挖掘机电气与电子控制系统的设计步骤

挖掘机电气与电子控制系统的设计步骤
摘要：随着现代挖掘机对节能、环保及操作人性化的要求，对挖掘机电气
控制系统提出了越来越高的要求；另一方面，电液比例控制技术、微电子技术、
通信技术的发展，为挖掘机电气系统的发展提供了强大的技术支撑，从而推动了
挖掘机电气与电子控制系统的飞跃发展。

关键词：电气、控制、设计、监控
1引言
挖掘机电气与电子控制系统的功能主要实现挖掘机的控制及工作状态监测。

包括发动机电路、液压系统、仪表电路，必要的整车电气线路（如灯具、喇叭、
雨刮器、空调等的线路），随着挖掘机技术的发展，对挖掘机电气与电子控制系
统的要求也越来越高，合理的设计步骤是产品质量保障的基础。

2挖掘机电气与电子控制系统的需求
在设计挖掘机电气与电子控制系统之前，必须清楚挖掘机电气与电子控制系
统的详细技术要求，这些要求包括以下方面：
1.
满足挖掘机整车安全可靠运行的要求
电气与电子控制系统必须对影响整车安全可靠运行关键参数进行监测、监控，并通过电子监控系统让操作人员清楚整车运行状态是否正常。

1.
满足挖掘机整车各项控制功能的要求
现代挖掘机控制系统越来越复杂，许多功能都是通过电控系统实现的，如发
动机的功率模式控制、液压泵功率调节、行走速度的控制等。

另外，挖掘机整车
还需要配备完善的电气附件，如车灯、雨刮器，电气系统的设计必须满足这些功能要求。

1.
满足操作舒适性要求
操作舒适性一方面要求电气系统人机操作界面友好，易于识别，操作方便；另一方面要保障操作人员身心舒畅，如配备空调和音响系统，给操作人员创造舒适的操作环境，提高工作效率。

1.
满足人机工程学的要求
挖掘机电气与电子控制系统许多部件安装在司机室中，其安装、布局必须与司机室内其他部件有机结合，使司机室内整体布局美观、协调，电气与电子控制系统人机工程设计的优劣是评价系统设计水平的重要方面。

1.
满足电磁兼容性要求
电磁兼容性是指设备或系统在所处电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。

电磁兼容设计时保证电气与电子控制系统可靠工作的要求，也是环境保护的要求。

3明确正常电气与电子控制系统的功能与要求，确定方案
挖掘机电气与电子控制系统有哪些要求，需要什么功能，必须由主机厂电气工程师确定方案。

在确定方案的过程中，可与供应商技术人员针对设计要求进行讨论、协商。

包括系统的先进性要求，是否采用功率模式控制系统，是否需要GPS，发动机是否采用电子油门控制，采用何种形式的监控器等。

1.
发动机对电控系统的要求
发动机电气系统是挖掘机电气与电子控制系统中最重要的部分之一，对发动
机的安全性、可靠性及高效运行起着重要的作用。

发动机出厂时，其自身必须配
备的电器如启动电动机、发电机均已配置，有的发动机还配备了部分传感器，如
水温传感器、机油压力传感器；对于电喷发动机，电器配备更加完善。

在确定发
动机电气控制系统方案时，一定要结合整车控制方案总体要求，与发动机厂技术
人员充分交流，弄清发动机对电气系统的要求并充分满足，如：蓄电池容量大小；启动、预热、熄火电路的电器件选择要求的电流大小；传感器的选择；显示和报
警参数值的确定等。

1.
液压系统、作业装置对电气系统的要求
挖掘机的液压系统、作业装置许多地方采用电液控制，在进行电气系统设计时，必须清楚电液控制对电气系统的要求。

应和相关部件供应商充分交流，明确
控制要求，确定电气部件及参数，才能很好的满足相关要求。

1.
整车电气附件的确定
挖掘机整车电气附件包括空调器、雨刮器、车灯、喇叭、音响等。

在设计前
应确定配备哪些电气附件。

4设计整车电路原理图
在整车电气与电子控制系统的功能与要求确定后，即可着手设计整车电路原
理图。

整车电路原理图的设计必须满足整车电气与电子控制系统的要求。

5电气系统的配套调研与选型
整车电路原理图完成后，开始考虑整车电气系统的配套方式。

通常，监控器、电控系统等要求高，一般交给专业配套企业开发、制造，整体配套，而蓄电池、
空调器、车灯、喇叭等电气附件通常外购。

电气系统选型配套前，对电气部件的主参数、技术规格应进行必要的计算后确认，并考虑安装方式和连接形式。

技术方案应详细定义系统结构要求、功能要求、性能要求、电气接口要求及试验要求，签订外购件技术与质量服务保证协议。

5整车线束的设计
整车电路原理图及电气配套件选型落实后，如整车结构设计也基本完成，电气工程师可以开始进行整车线束设计。

线束设计要注意以下几个方面：1.
仔细考虑电气部件在整车的安装位置，使线束简单，走向合理，易于安装、维护。

2.
线束的插接件编号、插接件端子编号和导线的规格、颜色、长度等要标志清楚，以免安装时连接错误。

线束中导线规格应应通过计算确定，导线截面积计算公式为
A=ρ和I=
——系统电源（V）式中：I——电流（A），P——功率（W），U
S
——允许最大电压降损失（V）
A——导线截面积（m²），U
d
ρ——铜电阻率（Ω·m），L——导线长度（m）
导线截面积计算出来后，选择合格规格的导线，选择时应留有余量。

线束用导线通常使用多股绞合铜导线，且具有耐温、耐油、耐磨、防水、防腐蚀、抗氧化、阻燃等特性。

导线的金属导体外径和绝缘层外径要与匹配的端子对应。

选择合适的插接件，挖掘机大多在露天作业，工作环境恶劣，对插接件要求
很高，应尽量选取质量可靠的防水插件，同时匹配相应的堵头。

对需多次插拔的
插接件要考虑插拔力、插拔次数及插拔时的防护。

2.
选择合适的保险盒与保险片，保险盒的安装要考虑防护等级和安装环境匹配，如有开孔，应在下表面或侧面，尽量避免上表面开孔。

保险片路数根据需要确定，一路保险片最好控制一个电器。

保险片容量一般根据电气部件的最大连续工作电流计算并确定，保险片容量
经验公式为
额定容量=
1.
考虑线束的安装、固定，挖掘机工作时振动很大，线束必须固定，通常主线
束固定间隔为300mm，分支为200mm，电器件连接处尽量在电气件上做固定。

整
车结构设计时需考虑在线束经过处设置线束固定支架，线束穿过钢板时，过孔应
安装橡胶护套。

6整车电气系统安装、调试、试验
电气系统安装完毕，必须进行必要的调试、试验。

特别是带控制器的电气系统，调试工作相当重要，如电子油门的标定、挖掘机各工作模式控制参数的标定、监控器各项功能及参数与传感器的匹配等。

相关内容如下：
1.
检查整车启动、停机是否正常。

2.
检查仪表指示是否正常，报警、指示灯状态是否正常。

检查仪表指示数值与实际运行数据是否符合。

4.
检查各电气附件，包括空调、大灯、雨刮器、喇叭、音响等是否工作正常。

对各电气部件应逐一操作、检查是否达到设计要求。

5.
对采用功率模式控制的电气系统，应进行功率模式工作状态标定，标定各设定模式转速、油门、位置、泵流量，且应符合设计要求。

6.
对安装了GPS系统的挖掘机，还需对GPS功能进行全面测试，确认各项功能符合设计要求。

7.
检查保险盒各路保险片实际工作通过电流，确认保险片设定熔断电流合适，使保险盒确实能起到保护电路的作用。

结束语
为提升挖掘机产品质量降低服务难度和服务成本，需不断优化电气与电子控制系统设计方案和设计步骤，所以我们要更加简单我们的研究目标，为挖掘机电气与电子控制系统设计优化贡献我们的力量。

参考文献
[1]王伟奇，方瑛，严文超，曾光，液压挖掘机电气系统设计，现代制造技术与装备，2017.4
[2]李良巧，可靠性工程师手册，北京：中国人民大学出版社，2017
[3]张碧波，汽车线束的设计及可靠性 [D]，上海交通大学，2009。