工程机械中的机电液一体化技术

工程机械中的机电液一体化技术

曾亿山

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥230009）

摘 要：我国由于基础设施建设的大力发展，工程机械的应用需求量越来越大，对工程机械的研究得到了高度重视。本文对工程机械国内外发展的现状及其趋势进行了分析阐述。研究表明以电子、信息技术为先导开发出的与各种工程机械相匹配的软、硬件系统，将使工程机械向信息化、智能化、数字化、人性化方向发展。

关键词：工程机械；机电液一体化；信息技术；数字化

0 引言

随着国民经济的快速发展，基础设施建设力度的增加，对各种工程机械的需求量越来越大，促使人们高度重视对工程机械的研究。以合力叉车、日立挖掘机、合肥锻压机等为代表的安徽工程机械，在国内具有较大的影响。如何把握其发展方向，提高技术含量，与世界同步，做大做强工程机械这个大产业，对全省乃至全国经济的发展都具有重要的意义。

近年来，国外工程机械产品以机电液一体化综合技术为发展方向，进行大量的研究。开发出与各种工程机械相匹配的软、硬件系统，使工程机械向信息化、智能化方向大步前进，提高了工程机械的高科技含量，促进了工程机械的发展。

体现在工程机械上的是高度发达的机电液一体化系统。它一般由机械部分、动力部分、液压部分、传感（检测）部分、驱动部分、控制及信号处理几个部分有机组成。这种统一体不是机械、液压与电子电器的简单组合，而是必须具备有一定智能化的三大功能：一是能检测、识别工作对象和工作条件；二是可自行做出下一步动作的决策；三是有响应决策，执行动作的伺服机构。即，现代工程机械装上了传感器——感觉器官；布上了传输线路——神经系统；添上了单片机或微机——信号处理单元。这三部分组成的机电液一体化系统，使工程机械的性能发生了巨大的变化。

液压传动因其结构简单、体积小、重量轻、输出力大等特点而广泛应用于工程机械。蓬勃发展的信息技术（IT）使传统的液压技术焕发新的活力。

事实上IT 给传统的液压技术注入了新的血液,使其焕发了新的青春。机械传动和液压传动是IT 进一步发展的基础,它使IT 能“脚踏实地”。IT 扩大了人们的视野和时空，使机械不仅有了功率流而且有了神经流。液压成为连接IT 与传统机械的最佳方式之一。

以电子、信息技术为先导，在精确定位与作业、故障诊断与监控、发动机燃料燃烧控制和人机工程学等方面，已开发出与各种工程机械相匹配的计算机软、硬件系统，使工程机械向信息化、智能化方向大步前进，提高了工程机械的高科技含量，促进了工程机械的发展。

传统的模拟量电子控制难以解决非线性问题和系统增益匹配问题，导致伺服闭环液压系统设计和使用受限制。而数字控制技术使伺服闭环系统的匹配更容易更简便，特别是对比例控制系统。从而实现由开环控制转入闭环控制，由简单的机械逻辑控制转入动作过程控制，由单机运转到多机联动，由机上控制发展到远程控制。

1 工程机械中机电液一体化技术发展概况

１.１国外发展概况

20世纪60年代，具有机电一体化技术，如机器人、数控机床、内燃机电喷装置等在美国首先发展起来，随后机电液一体化技术在工程机械领域很快得到发展，如60年代末，日本研制的7ｍ水

深的无线电遥控水陆两用推土机就投入了运行，并与1971年在天津参加了建设机械展览会。与此同时，美国卡特彼勒公司将其生产的激光自动调平推土机也推向市场，并于1972年在天津工程机械研究所样机试验场向中国用户亮相。

虽然美国人将现代机电液一体化技术应用到工程机械上比日本人早几年，但是，由于在美国主要由生产控制装置的专业厂家做这项工作，而日本却直接由工程机械制造厂自行开发或与有关公司合作开发。正因为针对性强，在使机电液一体化技术应用到工程机械上，日本发展更为迅速。

近些年来，随着超大规模集成电路、微型计算机、电液控制技术等的迅速发展，欧美日等发达国家都十分重视在工程机械中应用这些先进技术，并研发出适用于各类工程机械的机电液一体化系统。如美国MULTIPRESS、丹麦STENHQJ、日本的日立及加拿大的BROWN BOGGS等公司生产的工程机械。正是因为采用这种先进的机电液一体化技术，使整机的各项性能及生产效率都有很大提高。主要表现在如下方面

1.1.1 节约能源

为使发动机转速与运行工况实现最佳匹配，现代工程机械可根据行驶速度与负载状态自动换挡。当操作人员从开着发动机的工程机械上离开时，为了节省能源，当控制阀在中立位置时，液压系统压力为3MPa，发动机空转超过设定时间后，可将发动机转速自动地转换为怠速运转，以达到节能的目的。当恢复作业时，只要液压系统压力超过3MPa，计算机默认为正在作业，自动地把发动机转速调到最佳状态，适合作业功况。就像计算机的屏幕保护系统一样。

1.1.2 坚持以人为本

工程机械在野外作业，如何保护操作人员的身心健康是设计生产者必须考虑的。讲究工程机械操作的舒适性，注重驾驶员与操作界面的协调性。比如，布局合理的操作面板，普遍应用的多功能操作手柄、触摸屏、无线遥控器、文本图形显示器等。

1.1.3 完善的控制系统

集微电子、信息技术及液压技术于一体的智能系统广泛应用于工程机械的产品设计中，不断发展完善的信息管理系统、GPS定位系统、装载量自动称量系统、计算机辅助驾驶系统、自动换挡变速系统、电子监控自动报警与故障诊断系统。为保证施工质量在设计要求的范围内，正在开发对工程施工管理与过程实现智能化控制的机电液一体化系统。

1.1.4 自主安全性

国外某些采用微处理器控制的高性能工程机械利用软件进行故障的检测和维护，如BRO确叹BOGGS产品可实现负载检测、自动模具保护以及错误诊断等功能。

1.２国内发展概况

我国工程机械开始运用电子技术的时间比发达国家大概晚十年。上世纪70年代初，我国第一台3ｍ水深无线电遥控水陆两用推土机由天津工程机械研究所和塘沽盐场合作研制成功。对该机的长期运行考核表明其主要技术性能接近当时发达国家同类产品水平。接着有关院所进行了工程机械智能化系统研制，到20世纪80年代后期，相继开发了以电子监控为主要内容的多种机电液一体化系统。90年代以来，国内工程机械生产厂家目前多采取引进消化与自行开发的方针。如，合肥矿山机器厂与日本日立公司合资，停止生产自己原来的产品，而生产日立牌挖掘机，不过受引进技术水平的限制，至今关键技术仍落后于工业发达国家水平。

CAD技术的广泛使用，使设计方式发生了根本的变化，即由人工设计方式变为半自动化或自动化方式。尤其是CAD/CA T的推广和应用使工程机械设计技术得到迅速发展。在二维工程图形处理、三维几何造型和工程分析取得不少成果。国内大部分工程机械企业已应用CAD制图，彻底摆脱了图板，大大提高了工作效率。CA T是利用计算机建立一套数据采集和数字控制系统，与试验台连接起来，由计算机对各试验参数，如压力、流量、转速、扭矩等参数进行采集、量化和处理并输出测