淺談電動挖掘機數字化施工技術原理與應用

摘要：電動挖掘機零排放，能耗、使用成本低，通過應用先進的數字化技術，提高挖掘機的能源利使用效率，有利于減少環境污染。數字化施工技術為電動化挖掘機的設計和操作提供了新的思路和方法，通過優化設計、智能控制和大數據管理，可以實現節能減排、提高施工效率和質量的目標。

關鍵詞：電動機；數字施工；系統；能源

0 " 引言

目前，在非道路施工機械中，所用柴油發動機排量大，油耗高，發動機的排放標準遠低于道路車輛，因此對環境的污染比其他道路車輛更為嚴重。統計數據表明，工程機械領域中污染物的排放量占全部移動機械排放源排量的14%，已成為全球環境最為嚴重的污染源之一。

以挖掘機為例，其燃油消耗量占全國各行業燃油消耗量的9.7%，是不可忽視的主要污染排放源。以某型號20t挖掘機為例，每小時耗油量在20～30L左右，相當于一輛小型汽車行駛300～450km的耗油量。在正常工作相同時間內，一臺20t挖掘機的廢氣排放量相當于30輛小型汽車的廢氣排放量。因此，非道路移動機械行業節能減排任務格外重要。

傳統的工程設備對于人的依賴度非常高，施工精度無法保證，重復性勞動強度很大、施工效率低下等問題，嚴重阻礙了新技術在工程設備上的發展和技術迭代。電動挖掘機具有節能、安全、環保、綜合使用成本低等優勢，本文通過優化能源替代方案，實現動力系統的電動化。同時通過數字化施工技術設計一種電控系統，以提升施工效率，量化施工任務，降低勞動強度的工程設備。

1 " 電動挖掘機技術特點和優勢

電動挖掘機采用電能驅動，無排放物質，對環境污染更小，能源消耗更低。其結構簡單，維護成本相對較低，不需要經常更換零部件。盡管它的購買成本相對較高，但使用成本相對較低，能源消耗少、維護成本低。在設計時，可通過使用先進的設計軟件和仿真工具，對挖掘機的結構和動力系統進行優化設計，以減少能源消耗和環境排放。

電動數字化施工系統，需根據終端客戶施工環境和任務，定制數字化的系統解決方案。通過配備傳感器和數據采集系統，實時監測和記錄能源消耗情況。對能源消耗數據進行分析，可以識別能源的使用模式、高能耗環節以及節能潛力，有利于優化挖掘機的操作和節能策略。

通過數字化系統記錄挖掘機的工作時間、負荷情況和作業速度等數據，可以評估挖掘機的工作效率。這些數據可以用于識別工作效率低下的環節，并有利于采取相應的措施進行改進，提高工作效率和節能效果。通過傳感器和數據分析技術，實現故障診斷和預測維護，有利于及時發現故障和異常情況，并采取預防性維護措施，減少停機時間和能源浪費。

2 " 電動挖掘機控制系統組成及原理

2.1 " 動力控制系統

動力控制系統的關鍵組成部件是電驅動、蓄電池和電控系統。BMS（電池管理系統）用于監測電池組的狀態，包括電池電量、溫度、電壓等，并對電池進行管理和保護，以確保電池的性能和壽命。電池作為電動挖掘機的主要能源存儲裝置，用于提供儲存的電能，并通過PDU將電能傳輸到電機系統中。

PDU用于管理電池輸出的電能，并將其分配給不同的系統或設備，如電機驅動、照明系統、輔助設備等。ECU是控制電機的核心部件，它通過接收來自車輛控制單元（VCU）或操作員輸入的指令，并生成相應的控制信號來控制電機的轉速、扭矩和方向。VCU通過對主泵和主閥的精確控制，實現準確的動作執行，如挖掘、回轉、行駛等。電動挖掘機動力控制系統組成框圖如圖1所示。

2.1.1 " 電機

電機通常采用永磁同步電機，永磁同步電機轉矩大、功率密度大、起動力矩大，動力性能指標好，高效節能，結構簡單，可靠性高，噪聲低。動力蓄電池采用磷酸鐵鋰作為電能存儲單元，其具有充電快速、放電壽命長、動力強勁、能量密度高等優點，適合液壓挖掘機的復雜作業工況、劇烈負載波動對動力源的需求。

2.1.2 " 電池管理系統BMS

電池管理系統BMS用于對蓄電池組和蓄電池單元的運行狀態進行動態監控，精確測量蓄電池的剩余電量，同時可對蓄電池進行充放電保護，使蓄能器電池工作在最佳狀態。

2.1.3 " 電源分配單元PDU

PDU電源分配單元，用于實現對整車高壓用電元件（電機控制器及三合一電源）的預充控制盒電源分配，同時進行整車端的高壓安全管理。

2.1.4 " 電機控制器ECU

ECU是電機控制器是一種能夠控制一個或多個電機的電子設備，通過控制電機的電流、電壓、頻率和相位來控制電機的轉速、方向和輸出功率。通常，電機控制器包含控制電路和功率電路兩部分。主要作用是使電機運行在所需轉速、方向和輸出功率下，從而提高電機的效率、精度和可靠性，并降低電機的噪聲和能耗。

2.1.5 " 整機控制器VCU

VCU控制器是指挖掘機整車電控系統中的控制器，其作用是對整車的電動機、液壓泵、液壓閥等執行器進行控制和管理，實現整車的動力輸出、行駛控制、工作控制等功能。根據挖掘機的工作環境和工作需求，制定相應的電控策略，包括能量管理、驅動控制、液壓控制等方面。

VCU控制器通常采用CAN總線或以太網總線等現代化通信技術，用于控制器之間的數據交換和信息傳遞。控制對象主要包括電動機、液壓泵、液壓閥等執行器，以及傳感器、開關等感知器件。開發工具通常包括仿真軟件、開發板、調試工具等，主要用于進行控制算法的開發、調試和驗證。

2.2 " 數字化引導施工系統

姿態計算控制器通過4個傾角傳感器信號計算鏟斗齒尖相對位置，結合接收機GNSS的坐標信號，計算齒尖坐標位置。同時根據客戶設定的目標平面，實時計算齒尖與目標面的距離，并通過聲光信號進行引導。數字引導施工系統組成如圖2所示。系統各部分功能具體如下：

2.2.1 " 傾角傳感器

傾角傳感器在原有電路基礎上增加陀螺儀，測量動態傾角，即物體在運動過程中相對于水平面的傾斜角度。它的特點是響應速度快、精度高、適應高頻率振動環境，適用于需要測量運動中傾斜角度的場合。在建筑、機械、汽車、航空航天等領域，主要用于測量設備或結構物的傾斜角度，以便進行控制或監測。

2.2.2 " GNSS天線

GNSS天線是一種用于接收全球衛星導航系統（GNSS）信號的天線，包括GPS、GLONASS、Galileo等系統。它的作用是將衛星信號轉換成電信號，傳輸到GNSS接收機中進行處理和分析。天線的精度取決于其設計和制造質量，一般可達到數厘米至數米不等的精度。GNSS天線廣泛應用于車載導航、航空航天、測繪、農業、地質勘探等領域，是實現高精度定位和導航的重要組成部分。在接收到衛星信號后，其開始工作，把信號轉換成數據進行處理。

2.2.3 " GNSS接收機+顯示器

工業顯示屏將GNSS接收機集成到一體，它不僅可以將設備的位置、速度、時間等導航信息描述出來，還可以實時顯示當前用戶所在經度和緯度坐標。

2.2.4 " 姿態計算控制器

姿態計算控制器是一種工業專用計算控制單元，用來計算挖掘機每節臂的姿態，結合GNSS定位坐標，最終可計算出挖掘機斗齒的實時位置。

2.3 " 數字化的防傾翻預警系統

工程設備整車控制器內部程序設定允許最大傾斜角度， 如果整機工作中傾斜超過設定值，機器通過聲光報警，控制器會立即停止機器所有動作。該系統可動態監測整車水平姿態，具備實時預警功能，可對誤操作導致的整車傾翻預警，保護操作人員的安全，降低損失。防傾翻系統系統框圖如圖3所示。

控制器VCU內部程序設定安全角度閾值，并可實時采集傳感器輸出角度值，當任一方向傾斜角度值大于系統設定值時，控制程序會主動切斷車輛的所有動作。

2.4 " 數字化新機手操作實訓系統

數字施工系統具備模擬機功能，新操作人員通過駕駛室內顯示屏，可將自身置身于真實工作場景，全方位了解自己操作的規范性和施工面情況，從而降低培訓成本和提高培訓效率。挖掘機實訓系統系統如圖4所示。

操作手可以從三個不同的視角全面觀察設備的工作情況。可通過操控駕駛室電子手柄，從顯示屏實時觀察到挖機的各種復合動作。若現場環境限制，系統可以設定上限高度和下限挖掘深度，超限時系統會報警提示，以保證培訓安全操作。同時，系統可實現單一重復性動作設定，用于道路坡道角度施工控制。

3 " 使用成本分析

3.1 " 電機電能消耗

電機電能消耗公式如下：

T·Ce=P·t·Pe " " " "（1）

式中：T·Ce表示用電總成本，單位為元；P表示電機的額定功率，單位為kW；t表示電機實際工作時間，單位為h；Pe表示電價。如果電機功率140kW，工作時間8h，電價為0.725元/kWh，則用電總成本為812元。

3.2 " 燃油機油耗

燃油機油耗計算公式如下：

T·C=t·Ge·P " " " "（2）

式中：T·C表示燃油總成本，單位為元；t表示實際工作時間，單位為h；Ge表示柴油機平均油耗，單位L/h；P表示燃油價格。如果機器工作時間8h，平均油耗20L/h，0#柴油價格按7.16元/L計算，則燃油總成本為1145元。

通過公式（1）和公式（2）兩者的計算結果可以發現，電動挖掘機的使用成本低于燃油挖掘機，能源消耗量更為穩定，而燃油挖掘機的油耗率受多種因素影響，如工況、環境溫度等較為不穩定。

4 " 市場應用領域

4.1 " 基礎設施建設領域

在城市建設、道路施工和土地開墾等基礎設施項目中，通過應用數字化技術，挖掘機可以實現更精確的操作和更高效的施工，從而提高施工效率、降低能源消耗。

4.2 " 礦山和采石場領域

在礦山和采石場主要用于挖掘礦石和石材，通過數字化控制和自動化功能，挖掘機可以實現更準確的挖掘和負荷控制，從而提高采礦效率，降低能源消耗。

4.3 " 港口和航道工程領域

在港口和航道工程中，主要用于土方工程、淤泥清理和航道維護等任務。數字化技術可以幫助挖掘機實現精確的航道挖掘和土方運輸，提高工作效率并減少能源消耗。

4.4 " 環境保護和資源回收領域

環境保護和資源回收領域主要分兩類：一是用于垃圾分類、堆場管理和垃圾填埋等環保工作，二是用于廢物處理、回收廠中的廢物分類、處理和資源回收。

4.5 " 農業和園林領域

農業和園林領域包括農田水利設施建設、農田平整和農作物種植等，此外，還可用于公園、景區和園林的土地修整、植樹和景觀布置等任務。

5 " 電動挖掘機現階段不足

電動挖掘機符合可持續發展的理念和需求，有助于建設更環保和可持續的工業和城市環境。許多國家和地區都出臺了鼓勵使用環保設備的政策措施，包括對電動挖掘機提供稅收減免、補貼和獎勵等政策支持，以促進其在市場上的推廣。

但電動挖掘機電池容量和充電時間，限制了電動挖掘機的連續工作時間和作業范圍。在一些偏遠地區或工地條件有限的場所，由于充電設施的供應不便，限制了電動挖掘機的使用。此外，由于電池和電動系統的成本較高，導致電動挖掘機的購買成本比燃油挖掘機高。

這些缺陷和不足之處，并不意味著電動挖掘機沒有應用價值，而是需要根據具體的工程需求和環境條件進行綜合考量。相信隨著技術的進步和電池技術的改善，這些缺陷和不足會逐漸減少。

6 " 結束語

當今，世界正在經歷能源緊張和傳統工業化操作習慣改變的歷史時期，工業4.0帶來的數字化轉型需求，能源及產業鏈升級調整，還有社會化人口老齡化和低出生率現狀，迫切要求工程設備具有高效、節能、環保的特點。數字化施工技術，為電動化挖掘機的設計和操作提供了新的思路和方法。通過優化設計、智能控制和大數據管理，可以實現節能減排、提高施工效率和質量的目標。未來需要進一步探索更先進的數字化技術在挖掘機施工中的應用，從單機智能化向機群智能化管理邁進，推動行業向智能化和可持續發展的方向邁進。

參考文獻

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