嚴(yán)希清

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建福州350007)

JGM927-LC型共軌電噴動力式挖掘機(jī)的電器優(yōu)化設(shè)計

嚴(yán)希清

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建福州350007)

針對JGM927-LC共軌電噴動力式挖掘機(jī)存在燒毀監(jiān)控器的電器缺陷，分析了缺陷產(chǎn)生的原因，并提出了對該監(jiān)控系統(tǒng)的電源模塊、電子線路和控制程序三方面的改進(jìn)與優(yōu)化方案，對工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計有一定參考價值。

挖掘機(jī)；電器優(yōu)化設(shè)計；工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)

Abstract：This paper,based on the electrical defect of monitor burning in JGM927-LC common rail EFI power excavator,analyzed the defects and put forward the improvement and optimization scheme in three places including the power supply module of the monitoring system,electronic circuit and control program,which could certainly provide reference to the design of monitoring system for construction machinery.

Key words：excavator;opetimization design of electric apparatus;monitoring system for construction machinery

現(xiàn)今的智能化液壓挖掘機(jī)是機(jī)電液一體化技術(shù)的完美產(chǎn)物，其技術(shù)涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域[1]。例如：在流量和負(fù)載控制精度方面，它相當(dāng)于一個移動式的數(shù)控加工中心；在負(fù)流量電子控制的動作完美協(xié)調(diào)性方面，它是一個有靈魂的智能機(jī)械人。液壓挖機(jī)就電器軟硬件控制系統(tǒng)而言，人機(jī)交互界面、單片機(jī)、PLC、C語言編程、CPU控制中心、ECM(動力控制模塊)、繼電邏輯控制、直流電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、PWM脈沖寬度調(diào)制、電磁抗干擾、電磁閥續(xù)流技術(shù)等都被涵蓋其中[2-3]。

福建某公司在研發(fā)初期小批量生產(chǎn)20臺JGM927-LC共軌電噴動力式挖掘機(jī)，該設(shè)備在運行中電器缺陷逐漸呈現(xiàn)，并嚴(yán)重影響到產(chǎn)品質(zhì)量和品牌聲譽。設(shè)備的缺陷表現(xiàn)為：在點火鎖啟動的瞬間，監(jiān)控器(人機(jī)交互界面)的顯示內(nèi)容會形成鋸齒狀形變波動，有時會出現(xiàn)短時黑屏現(xiàn)象，甚至個別車輛還出現(xiàn)監(jiān)控器燒壞的嚴(yán)重事故。

1 設(shè)備缺陷產(chǎn)生原因

首先，對挖機(jī)的的線路、地線(24 V/DC供電電源的負(fù)極)、儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊等進(jìn)行觀察和硬件連接檢查，并詳細(xì)地詢問了駕駛員有關(guān)問題。詢問內(nèi)容具體包括：儀表工作時，什么條件下才出現(xiàn)界面模糊或黑屏？儀表界面形變現(xiàn)象出現(xiàn)后，其他工作動態(tài)是否可以正常進(jìn)行？故障出現(xiàn)的時間是否存在一定周期性等。其次，故障車按照正常作業(yè)模式連續(xù)工作近6 h，工作過程中重新啟動車輛近10次，記錄儀表界面故障周期。最后，在晚上工作時間段里，用手機(jī)監(jiān)控跟蹤這臺車的數(shù)據(jù)動態(tài)和報警記錄。

數(shù)據(jù)整理分析得出：①儀表在車輛點火鎖啟動和關(guān)閉瞬間，儀表監(jiān)控界面形變情況最為嚴(yán)重；②故障現(xiàn)象在挖機(jī)外部部件干燥時(如晴天作業(yè))儀表監(jiān)控界面鋸齒形變現(xiàn)象稍微好轉(zhuǎn)。

從以上2點就可以比較明確判定事故原因：此車輛的故障表現(xiàn)特征是儀表受車輛拋負(fù)載問題影響嚴(yán)重所致(所謂拋負(fù)載，即由于車載交流發(fā)電機(jī)的控制環(huán)路關(guān)閉速度不夠快，在將電池電壓去除瞬間，會產(chǎn)生較高的輸出電壓脈沖，此脈沖對儀表電源等器件沖擊嚴(yán)重)。拋負(fù)載隱患會隨著車輛線路的壽命和整車線路的閉環(huán)系統(tǒng)老化而加劇，會對儀表和其他電器(揚聲器、室內(nèi)燈等)造成干擾和沖擊，最終使其遭受嚴(yán)重?fù)p害。

問題原因找到后，將示波器連接到儀表CAN高和CAN低的總線端，觀察車輛啟動和熄火、高效率重載模式、中效率挖掘模式以及全功率破碎下的電流脈沖輸出波形情況，3種工況分組記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示挖機(jī)受拋負(fù)載干擾問題已達(dá)到非常嚴(yán)重的地步，直接影響JGM927-LC機(jī)型下一輪的投產(chǎn)計劃。

通過反復(fù)推敲，研究相關(guān)資料[4]，理論結(jié)合實踐，從全局考慮找出問題根源：①因設(shè)計挖機(jī)電路時，未充分考慮拋負(fù)載影響問題而影響到整體設(shè)計。②挖機(jī)主控線路上蓄電池接觸器用在控制蓄電池負(fù)極線路上，器件本身控制觸電受點火開關(guān)控制加之所有負(fù)極線路集中搭鐵與上車架蓄電池組負(fù)極間接性串接，蓄電池接觸器保護(hù)作用縮減；抑制電壓(點火開關(guān)關(guān)閉后仍持續(xù)一段時間的電壓)瞬態(tài)電壓(高達(dá)60 V的高能脈沖)在線路潮濕或搭鐵稍不良時便越過蓄電池接觸器，至發(fā)電機(jī)、蓄電池、儀表等各部件。③儀表的內(nèi)部電路設(shè)計和程序設(shè)計在處理冷啟動問題上有所忽略。

2 改進(jìn)與優(yōu)化方案

2.1 改進(jìn)方案

根據(jù)產(chǎn)生事故的原因，綜合分析電路與調(diào)查控制機(jī)艙結(jié)構(gòu)后提出改進(jìn)方案如下：

1)修改電路。在啟動線路和充電回路上加裝線上保險片，保證點火開關(guān)ACC常帶電端點輸出線路，不會有太大的電流脈沖沖擊，將大負(fù)載電流限制在一定范圍，保證了儀表輸入電源和CAN總線上的電壓穩(wěn)定性。

2)蓄電池接觸器應(yīng)用在蓄電池充電正極回路上，接觸器控制線圈線路短接瞬態(tài)電壓抑制二級管(TVS)，控制線路直接受點火開關(guān)的控制。蓄電池控制交流發(fā)電機(jī)充電回路和啟動馬達(dá)控制回路，可以避免因車輛線路老化后，整車地線回路不良的情況發(fā)生，有效防止干擾源的產(chǎn)生。這讓蓄電池接觸器充當(dāng)了瞬態(tài)電壓的第一道防線。

3)線束上的邏輯控制增加延遲關(guān)電，先關(guān)閉發(fā)動機(jī)，發(fā)電機(jī)不發(fā)電，然后斷開蓄電池接觸器，有效防止反向電壓對各電器和儀表的沖擊。

4)已售車輛的電器在硬件優(yōu)化后，控制程序也必須同時優(yōu)化，才可以實現(xiàn)整機(jī)控制邏輯的正常運行。

圖1 改進(jìn)后的儀表控制原理圖

原電路中，當(dāng)交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生充電電流時，斷開與蓄電池(虧電狀態(tài))的連接，其他負(fù)載仍然與交流發(fā)電機(jī)保持連接，會產(chǎn)生干擾脈沖。控制線路部分改進(jìn)后的原理圖如圖1所示。圖中延時斷電原理如下說明：①電鎖打開，BR給儀表供電VCC1。②VCC1有電，儀表開始工作，out1輸出控制電瓶繼電器工作，其他電器得電，且儀表副電源VCC2得電。③啟動發(fā)動機(jī)，發(fā)電機(jī)開始發(fā)電。④關(guān)閉電鎖，儀表VCC1失電，但是VCC2仍然有電，儀表繼續(xù)工作，直到發(fā)動機(jī)停止，發(fā)電機(jī)不再發(fā)電后，儀表out1停止輸出，儀表VCC2斷電，儀表停止工作。

2.2 優(yōu)化方案

針對JGM927-LC監(jiān)控儀表的控制電路，提出了儀表防拋負(fù)載影響的優(yōu)化方案，分以下2步進(jìn)行。

1)監(jiān)控儀表電源電路原有2個瞬態(tài)抑制二極管電路的基礎(chǔ)上再添加1個瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)，進(jìn)一步加強(qiáng)電源負(fù)載變化瞬間電流電壓突變的抑制能力。瞬態(tài)電壓抑制二極管(簡稱TVS器件)在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過，并將電壓箝制到預(yù)定水平，從而有效地保護(hù)線路中的精密元器件免受損壞。優(yōu)化電路簡圖如圖2所示。

圖2 在監(jiān)控儀表電源電路增加TVS二極管

2)在JGM927-LC的邏輯運行程序，添加部分抑制拋負(fù)載因素的程序，拋負(fù)載語句指令表程序段如下(使用專業(yè)編程軟件Source Insight)。

Void Engine shut down(void) //發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，延遲斷電程序

Static unsigned char flame off flag=0; //關(guān)閉熄火閥標(biāo)志

Static unsigned char flame control off count=0; //熄火閥關(guān)閉后到總控關(guān)閉計時

Static unsigned char engine shut down en=0; //發(fā)動機(jī)熄火功能使用

If(Engine Timing Mark==1) //當(dāng)前發(fā)動機(jī)工作中

Engine shut down en=1; //發(fā)動機(jī)工作過，允許啟用熄火延遲斷電功能

If(Voltage<50) //ACC電壓小于5 V，關(guān)閉電鑰匙

{

//當(dāng)前延遲斷電功能啟用 ACC斷電開始計時

If((engine shut down en==1)&&(Engine shut count<200))

{

Engine shut count++; //防止溢出，最大到20 s

If(Engine shut count<20) //ACC斷電前20 s

FLAME_OUT_ON; //關(guān)閉熄火閥，使發(fā)動機(jī)熄火

Else

If(Engine shut count<50) //ACC斷電2～5 s之間

If((Engine Speed<700)&&(ENGINE_OIL_PRESSURE==0)) //確認(rèn)發(fā)動機(jī)停止工作

flame off flag=1; //發(fā)動機(jī)已停止工作，置標(biāo)志

}

Else

If(Engine shut count<100) //ACC斷電 5～10 s

{

If((Engine Speed<700)||(ENGINE_OIL_PRESSURE==0)) //有1個條件滿足即關(guān)閉熄火和總控

{

FLAME_OUT_OFF; //若控制發(fā)動機(jī)關(guān)閉5 s后，2個條件不能同時滿足

CONTROL_POWER_OUT_OFF; //只判斷1個條件滿足就關(guān)閉總電源

}

}

Else

{

FLAME_OUT_OFF; //若控制發(fā)動機(jī)關(guān)閉10 s后，沒有一個條件滿足

其次，“語法”要求我們從功能和形式兩個層面來審視語言現(xiàn)象。在功能層面，不同的過程類型、級階和性狀具有相應(yīng)的功能，而概念語法隱喻正是這些功能的“失常”：過程間出現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換，級階出現(xiàn)轉(zhuǎn)移（常為降級），性狀出現(xiàn)轉(zhuǎn)化（常為轉(zhuǎn)向?qū)嶓w/名詞，即名物化）。在形式層面，語法隱喻理論要求具有妥協(xié)性或靈活性的語法觀，以滿足功能“失?！睂?dǎo)致的多個編碼形式的需要，具體而言就是概念語法隱喻的一致式和（往往是多個）隱喻式，即Halliday所說的“不同的能指”。

CONTROL_POWER_OUT_OFF; //則無論如何關(guān)閉總電源

If(flame off flag==1) //發(fā)動機(jī)已停止工作

If(flame control off count<10) //發(fā)動機(jī)停止工作后計時

flame control off count++;

}

Else

{

FLAME_OUT_OFF; //發(fā)動機(jī)停止工作后1 s，停止熄火閥控制

CONTROL_POWER_OUT_OFF; //并且關(guān)閉總電源

}

Else //上電后發(fā)動機(jī)未啟動

{

If(Engine shut count<200) //ACC斷電后計時

Engine shut count++;

If(Engine shut count >=20) //上電后若發(fā)動機(jī)未啟動，則

CONTROL_POWER_OUT_OFF; //ACC斷電后2 s即關(guān)閉總控

Else

Engine shut count=0;

}

}

該程序添加在監(jiān)控儀表的單片機(jī)原有程序中，可進(jìn)一步增加監(jiān)控儀表的魯棒性，使監(jiān)控系統(tǒng)在挖掘機(jī)拋負(fù)載時對儀表電源的器件沖擊損害降到最低，從而更好地保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的電路不受干擾和損害。

3 結(jié)語

經(jīng)過對JGM927-LC型挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的電源模塊、電子線路和控制程序三方面的優(yōu)化設(shè)計后，該機(jī)型燒毀監(jiān)控器問題得到極大改善，在節(jié)約改造成本和不耽誤用戶太多工期的前提下，將此重大問題完美解決。經(jīng)過近半年的運行，沒有出現(xiàn)監(jiān)控器黑屏和燒毀監(jiān)控器現(xiàn)象。該優(yōu)化方案被逐漸應(yīng)用于公司其他加強(qiáng)機(jī)型設(shè)備上，效果顯著。

[1]李啟月.工程機(jī)械 [M].長沙:中南大學(xué)出版社,2012.

[2]方義.工程機(jī)械中電源電路的優(yōu)化設(shè)計[J].中國市政工程，2011(4):65-69.

[3]彭德剛.工程機(jī)械設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)解決方案 [J].建筑機(jī)械化,2004(7):31-32.

[4]崔國華，張艷偉.WY1.5型液壓挖掘機(jī)電路故障分析及改進(jìn)[J].機(jī)械管理開發(fā),2007(4)：71-74.

責(zé)任編輯：陳 亮

Improvement and Optimization of Electrical Defects in JGM927-LC Common Rail EFI Power Excavator

YAN Xiqing

(Fujian Chuanzheng Communications College,Fuzhou 350007)

10.3969/j.issn.1671- 0436.2015.06.008

2015-11- 05

嚴(yán)希清(1973— )，男，實驗師，高級技師。

TP27

A

1671- 0436(2015)06- 0035- 04