1、1第十章 挖掘机电气与电子控制系统挖 掘 机 电 气 与 电 子 控 制 系 统 主 要 实 现 挖 掘 机 电 气 系 统 控 制 及 工作 状 态 监 测 。 二 十 世 纪 九 十 年 代 前 的 挖 掘 机 电 气 系 统 只 起 辅 助 作 用 ,功能 简 单 ， 主 要 包 括 发 动 机 电 路 ,简 单 仪 表 电 路 如 水 温 表 、 燃 油 表 、机 油 压 力 表 、 液 压 油 温 表 、 工 作 小 时 计 等 及 必 要 的 整 车 电 气 线 路 如灯 光 、 嗽 叭 、 刮 雨 器 等 ， 有 的 机 型 会 配 置 空 调 器 。 但 二 十 世 纪 九 十
2、年 代 以 后 ， 随 着 挖 掘 机 技 术 的 发 展 ， 发 动 机 、 液 压 系 统 的 控 制 越 来 越复 杂 ， 对 电 气 控 制 系 统 的 要 求 也 越 来 越 高 ， 挖 掘 机 电 气 与 电 子 控 制系 统 地 位 也 越 来 越 重 要 ， 成 为 挖 掘 机 重 要 的 组 成 部 分 ， 代 表 了 挖 掘机 整 车 技 术 发 展 水 平 及 方 向 。10.1 挖掘机整车电路系统组成与分析图 10-1 为典型挖掘机整机电气系统原理图。挖掘机电器系统主要由电源电路、发动机电路、数字组合仪表、作业电气控制系统、整车电器附件电路等组成：1电源电路电源电路由蓄
3、电池 1、电源总开关 2、发电机 4、起动开关 5、保险盒 7等组成。蓄电池负极搭铁，正极接电源总开关，并通过保险丝接起动开关 B 端，操作人员将起动开关转至 ON 位置，起动开关 B 端与 BR 端接通，电源总开关线圈通电，开关主触点接通，蓄电池通过开关主触点与保险盒相连，整车电路通电。发动机起动后，发电机开始发电，发电机 B 端与电源总开关输出端并联，一方面对蓄电池充电，另一方面向整机供电。此时发电机 L 端电压升高，仪表充电指示灯熄灭。10 路保险盒分别向空调、行走电磁阀、先导电磁阀、雨刮器、大灯、工作灯、预热电路等供电。232发动机电路发动机电路主要由起动、预热、熄火三部分电路组成。1
4、）起动电路起动电路由蓄电池 1、起动开关 5、起动复合继电器 6、起动马达 3 等组成。发动机起动时，点火钥匙插入起动开关，转动钥匙至起动位置 START，起动开关 B 端与 C 端连通，电路经 BC 起动复合继电器的常开继电器线圈起动复合继电器的常闭继电器主触点地，常开继电器主触点因线圈通电而吸合，从而起动马达内部继电器线圈通电，起动马达内部继电器主触点 B、S 接通，电流经蓄电池负极（地）蓄电池正极电源总开关起动马达 S起动马达 B马达定子线圈蓄电池负极，起动马达转动，发动机被起动。发动机起动后，发电机开始发电，L 端电压升高，从而使起动复合继电器常闭继电器线圈通电，其主触点断开，起动复合
5、继电器常开继电器主触点因线圈断电而断开，起动马达断电而停止运转，从而保护了起动马达在发动机起动后被拖动运转而损坏。2） 预热电路冬天起动时，因气温低，发动机起动困难，这时起动前须预热，预热电路由蓄电池 1、起动开关 5、预热继电器 10、预热器 11 等组成。起动前，起动钥匙转至预热位置 HEAT，电流经起动开关 B 端起动开关 R1 端预热继电器线圈低，预热继电器主触点吸合，电流经蓄电池负极（地）蓄电池正极电源总开关预热继电器主触点预热器，预热器通电加热对发动机进气管加热，同时，预热信号传送至仪表 33，预热指示灯亮，预热约 20 秒后（不同发动机要求会不同） ，点火钥匙再转至起动位置 ST
6、ART，起动发动机。这种预热电路简单，但是否需要预热、预热时间均靠操作人员掌握，有些发动机采用带预热控制器的火焰预热器。图 102 是带预热控制器的火焰预热器原理图。4工作原理如下：在发动机水道安装有负温度系数温度传感器 Rt，当环境温度高于 0时，开关拧到 ON 档指示灯亮 2S 后熄灭，系统不进入预热程序；当环境温度低于 0时，把钥匙开关拧到 ON 档，温度传感器感应的信号传送到电子式火焰预热控制器, 电路进人工作状态, 预热指示灯点亮, 电子式火焰顶热控制器内的电磁式继电器 K 触点闭合, 开始向预热塞 P 供电，指示灯亮 28S 后熄灭，此时把钥匙开关拧到 START 档，发动机在启动
7、马达拖动下运转，电磁阀D 自动打开油路，向处于炽热的火焰预热塞供油，在进气管内喷射火焰，辅助柴油发动机在短时间内启动，当完成规定的工作程序后，控制盒自动切断电源，停止工作。如果在 30 秒内不起动发动机, 火焰预热装置电路停止工作。发动机运转舌, 交流发电机端子 D的电压很快上升到 28V, 电子式火焰预热控制器接收到该信号后,自动切断燃油电磁阀的供电。3） 熄火电路目前发动机已普遍采用熄火电磁阀熄火电路，电路由起动开关 5，熄火继电器 8，熄火电磁阀 9 组成。当起动开关置于 ON 档时，电流经起动开关 BAcc熄火电磁阀保持线圈地，熄火电磁阀保持线圈通电，但线圈吸力不够，熄火电磁阀不能吸合
8、，保持图102 预热控制器外部接线图K1:点火开关ON档 K2:点火开关ST档 P:预热塞 DL:预热指示灯D:供油电磁阀 D+:接发电机D+端 K:预热继电器 Rt温度传感器5熄火位置，当起动开关置于起动档 START 时，电流经起动开关 BC熄火继电器线圈地，熄火继电器主触点接通，从而熄火电磁阀吸合线圈通电，电磁阀吸合，脱离熄火状态，使发动机能起动工作，起动完成后，起动开关回至档，熄火电磁阀吸合线圈断电，但保持线圈继续有电，使熄火电磁阀保持吸合状态，发动机能正常工作，发动机要熄火时，起动开关置于 0 档，起动开关Acc 端断电，使熄火电磁阀保持线圈断电，熄火电磁阀脱离吸合状态，发动机熄火。
9、3数字组合仪表图 103 为典型的组合仪表图。图 103 仪表组合仪表主要由以下部分组成： 指示仪表：指针式燃油表、指针式水温表； 汉字点阵液晶屏：显示液压油温、发动机转速、工作小时计、其它客户定制内容；液晶屏还用于整机工作状态监控，整机工作正常时，显示“工图 1026作正常” ，当整机工作出现故障时，显示故障内容，如“机油压力低” 。 报警指示灯：报警内容可根据客户要求定制，通常包括充电指示、预热指示、发动机过热报警、机油压力过低报警、液压油温过高报警、空滤堵塞报警、液压油滤堵塞报警等；当报警信号出现时，指示灯点亮或闪烁，液晶屏显示相应故障内容，必要时，蜂鸣器同时发出报警声，从而实现三级报警
10、提示； 行走速度选择按钮：用于选择高速或低速行走； 切换键：当液晶屏上转速显示区若还要显示电压（或其它客户要求参数），通过切换键进行显示切换以显示；消音键：出现故障报警时，操作人员已知道出现故障并准备排除时，可按该键消除报警声，以避免长时间报警，造成不愉快感觉。但操作人员应及时排除故障，或请服务人员维修，如不排除故障，仅仅按消音键消音，下次开机，会继续报警； 传感器：为提供仪表显示和报警的相关测量与控制信号。包括水温传感器、液压油温度传感器、燃油传感器、转速传感器、机油压力报警开关、空滤报警开关等。4作业电气控制系统不同挖掘机要求不同，图 101 中，作业电气包括行走速度控制电路，先导操纵控制
11、电路。行走速度控制电路由高低速选择开关 28、行走速度继电器 26、行走电磁阀 25 组成，高低速选择开关不按下时，挖掘机行走速度为低速，按下高低速选择开关，行走速度继电器动作，行走电磁阀动作，使行走变量液压马达斜盘角度改变，马达排量减小，从而转速提高，行走速度切换为高速。松开高低速选择开关，行走电磁阀断电，行走马达转速回到低速状态，行走速度降低。先导操纵控制电路是为了保障安全而设置，由先导开关 27、先导继电器24、先导电磁阀 23 组成，挖掘机座椅左侧操纵箱上安装有安全锁定杆，如图 104 所示，安全锁定杆控制先导开关的通断，当操作员坐上座椅，操作准备工作做好后，将安全锁定杆置于解除锁定位
12、置，先导开关接通，先7图 104 安全锁定杆锁定位置解除锁定位置1. 压缩机 2. 冷凝器 3. 低压开关 4. 储液干燥灌5. 高压阀 6. 蒸发器 7. 热控开关 8. 膨胀阀图 105 空调系统组成导电磁阀通电，先导油路才能正常供油，从而正常操作挖掘机；当操作员要离开座椅下车，安全锁定杆挡住了其下车，他必须先将安全锁定杆抬起，置于锁定位置才能下车，从而切断了先导开关，先导电磁阀断电，先导油路供油中断，下车后再操纵挖掘机手柄，挖掘机不能动作，从而强制保证了挖掘机在操作员不在时不会被误动作而造成危险。目前，有些挖掘机设计时，甚至要求在安全锁定杆处于锁定位置时，才能起动发动机，进一步提高了安全
13、性。除了行走速度控制电路，先导操纵控制电路外，现代挖掘机还带有瞬时增力控制电路，动臂优先控制电路，回转优先控制电路等，大多通过电液阀控制，原理类似。5整车电气附件整车电气附件包括空调、车灯、雨刮器、喷水器、喇叭、音响等。1）空调8图 105 为空调系统图。主要包括压缩机、冷凝器、蒸发器、储液灌、膨胀阀、管路附件等组成。压缩机通过带电磁离合器的皮带轮与发动机相连，利用发动机动力工作，冷凝器通常同液压油冷却器一起安装在发动机水箱后面，利用发动机风扇散热，蒸发器安装在司机室内，进行热交换，达到制冷目的，储液罐用于制冷剂的储藏、干燥、过滤。2） 车灯挖掘机上的灯具主要有前大灯，动臂灯，司机室内照明灯。
14、对轮胎式挖掘机还有转向指示灯、制动指示灯、示宽灯等。车灯控制电路简单，主要通过司机室内仪表台灯光开关控制，通常不需要另外增加继电器。3）雨刮器、喷水器雨刮器用于雨天司机室前窗玻璃刮雨用，通过司机室内仪表台雨刮器开关控制，喷水器用于向司机室前窗玻璃喷水，配合雨刮器对前窗玻璃除尘、清洗，通过司机室内仪表台喷水按钮控制。4） 喇叭电喇叭用于操作员工作时向外面发出警示用，如开始挖掘时，按喇叭警示挖掘机周围的人离开机器附近危险区域。通过喇叭按钮控制，喇叭按钮通常安装在先导手柄上，由于先导手柄上按钮触点能通过的电流较小，必须加装喇叭继电器，先导手柄按钮仅控制喇叭继电器线圈的通断电以控制喇叭的开关。5） 音
15、响挖掘机音响原来多配置磁带收放机，但故障率高，目前多配置数字收音机，高档的可带 MP3 播放器。由于挖掘机工作环境差，机器工作时振动大，通常不配 CD 音响。10.2 现代挖掘机电子控制系统9二 十 世 纪 九 十 年 代 以 后 ， 一 方 面 ， 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 越 来 越 高 的 要 求 ； 另 一 方 面 ，电 液 比 例 控 制 技 术 、 微 电 子 技 术 、 计 算 机 技 术 、 通 讯 技 术 的 发 展 ， 为挖 掘 机 电 气 系 统 的 发 展 提
16、 供 了 强 大 的 技 术 支 撑 。 从 而 ， 推 动 了 挖 掘 机电 气 控 制 系 统 的 飞 跃 发 展 ， 挖 掘 机 电 气 控 制 系 统 已 成 为 机 、 电 、 液 、信 一 体 化 的 集 成 控 制 系 统 ， 大 大 提 高 了 挖 掘 机 的 智 能 化 控 制 水 平 及 整 机性 能 。 现 代 挖 掘 机 机 、 电 、 液 、 信 一 体 化 控 制 技 术 的 发 展 主 要 体 现 在 以下 方 面 ：1 电 子 监 控 及 故 障 诊 断 系 统 ， 实 现 了 挖 掘 机 工 作 状 态 的 智 能 监 控及 故 障 诊 断 ；2 发 动 机
17、的 电 子 控 制 系 统 ， 通 过 专 用 控 制 器 MC（ Main controller） 实 现 发 动 机 电 子 油 门 控 制 ， 发 动 机 、 液 压 泵 功 率 匹 配及 功 率 模 式 控 制 ， 工 作 模 式 控 制 ， 自 动 怠 速 控 制 等 ， 大 大 推 动了 现 代 挖 掘 机 的 节 能 控 制 技 术 。 另 外 ， 对 于 发 动 机 本 身 ， 采 用 高压 共 轨 燃 油 喷 射 系 统 的 电 喷 发 动 机 已 是 大 势 所 趋 ， 电 喷 发 动 机 的 燃油 喷 射 等 是 通 过 发 动 机 专 用 控 制 模 块 ECM（ En
18、gine control module） 实 现 的 ,并 通 过 CAN 总 线 与 整 机 实 现 通 讯 与 控 制 ；3 远 程 智 能 控 制 与 通 讯 技 术 ， 集 成 GPS 技 术 ， GSM/CDMA 技 术 ，INTERNET 技 术 ， 实 现 挖 掘 机 的 远 程 通 讯 、 监 测 、 监 控 ；4 CAN 总 线 技 术 ， 通 过 CAN 总 线 技 术 ， 实 现 电 子 监 控 系 统 ， 发 动机 电 子 控 制 系 统 ， 远 程 智 能 控 制 与 通 讯 系 统 的 智 能 互 联 ， 大 大增 强 了 整 机 电 子 控 制 系 统 的 集 成
19、 控 制 水 平 。1010 6 为 日 立 ZX-3 挖 掘 机 电 子 控 制 系 统 总 体 组 成 。10 6 日 立 ZX-3 挖 掘 机 电 子 控 制 系 统 组 成日 立 ZX-3 挖 掘 机 电 子 控 制 系 统 由 电 子 监 控 器 、 以 主 控 制 器（ MC） 为 核 心 的 发 动 机 电 子 控 制 系 统 、 以 高 压 共 轨 控 制 器（ ECM） 为 核 心 的 电 喷 控 制 系 统 、 以 信 息 控 制 器 （ ICF） 为 核 心 的通 讯 控 制 系 统 构 成 ， 各 系 统 通 过 CAN 总 线 实 现 系 统 互 联 ，1021 电子监控及 故 障 诊 断 系统挖掘机的电子监控及 故 障 诊 断 ，就是利用传感或测量技术对挖掘机的工作参数进行检测，再通过控制器对检测结果进行相应的比较分析，以监测挖掘机的作业工况和运行状态，以便及早发现及排除故障，降低其维修成本，还可以改善机器的作业条件， 提高作业效率。10211 电子监控系统的发展挖掘机电子监控系统的发展经历了三个阶段，在上世纪9O年代以前，挖掘机基本上没有电子监控系统，挖掘机发生故障时，挖掘机厂商派出专业的维修人员现场检查维修，90年代以后， 微电子等先进技术在工程机械的应用推动了挖掘机状态监测与故障诊断技术的发展，从而产生了挖掘机的电子监控系统。电
