索小娟， 陳光偉，王 娜

1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450052；

2.中鋼集團(tuán)金屬制品研究院有限公司，河南鄭州 450001

1 概述

機(jī)電一體化也叫機(jī)械電子學(xué)，它是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息技術(shù)相互影響、滲透與結(jié)合而形成的一門新興的邊緣學(xué)科[1]。機(jī)電一體化是在機(jī)械主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。

機(jī)電一體化技術(shù)首先在汽車上應(yīng)用，70 年代中期開始人們將機(jī)電一體化技術(shù)推廣到工程機(jī)械上，從根本上改變了工程機(jī)械的面貌，實(shí)現(xiàn)省能化、自動(dòng)化、智能化。據(jù)調(diào)查，現(xiàn)階段國內(nèi)外許多高性能工程機(jī)械普遍應(yīng)用電子控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以微機(jī)或微處理器為核心并且已經(jīng)成為必不可少的一部分，現(xiàn)在衡量某種工程機(jī)械性能的高低是看其機(jī)電一體化水平的應(yīng)用程度。

2 工程機(jī)械中機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 機(jī)電一體化和工程機(jī)械的關(guān)系

現(xiàn)階段工程機(jī)械較傳統(tǒng)工程機(jī)械來說各種性能都得到了顯著改善，如操作舒適性提高；機(jī)械功率高且能耗??；可靠性提高；作業(yè)精度及作業(yè)效率提高等。工程機(jī)械各種性能的提高正是因?yàn)閷C(jī)電一體化技術(shù)引入到工程機(jī)械中，使得機(jī)械、液壓技術(shù)和電子控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合。目前現(xiàn)代工程機(jī)械的許多領(lǐng)域都應(yīng)用了電子技術(shù)，表現(xiàn)為應(yīng)用電子控制裝置（系統(tǒng)），這種裝置（系統(tǒng)）以微機(jī)或微處理器為核心，諸如工程機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)控與故障自診，拌和設(shè)備稱重計(jì)量過程的自動(dòng)控制等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，功能越來越先進(jìn)、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜的電子控制裝置將廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工程機(jī)械上。

2.2 機(jī)電一體化對(duì)工程機(jī)械功能的改進(jìn)

現(xiàn)代工程施工通常要求工程機(jī)械具有較高的性能：1）具備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視功能、自動(dòng)報(bào)警及故障自診功能；2）機(jī)械功效高且能耗?。?）技術(shù)性價(jià)比較高；4）自動(dòng)化程度及精度越高越好；5）使用成本較低；6）操作安全、簡單，使用壽命長。

下面對(duì)現(xiàn)代工程機(jī)械的電子（微機(jī)）控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行說明。

2.2.1 控制柴油機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)排放質(zhì)量與最低油耗間的矛盾，給柴油機(jī)技術(shù)的深入發(fā)展和研究帶來了很大的困難。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，冷風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速隨溫度的變化自動(dòng)控制、電子節(jié)能液壓泵系統(tǒng)減小能耗、根據(jù)負(fù)荷條件自動(dòng)調(diào)節(jié)柴油機(jī)油門、電子控制自動(dòng)變速等裝置的應(yīng)用，使柴油機(jī)在各種變工況下自動(dòng)選擇能同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和排放指標(biāo)的最佳噴油定時(shí)，充分實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、凈化排氣、提高效率的目的。

2.2.2 保證成品的作業(yè)精度

電子控制系統(tǒng)應(yīng)用到工程機(jī)械設(shè)備上，不光使稱量精確且過程自動(dòng)化，同時(shí)避免了人工測(cè)量誤差較大的弱點(diǎn)，提高成品的作業(yè)精度。如混凝土攪拌站的計(jì)量過程大多都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，這種電子計(jì)量系統(tǒng)廣泛采用微機(jī)控制。推土機(jī)上采用激光導(dǎo)向和電液伺服控制技術(shù)，自動(dòng)控制鏟刀的切土深度，減少了推土機(jī)往返作業(yè)的遍數(shù)和行程，提高了作業(yè)精度和作業(yè)效率，降低了施工成本，同時(shí)也減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2.3 降低能耗，提高生產(chǎn)率

傳統(tǒng)工程機(jī)械的燃料能量利用率僅為20%左右，非常低，所以提高能量利用率在現(xiàn)代工程機(jī)械的發(fā)展中勢(shì)在必行。新型節(jié)能控制器（OLLS 系統(tǒng)）應(yīng)用于日本小松公司生產(chǎn)的新型挖掘機(jī)上后，燃料可節(jié)省23%，節(jié)能效果良好，因?yàn)樵撓到y(tǒng)能使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和泵吸收轉(zhuǎn)矩經(jīng)常保持在最佳配合狀態(tài)，可有效地利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，使作業(yè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作迅速，大大提高了生產(chǎn)率。同時(shí)在使用質(zhì)量差的燃料造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降的情況下，由于微機(jī)控制系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)油泵吸收轉(zhuǎn)矩，不會(huì)出現(xiàn)以往發(fā)動(dòng)機(jī)冒黑煙或停車的現(xiàn)象。

2.2.4 電子監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警及故障自診

電子監(jiān)控和故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)置各種類型的傳感器，監(jiān)控工程機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等的運(yùn)行狀態(tài)，在故障發(fā)生之前預(yù)先發(fā)現(xiàn)問題，從而避免損壞機(jī)件事故的發(fā)生，保證作業(yè)人員安全。同時(shí)能動(dòng)報(bào)警并準(zhǔn)確地判斷故障發(fā)生的位置，提供處理方法，降低設(shè)備維修成本，降低設(shè)備故障率及停機(jī)臺(tái)次，保證設(shè)備安全、穩(wěn)定及長周期運(yùn)行。如日本三菱Ms160O 型礦用液壓挖掘機(jī)、美國卡特皮勒公司生產(chǎn)的936 型裝載機(jī)等都備有電子監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。

2.2.5 作業(yè)過程的自動(dòng)化或半自動(dòng)化

采用自動(dòng)化或半自動(dòng)化控制方式在提高生產(chǎn)率的同時(shí)降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，作業(yè)精度也不會(huì)受到操作人員的技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的影響，達(dá)到提高工程機(jī)械的運(yùn)作效率和質(zhì)量的目的。

例如，日本和歐美各國研制的新型挖掘機(jī)可實(shí)現(xiàn)作業(yè)模式自動(dòng)化，工作裝置—鏟斗的形狀與運(yùn)動(dòng)軌跡可由操作人員預(yù)先在在自動(dòng)化的挖掘軌跡控制板上設(shè)定，完成后各種傳感器將信號(hào)將傳輸?shù)轿C(jī)控制系統(tǒng)，動(dòng)臂、斗桿和鏟刀受到微機(jī)系統(tǒng)的控制而按預(yù)設(shè)定動(dòng)作，完成各種特定形狀和斷面溝槽和斜面等，從而減少操作人員因經(jīng)驗(yàn)不足產(chǎn)生的誤差或事故的發(fā)生。

2.2.6 提高安全性

為了防止了翻車和斷臂事故，提高作業(yè)安全性，國外塔式起重機(jī)和輪式起重機(jī)大多裝有微機(jī)控制的力矩限制器，一旦超負(fù)荷立即發(fā)出警報(bào)。此外，國外的許多井下挖掘機(jī)采用無線電遙控裝置，實(shí)現(xiàn)無人駕駛，使工程機(jī)械在有放射性物質(zhì)污染地區(qū)和高溫或水下等危險(xiǎn)地點(diǎn)上進(jìn)行作業(yè)。

3 工程機(jī)械中機(jī)電一體化技術(shù)的展望

目前，國內(nèi)工程機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)落后于日本和歐美等國，根本原因是沒有得到足夠的重視，未來應(yīng)該加大工程機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)的研究和應(yīng)用力度。今后，機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下。

3.1 電子控制理論

隨著以微電子為核心的高新技術(shù)推動(dòng)了自動(dòng)控制技術(shù)在工程機(jī)械上應(yīng)用和推廣，成為工程機(jī)械現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。在控制理論的指導(dǎo)下，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)仿真等。自動(dòng)控制技術(shù)可應(yīng)用于工程機(jī)械作業(yè)的控制和操縱，比如攤鋪機(jī)應(yīng)用基于CAN 總線的工程檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找平、行駛速度和車輛轉(zhuǎn)速控制。目前，最優(yōu)控制方法和自適度、模糊控制方法被國內(nèi)外工程機(jī)械行業(yè)廣泛采用。

3.2 計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)

信息處理技術(shù)包括信息的輸入、識(shí)別、變換、運(yùn)算、存儲(chǔ)及輸出技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息處理的主要是計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。計(jì)算機(jī)應(yīng)用及信息處理技術(shù)成為促進(jìn)工程機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展最活躍的因素。信息處理技術(shù)方面尚需研究開發(fā)的課題有：人機(jī)接口裝置信息的智能化、可編程控制器的標(biāo)準(zhǔn)化等。

3.3 傳感器技術(shù)

目前，現(xiàn)代工程機(jī)械上傳感器得到廣泛應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用冷卻水溫度傳感器、機(jī)油壓力傳感器等來檢測(cè)和控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；瀝青攤鋪機(jī)上角位移、傾角等傳感器的應(yīng)用使攤鋪機(jī)在工作時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找平且行走速度不變，攤鋪出來預(yù)定的平整度、坡度和厚度的路面。隨著傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，可靠性與穩(wěn)定性不斷提高，精度越來越高，采集信息的范圍越來越廣，并將向集成、多功能化和智能化方向發(fā)展，未來越來越多種類的傳感器將應(yīng)用到工程機(jī)械上。

4 加快我國工程機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展面臨的問題和應(yīng)對(duì)措施

4.1 面臨的問題

目前，我國工程機(jī)械行業(yè)總體水平不高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于日本和歐美等國，存在的主要問題有：服務(wù)面太窄，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要；具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品少；發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)等基礎(chǔ)零件質(zhì)量一直不過關(guān)等。

4.2 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)上述我國工程機(jī)械行業(yè)目前存在的主要問題，應(yīng)從以下幾方面展開工作：1）重視科研技術(shù)開發(fā)工作，加大科研經(jīng)費(fèi)的投入，同時(shí)要全面規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)多層次發(fā)展，循序漸進(jìn)，從完善普通低成本的數(shù)顯裝置，電子化儀表做起，逐步實(shí)現(xiàn)設(shè)備的半自動(dòng)化，如帶有一定職能的工程機(jī)械專業(yè)系統(tǒng)，到最后實(shí)現(xiàn)機(jī)械與電子深度結(jié)合的產(chǎn)品與系統(tǒng)，如工程機(jī)械智能機(jī)器人，計(jì)算機(jī)輔助管理系統(tǒng)等；2）振興工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展，把立足點(diǎn)放在提升基礎(chǔ)技術(shù)和基礎(chǔ)部件水平方面來。應(yīng)采取國內(nèi)突破，引進(jìn)和消化國外技術(shù)，以及國內(nèi)產(chǎn)品與國外產(chǎn)品配套各種模式并存的方針；3）改變科技人員的知識(shí)結(jié)構(gòu)，要在人的知識(shí)結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)“一體化”。 我國工程機(jī)械科技人員的知識(shí)結(jié)構(gòu)不合理，在培養(yǎng)過程中，要做必要的調(diào)整和改革，讓其學(xué)習(xí)有關(guān)新技術(shù)成果方面的知識(shí)，學(xué)習(xí)有關(guān)控制論、計(jì)算機(jī)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展要求。

5 結(jié)論

綜上所述，工程機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用化階段，今后將繼續(xù)向著更高的階段發(fā)展。工程施工中工程機(jī)械的使用過程中，遵循設(shè)備使用和管理“以人為本”的原則，要想更好地融入科技含量越來越濃厚的現(xiàn)代工程施工中，維修和管理人員盡快了解和掌握機(jī)電一體化技術(shù)是基礎(chǔ)和前提。

[1]黃洪鐘.機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，1990(7)：6-8.

[2]張青.工程機(jī)械概論[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：4-5.

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