挖掘机电气控制系统

挖掘机电气控制系统

本篇将以SY2XXC5挖掘机为例讲述挖掘机的电气系统基本原理、基本构造、操作说明、故障分析。

一、概述

机电一体化是液压挖掘机的主要发展方向，其最终目的是机器人化，实现全自动运转，这是挖掘机技术的又一次飞跃。作为项目机械主导产品的液压挖掘机，在近几十年的研究和发展中，已逐渐完善，其工作装置、主要结构件和液压系统已基本定型。人们对液压挖掘机的研究，逐步向机电液控制系统方向转移。控制方式不断变革，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、电气操纵、液压伺服操纵、无线电遥控、电液比例操纵和计算机直接控制。所以，对挖掘机机电一体化的研究，主要是集中在液压挖掘机的控制系统上。

液压挖掘机电气控制系统主要是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件<液压缸、液压马达）的一些温度、压力、速度、开关量的检测并将有关检测数据输入给挖掘机的专用控制器EC-7，EC-7控制器综合各种测量值、设定值和操作信号发出相关控制信息，对发动机、液压泵、液压控制阀和整机进行控制。

<一）电气控制系统具有以下功能：

1：控制功能：负责对发动机、液压泵、液压控制阀和整机的复合控制。

2：检测和保护功能：通过一系列的传感器、油压开关、蜂鸣器、熔断器和触摸屏等对挖机的发动机、液压系统、气压系统和工作状态进行检测和保护。

3：照明功能：主要有司机室厢灯、工作装置作业灯及检修灯。

4：其它功能：主要有刮雨器、喷水器、空调器和收放音机等。

<三）系统组成及原理

SY2XXC5挖掘机电气系统由电源部分、启动部分、照明部分、电气操纵机构、空气调节装置、音响设备、节能控制及故障诊断报警系统等组成。

2.1 电源部分

系统电源为直流24V电压供电、负极搭铁方式；采用2节12V 120AH蓄电池串联作发动机启动电源，由带内置硅整流和电压调节装置的交流发电机充电，以维持蓄电池电量和稳定系统电压；蓄电池输出端装设电源继电器，由钥匙开关控制，以增加电源系统的安全性。

1)蓄电池：采用12V 120AH免维护型蓄电池，2组串联。

发电机：27V 35A交流发电机，由发动机自带，内置硅整流电路及电压调节器，带有频率输出。D+为中性点电压输出端子，B+为电源输出端子，E为接地端子。D+端子接充电报警灯，在启动初状态，当发电机电压尚未建立时D+端电压为0V，充电报警灯亮，蓄电池正电源通过报警灯灯丝流向D+端作为发电机的励磁电流，使发电机迅速建立起电压并进入发电工作状态。发电机进入发电状态后，D+端电压达24V，充电报警灯熄灭。

3> 电源继电器：装于电瓶的正极控制总电源，由钥匙开关控制，以增加电源系统的安全性。

接通：把钥匙开关打到“接通”位置以启动电路系统，此时电源继电器接通，系统得电。在启动发动机之时，钥匙开关必须是接通的。

b)断开：把钥匙开关打到“断开”位置，电源继电器断电，以切断电路系统。

注意：

维修电路系统和机器的其它部件时，请把钥匙开关打到“断开”位置或拔掉钥匙开关以切断蓄电池电路。

2.2 启动部分

2.2.1启动设备

1)启动电机：24V 4KW

起动电机三个接线柱的作用和连接如下：

a)50接线柱接启动开关。

b)31接线柱为负极搭铁。

c)30接线柱可接车上的用电器的正极。

2)钥匙开关：用于启动发动机。

3)转速传感器：用于检测启动过程中发动机转速。

4)液压操纵：液压操纵杆在“锁住”位置，发动机才能启动。

2.2.2 挖掘机启动保护原理及实现过程

SY2XXC5挖掘机由EC-7来控制起动马达，并通过程序设置实现保护。柴油机起动前，钥匙开关先打到“通电”档时，由EC-7控制器检测各传感器及相关开关输入信号，检测此时冷却液温度是否低于3℃，若是，则接通预热继电器，直到冷却液温度高于此值时断开，同时驱动油门机构向油门高位走一行程，以保证油门打开。钥匙开关打到“启动”档后，EC-7控制器检测到“柴油机启动信号”的输入，同时判断“液压操纵秆”信号是否为闭合，若闭合，再判断此时转速是否低于650r/m，若是，则接通启动继电器，直到转速高于650r/m，则断开启动继电器，起动后启动继电器不再输出。此时EC-7控制器完成发动机的发动。

2.3 照明部分

为了保证夜间行车或作业安全，提高工作效率，外部照明旋转台工作灯、动臂工作灯均采用大功率工作灯，内部照明为驾驶室厢灯，触摸屏具有光控与温控电路，在光线阴暗时自动打开背光，照明液晶屏，在不同的温度下，自动调节液晶屏的灰度，以达到最佳的视觉效果。

2.4 电气操纵机构

包括各启动开关、断路开关、继电器等电气控制机构。

2.5 空气调节装置

为了营造一个舒适的工作环境，本机采用项目机械专用项目空调，能实现制冷与制暖、风量以及温度调节。

2.6 音响设备

采用国际先进的挖掘机专用收音机(以实物为准>，配以大功率放音喇叭，能获得震撼的收音效果。

2.7 故障诊断报警装置

故障诊断报警装置对挖掘机的运行状态进行监视，一旦发生异常能及时报警，并指出故障部位，从而可及早清除事故隐患，减少维修时间，降低保养和维护费用，改善作业环境，提高作业效率。其硬件主要由EC-7控制器和显示器为系统核心，辅以其他检测和保护控制元件，实现对控制对象的各种监测目的，它有如下特点：

1）触摸屏面板能防水、防尘，整个装置抗干扰能力强，并能防震。

2）能对机器的运行情况进行连续监测，并根据要求进行报警。

装置在硬件上具有光控电路，在光线阴暗时自动打开背光，照明液晶屏，在不同温度下，自动调节液晶屏的灰度，以达到最佳视觉效果。

4）装置具有工作小时总计，系统时间显示且能对其进行调整，使其与当地时间一致。

5）可以对液晶屏进行翻屏操作，可查阅采集的各路参数的具体数值或者各开关量的正常与否。

工作后每次只选一个工作模式，选定一个新的工作模式之后，原工作模式自动消除。每次重新启动挖掘机后，功率模式重新回到S<标准）模式。

每次重新接通并启动挖掘机后，行驶高低速选择开关处于低速状态，只有当按下开关后才依次在高速与低速之间转换。

8）每次重新启动挖掘机后，自动怠速开关处于自动怠速有效模式，只有按下自动怠速开关，自动怠速功能才能取消。

本装置自动查找故障，根据测得的故障参数找出发生故障的部位，并能查询某个故障发生的时间及某个时间内所发生的故障名称。

图1 故障诊断报警系统结构图

本监控报警系统各功能显示方式、采集信号具体情况列表如下：

显示屏界面如下：

界面1：主画面界面6：工作状态监测表

界面3：输入点状态1 界面5：输出点状态

2.8 电子节能控制装置

本系统由EC-7控制器、显示器、油门控制单元以及一些必要的模拟量、开关量传感器、模式电磁阀组、开关阀等组成。通过对发动机和液压泵系统进行综合控制，使二者达到最佳匹配，以达到明显的节能效果。该装置主要实现四种工作模式的选择，自动怠速功能、过热保护及柴油机转速控制等功能。各种控制指令<包括触摸屏控制指令）和检测信号以开关量或模拟量形式进入EC-7控制器后，EC-7控制器根据要求输出控制信号给受控元件，达到控制的目的。另外将各种信号以通信的方式送入触摸屏。通过触摸屏实现相关控制的操作、实时显示和报警信息提示。

2.8.1 四种工作模式控制

挖掘机配备工作模式控制系统，可以使操作者根据作业工况不同，选择适合的作业模式，使发动机输出最合理的动力。SY2XXC5挖掘机有四种作业模式可供选择，模式的选择通过显示屏上的“模式”选择按钮实现。挖掘机工作后每次只选一个工作模式，选定一个新的工作模式后，原工作模式自动消除。

H 模式：即重负荷挖掘模式，发动机油门处于最大供油位置，发动机以全功率投入工作；

S 模式：即标准作业模式，液压泵输入功率的总和约为发动机最大功率的90%；

L模式：即普通作业模式，液压泵输入功率的总和约为发动机最大功率的80%。

B 模式：即轻载作业模式，液压泵输入总功率约为发动机最大功率的70%，适合于挖掘机的平整作业或破碎模式。

2.8.2 功率优化系统

该功率优化系统采用闭环控制，工作中它能根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使液压泵的功率始终与发动机的功率相匹配，EC-7控制器即对发动机采取分段功率控制，不再追求完全用足发动机功率，而是根据具体的工作状况设定发动机的工作能力，减轻发动机的工作强度，使发动机稳定地运行在经济工况点上。

图2 功率优化系统原理图

该系统由恒功率泵、模式阀组<功率阀）、发动机转速传感器、油门位置传感器、EC-7控制器、触摸屏及5个压力传感器组成。发动机转速传感器为电磁感应式，他固定在飞轮壳的上方，用以检测发动机的实际转速。油门位置传感器为电阻感应式，他固定在油门机构转盘上，用以检测油门的实际位置。通过5个压力传感器测得的工装实时负荷大小，由EC-7控制器程序计算液压泵的需求功率，从而自动调节功率阀电流，实现液压泵的功率调节，使液压系统充分吸收柴油机发出的功率，又不会使柴油机熄火，充分发挥挖掘机的工作能力。

2.8.3 柴油机转速控制原理

本系统采用EC-7控制器，油门控制器作为控制单元，油门机构作为执行机构控制柴油机油门的开度。

升速时，由EC-7控制器给出步进脉冲信号，驱动油门机构正转，柴油机油门开度加大，柴油机转速上升，同时油门位置参数减少，达到设定的油门位置后，升速信号停止，进入转速自动调节阶段。

油门位置信号由安装在油门机构上的油门位置传感器获得，EC-7控制器通过模拟通道采集此信号，并送入EC-7控制器内部寄存器处理，EC-7控制器根据实际油门位置与设定油门位置的差值，进行处理运算后，输出相应数量的脉冲，控制步进电机运行，从而实现对柴油机转速的自动控制及自动调节。

降速时，EC-7控制器给出步进脉冲和步进方向信号，转速自动调节断开，油门机构反转，油门开度减少，柴油机转速下降，达到怠速状态时，EC-7控制器给出停止信号，油门机构停止运行，柴油机在怠速状态运行。

图3 柴油机闭环控制原理框图

当挖掘机在低怠速下工作<1300rpm以下），油门调速机构能自动将发动机转速提升到1300rpm，以避免因发动机输出功率不足引起的懑车熄火现象。

为了防止柴油机转速超过允许的最高工作速度，以免造成设备的损坏，对柴油机的转速进行限幅。在柴油机升速和降速调节过程中，油门机构的油门位置信号反馈回EC-7控制器，由EC-7控制器进行分析，步进电机正转，油门位置传感器参数减小；步进电机反转，油门位置传感器参数增加，EC-7控制器自动分析柴油机正常运行时的步进电机正转步数，并进行运算处理得出步进电机允许正转的最高步数，当因为意外原因引起柴油机转速向最高转速上升时，到达异常油门位置区，EC-7控制器能自动封锁步进电机，以保证柴油机不会超过所允许的最高转速。

2.8.4 自动怠速系统

SY2XXC5挖掘机具有自动怠速装置，当操纵杆回中位达5秒后，发动机自动进入低速运转，从而可减小液压系统的空流损失和发动机的磨损，起到节能和降低噪声的作用。当扳动操纵杆重新作业时，发动机自动恢复到原来的转速状态。

2.8.5 过热保护控制

当冷却水达到一定温度时，EC-7控制器控制工作模式自动降低一档，即从H模式降至S模式再至L模式、B模式。当冷却水温过热达到二极报警<冷却液温度超过103度）时，柴油机自动进入自动怠速工作状态<转速下降），直至冷却液温度降至正常温度为止。

三：SY2XXC5挖机电气操作说明书

3.1开机

3.1.1起动前：柴油机起动前，钥匙开关先打到“运行”档，发动机第一次没有顺利启动，请稍等15秒钟后再启动，连续三次启动不成功需等待2分钟后再启动。如每次停机后都存在此故障，请与我们的服务项目师联系。

3.1.2柴油机起动后：挖机还没有操作启动时，此时柴油机在950转左右运转；当第一次操纵启动，则直接进入默认值：模式工作为S；以后每次操纵重新启动时，系统模式工作回到

S。

3.1.3在触摸屏上设置一个“模式”按钮，当按住触摸屏上的模式选择按钮时，在触摸屏上以“S”、“H”、“L”、“B”、“S”的顺序显示，同时速度档位相应的上升一档<由 B-L -S- H），而由H-L时速度档位是下降3档。松开按钮时，显示定格，同时该模式生效。

3.2系统功能

3.2.1自动怠速

自动怠速有效，即在触摸屏上提示为“自动怠速”。当系统液压操纵杆回中位时间超过5秒后。EC-7控制器自动减少发动机油门开度，使发动机在1350转运转，当扳动操纵杆重新作业时，EC-7控制器立即控制发动机，使它迅速恢复到设定的工作速度。或通过右手柄中间的按钮可由高速降到1350转或由1350转上升到显示的档位速度。起到节能和降低噪声的作用。

3.2.2怠速取消

当不使用自动怠速功能时，在触摸屏上按下“自动怠速”按钮将取消怠速，同时触摸屏提示“取消怠速”信息。

3.2.3雨刮器开关

1)按下开关右侧以接通雨刮。按下开关左侧以断开雨刮器。

2)如果开关在“接通”位置而雨刮不动，应立即切断开关。检查原因。如果开关一直开着，会损坏雨刮电机。

3.2.4喷水器开关

3)按下并压住开关右侧以启动前洗涤器。按下开关时，洗涤液会从喷嘴喷出。当放

松开关后，洗涤器便会停止。

4)如果洗涤器连续使用超过20秒，或使用中没有洗涤液喷出时，应立即切断开关，否则会导致电机损坏。

3.2.5工作灯开关

按下工作灯开关右侧，则动臂左、右工作灯与旋转台工作灯亮，按下开关左侧以断开工作灯。

3.2.6发动机油门控制盘

可通过调节该发动机油门控制盘改变油门位置的大小，从而改变发动机的转速。

速度档位对应设定的柴油机转速如下表：

本系统实现四种工作模式的控制，及重负荷作业模式

H模式时，发动机油门处于最大供油位置，发动机以全功率投入工作；

S模式时，液压泵输入功率的总和约为发动机最大功率的90%；

L模式时，液压泵输入功率的总和约为发动机最大功率的80%；

B模式，液压泵输入功率的总和约为发动机最大功率的70%；

工作后每次只选一个工作模式，选定一个新的工作模式后，原工作模式自动消除。工作模式的选择由触摸屏上的“模式”按钮控制。

3.2.8行驶速度选择

控制“高速”或“低速”行驶速度选择。每次启动挖掘机时，系统处于低速状态提示“低速”。按下“低速“按钮系统进入高速提示“高速”。行驶速度的选择由触摸屏控制。

3.2.9二次升压补偿

当液压系统压力过小，发动机工作在1400转以上时，在右操纵手柄上按下“升压按钮”，触摸屏上将提示“压力补偿5秒”，同时发动机转速上升到2200转/分，5秒后提示消失，发动机转速回到原设定档位。

3.2.10启动钥匙开关

发动机起动开关在“接通”位置并且发动机在运转时，以保持电路和液压系统

功能。

断开①：发动机起动开关钥匙只能在发动机起动开关位于“断开”位置时插入。同样，发动机起动开关钥匙也只能在发动机起动开关位于“断开”位置时拔出。再次起动发动机前钥匙必须先转至“断开”位置。转动钥匙至“断开”位置以停止发动机。维修电路系统或机器的其他部件时，请把钥匙开关打到“断开”位置或拔掉钥匙开关以切断蓄电池电路。此时系统只有对室内灯、检修灯保持供电。

接通②：钥匙从“断开”到“接通”，系统除空调没接通电源外触摸屏、EC-

7控制器等控制机构都上电。而在发动机启动后，钥匙从“接通”到“断开”，则是

关闭发动机，请确保发动机速度在1000转左右运转时再关闭发动机。

起动③：转动发动机起动开关钥匙到“起动”位置,启动电机通电运转以带动发动机起动，此过程持续1-3秒。发动机起动后立即放松钥匙。

3.2.11液压操纵

每次起动柴油机时，液压操纵启动杆在“锁住”位置，使所有液压操纵机构都不能操作；如在“开锁”位置，使发动机不能起动。当柴油机正常起动、发电机正常工作后，液压操纵启动杆在“锁住”位置，柴油机速度油机速度为1000转左右。将液压操纵启动杆放在“开锁”位置，则可对挖掘机进行操作，发动机速度由发动机油门控制盘决定。如没有作模式选择，操纵液压操纵机构，则直接进入默认模式

3.2.12充电指示灯<红色）：

当转动钥匙开关至接通位置时，该指示灯亮。钥匙开关至起动位置后，发电机正常发电后，该指示灯会熄灭，如果该灯一直亮，则请检查发电机是否出现故障。

3.2.13监控及报警

本系统采用具有较强功能的自制数据采集显示器SYLD实现对挖掘机有关操作、工况监测及报警显示。一旦发生异常能及时报警，并指出故障部位，从而可及早清除故障隐患，减少维修时间，降低保养和维护费。

本系统能实现对挖掘机以下监控及报警功能

d)燃油箱油位、发动机冷却液温度和机油压力以指示针仪表的形式在触摸屏上实时

监控。

机油压力不足实现在触摸屏上弹出相应的“机油压力不足”报警菜单及声音报警。在排除故障之前不要起动发动机。

f)空气滤清器阻塞实现在触摸屏上弹出相应的“空气滤清器阻塞”报警菜单。

当发动机冷却液温度达到98℃时，发动机冷却液显示将改变颜色；当发动机冷却液温度达到103℃时，发动机自动降低到1350rpm，直到冷却液温度降至正常温度为止。

h)具有工作小时计，系统时间显示且能对其进行调整。

i)能实时监控到EC-7控制器各输入输出开关点状态，便于技术人员分析电路线束方面的好坏状态。

能实时监控到EC-7控制器各传感器参数值，便于技术人员分析发动机与液压泵的匹配状态并判断各执行元件的正常与否状态。

四：电气系统技术保养

挖掘机的电气系统必须始终处于完好状态，烧断或腐蚀的保险丝和灯泡必须立即更换。

1、蓄电池的保养

为了使蓄电池能正常的供电，必须随时保持清洁，特别是电极和电线夹头应定期清理。

2、更换保险丝

更换保险丝前必须先检查各有关电路是否短路或过载。各保险丝规格如下：

F1：钥匙开关保险 20A F3：喇叭保险 5A F5：雨刮器、清洗器保险 5A F7：驾驶室灯保险 10A F9：检修灯保险 5A F11：控制器保险 10A F13: 预热器保险 160A F2：充电指示灯回路保险 5A F4：工作灯保险 15A F6：音响保险 10A F8：空调保险 20A F10：步进电机驱动器 5A 触摸屏保险

F12: 控制器输入点保险 10A F14: 备用灯插座 5A