙時間-電流曲線[4]

（3）電線的識別

為了方便線束設計、線束制造以及維修服務，避免錯誤連接，用于電氣回路中連接部件的電線和導線應做有記號且明確標識[2]。識別方法可以采用以下方式。

電線和電纜可以采用絕緣層顏色、編碼標識或者兩者混合的方式進行識別。每根電線或電纜兩端的標識應相同，且不同功能定義的電線或電纜標識

不能重復。當電線或電纜通過電器件后，則應改變其標識。當電線或電纜通過接線盒、插接器、公共接頭時，不應改變其識別[3]。

1）顏色識別

電線和電纜絕緣層不同的顏色表示專用用途的識別。連接同一個電器件，不同用途的電線其絕緣層顏色應不相同；同一個插接器中，不同用途的電線其絕緣層顏色也應不相同。

2）編碼標識

編碼標識可采用數字、字母、符號或它們的組合。對于可引起混淆的字母（如 B、D、I、O、Q、S、Z）應略去不用。對于字體結構有方向性的數字及數字組合（如6、9、66、99、69、96、868、686 等）應避免單獨使用。

1.4 插接器的選擇

鑒于工程機械設備所在的作業環境及工礦比較惡劣，為了避免線束插接器因震動、液體噴濺等不可預知的環境因素，造成插接器松動、進水、腐蝕，導致線路斷路、短路或接觸不良，從而使工程機械設備發生故障，因此暴露在機器體外的插接器應優先選用防水型的插接器，且應至少有符合IP65（按GB 4208）的防護等級[2]。但在防水、防塵較好的區域可根據實際情況選用非防水型的插接器。

（1）插接器的接線端子材料可以是銅、黃銅、銀等，推薦使用表面有導電電鍍層（例如鍍金、銀、鎳等）的端子，以減少端子配合時的摩擦損傷和電化學腐蝕；成對插接器接線端子的金屬材料應一致，以避免電化學腐蝕。

（2）因各插接器生產廠家的制造工藝存在差異，即使是同一系列、同一規格的插接器，其插接匹配也存在誤差。為了保證線路連接可靠，特別的對于較小電流的回路，例如控制信號回路。回路中的成對插接器護套及接線端子應選用同一制造廠產品。

（3）插接器應能在不同溫度環境下保持可靠的電氣連接和機械連接，在高溫區域（例如發動機附近）應使用耐高溫的插接器組件（例如護套、密封堵等），耐高溫插接器組件應確保在極限溫度（-40℃～125℃）的情況下不變形、不開裂。

（4）工程機械應使用帶有自鎖裝置的插接器，鎖緊裝置應能確保插接器承受不小于100 N的拉力而不脫開。

（5）在同一位置使用兩個或兩個以上插接器時應采取防錯接措施，可以通過選用不同芯數的插接器、插頭與插座的組合、相同芯數帶有防錯裝置的插接器護套以及顏色等來進行區分。

（6）所選擇插接器的端子應滿足各個回路的功率或信號要求。對于功率回路，插接器接線端子額定電流不得小于負載的額定電流，并考慮環境溫度對接線端子載流能力的影響；對于信號回路，優先考慮使用鍍金的端子。

2 工程機械電氣線路的布局

工程機械產品電氣線路的布局需保證線路中的線束，電氣設備的可靠性、安全性、維修性、環境適應性、可制造性及易于裝配的要求。

（1）線束的可靠性

主要通過采取增加線束覆蓋物對線束本體進行防護、對線束通過鈑金孔處進行可靠防護、增加線束固定支架、在條件允許的情況下盡量減少線束分段等措施，提高線束工作的可靠性。進行整車電氣線束設計的時候，需要考慮實現裝配的工藝性，有時會考慮將原本可以是一段的線束分成兩段。在進行分段設計時針對插接器的增加應考慮以下幾個方面：

1）線束上總的電壓降增加，電器件上的信號強度衰減，以及線束屏蔽中斷對電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)的影響[2]。

2）插接器的增加，會造成電氣連接的不可靠連接點增加。

3）為了固定增加的插接器，增加支架或考慮其他固定方式。

鑒于以上幾點，在條件允許的情況下，盡可能減少線束分段，采用貫穿式線束設計。

（2）線束可維修性

線路布置時，應確保整車電氣系統具有良好的可維護性。線束插接器盡可能布置在觸手可及的地方。

1）線束插接器如果只能用單手插拔，其對插端要被可靠固定。插接器末端的線束應該預留一定的長度，以便于插接器的插拔：對于開關端的線束建議預留80～100mm，儀表、音響、空調面板、保險盒等維修率比較高的電器件，其后端線束根據總成安裝位置預留到容易插拔的長度。

2）需要在外面連接電器件插接器且需再塞回固定的線束，除為保證線束維修性而留足拉出操作時需要的長度，還要考慮固定后的線束堆積空間和線束固定方式。

3）日常需更換、維護頻次較高的保險絲和繼電器應布置在易于發現及便于操作的位置。

（3）線路可制造性

在設計線束固定方式及固定結構時要考慮裝配的可制造性，確保固定可靠的同時盡量減少裝配過程的工序。盡量采用簡潔的固定方式，尤其對于空間狹小區域，如駕駛室頂部走線、駕駛室內飾間走線，由于其空間狹小，盡量采用塑料卡扣或扎帶固定。

1）在線束固定結構以及相關功能盒體設計過程中，采用常用的標準件，并且標準件種類盡量少，減少裝配及維修中專用工具的使用。

2）對于裝配時插接器或線束固定結構需要穿過駕駛室或地板的情況，其緊固件如果采用普通六角螺母和螺栓，一名裝配人員難以獨立完成操作，應考慮采用焊接螺母或焊接搭子進行固定。

3）線束的固定孔要盡可能開在結構件的平面區域，并避開結構件的焊縫。

（4）線束的布置及固定

線束布置時應使信號線盡可能遠離零部件電磁干擾源，例如電喇叭、揚聲器、雨刮電機等。線束布置無論在機器靜止或運動狀態下，不應與液壓管路、動力油路、機械機構發生干涉、阻礙，保持線路走向順暢、整潔，線路布置整齊。線束的走向在考慮好拆裝工藝后，須遵循最短路徑的原則，因為較短的回路有以下優勢：

線束段消耗電壓降低、信號衰減減少；減輕整車質量；降低線束成本。

1）運動件、開閉件（如挖掘機動臂）間的線束要留足最大開度的長度，并考慮在部件最小開度時的堆積空間和固定方式。

2）線束布線應根據線束直徑的大小選用適當規格的線夾進行固定，確保線夾裝配后不擠壓到內部導線，避免線束在振動環境下與線夾摩擦或竄動。在線束拐角處，拐角點前后均應設置固定點。

3）主干線固定點（線夾、扎帶等）與分支點的位置應保持30～100mm的間隔，有效保護分支點，同時防止線夾與分支點因太近而使分支處受磨損。

4）線束分支連接部件時應預留足夠的松弛度（一般大于線束理論最小長度25 mm），使其不對所連接的電器件產生預應力，以避免振動環境下影響線束的電氣連接性能。

5）線束布置時，應確保固定可靠，避開板料的邊角處以及鋒利的地方或毛刺處，避免與其他部件發生干涉，以免造成線束磨損。

6）當線束需跨接在兩個非剛性連接的車體或部件上時（如駕駛室與車架連接），為確保線路接地可靠性，應在兩個連接車體或部件之間增加接地線纜。推薦優先選用銅編織帶。

7）布置在高溫區（如發動機）的線束應采用至少耐150℃高溫的線束保護層，同時設計保護裝置使線束不與高溫源直接接觸，且應確保線束與高溫源至少有30 mm的距離。布置在高于300℃環境溫度中（如熱鋼渣鏟裝工況）的線束須采用至少耐500℃的線束保護層，推薦采用無堿玻璃纖維帶。

8）線束布置應盡量避開油液易積區域，若不可避免，應設計保護裝置防止線束被油液浸泡侵蝕。線束布置應盡量避開有飛濺物、跌落物區域，若不可避免，應設計保護裝置防止線束、插接器被侵蝕、砸傷。

9）在有相對運動部件上布線時，應在各部件上對線束進行固定，且線束應留有一定余量以避免運動過程中被拉扯，如果部件的相對運動頻次較高，推薦使用夾布橡膠管作為額外保護層。

10）插接器布置應盡可能保持水平方向，避免水或者其他液體沿著電線滲入插接器內。插接器的安裝應盡量避開高溫區域，如無法避開，應增加相應的保護措施。插接器不允許安裝在油液（如柴油、液壓油等）浸泡區域。

3 結束語

由于工程機械設備工況特殊、作業環境惡劣、功能及控制方式復雜，因此其電氣系統與汽車相比要求更特殊，本文旨在通過對工程機械線束設計及線路布局的設計分析及方法研究，提高線束及線路可制造性、裝配性的同時，從而達到提高了工程機械整機的安全性及可靠性目的[4]。