浅谈电动挖掘机数字化施工技术原理与应用.pdf

CM&M 2023.04470 引言目前，在非道路施工机械中，所用柴油发动机排量大，油耗高，发动机的排放标准远低于道路车辆，因此对环境的污染比其他道路车辆更为严重。统计数据表明，工程机械领域中污染物的排放量占全部移动机械排放源排量的 14%，已成为全球环境最为严重的污染源之一。以挖掘机为例，其燃油消耗量占全国各行业燃油消耗量的 9.7%，是不可忽视的主要污染排放源。以某型号20t 挖掘机为例，每小时耗油量在 2030L 左右，相当于一辆小型汽车行驶 300450km 的耗油量。在正常工作相同时间内，一台 20t 挖掘机的废气排放量相当于 30 辆小型汽车的废气排放量。因此，非道路移动机械行业节能减排任务格外重要。传统的工程设备对于人的依赖度非常高，施工精度无法保证，重复性劳动强度很大、施工效率低下等问题，严重阻碍了新技术在工程设备上的发展和技术迭代。电动挖掘机具有节能、安全、环保、综合使用成本低等优势，本文通过优化能源替代方案，实现动力系统的电动化。同时通过数字化施工技术设计一种电控系统，以提升施工效率，量化施工任务，降低劳动强度的工程设备。1 电动挖掘机技术特点和优势电动挖掘机采用电能驱动，无排放物质，对环境污染更小，能源消耗更低。其结构简单，维护成本相对较低，不需要经常更换零部件。尽管它的购买成本相对较高，但使用成本相对较低，能源消耗少、维护成本低。在设计时，可通过使用先进的设计软件和仿真工具，对挖掘机的结构和动力系统进行优化设计，以减少能源消耗和环境排放。电动数字化施工系统，需根据终端客户施工环境和任务，定制数字化的系统解决方案。通过配备传感器和数据采集系统，实时监测和记录能源消耗情况。对能源消耗数据进行分析，可以识别能源的使用模式、高能耗环节以及节能潜力，有利于优化挖掘机的操作和节能策略。通过数字化系统记录挖掘机的工作时间、负荷情况和作业速度等数据，可以评估挖掘机的工作效率。这些数据可以用于识别工作效率低下的环节，并有利于采取相应的措施进行改进，提高工作效率和节能效果。通过传感器和数据分析技术，实现故障诊断和预测维护，有利于及时发现故障和异常情况，并采取预防性维护措施，减少停机时间和能源浪费。2 电动挖掘机控制系统组成及原理2.1 动力控制系统动力控制系统的关键组成部件是电驱动、蓄电池和电控系统。BMS(电池管理系统)用于监测电池组的状态，包括电池电量、温度、电压等，并对电池进行管理和保护，以确保电池的性能和寿命。电池作为电动挖掘机的主要能源存储装置，用于提供储存的电能，并通过 PDU 将电能传输到电机系统中。PDU 用于管理电池输出的电能，并将其分配给不同的系统或设备，如电机驱动、照明系统、辅助设备等。ECU是控制电机的核心部件，它通过接收来自车辆控制单元（VCU）或操作员输入的指令，并生成相应的控制信号来控制电机的转速、扭矩和方向。VCU 通过对主泵和主阀的精确控制，实现准确的动作执行，如挖掘、回转、行驶等。电动挖掘机动力控制系统组成框图如图 1 所示。2.1.1 电机电机通常采用永磁同步电机，永磁同步电机转矩大、功率密度大、起动力矩大，动力性能指标好，高效节能，结构简单，可靠性高，噪声低。动力蓄电池采用磷酸铁锂作为电能存储单元，其具有充电快速、放电寿命长、动力强劲、能量密度高等优点，适合液压挖掘机的复杂浅谈电动挖掘机数字化施工技术原理与应用陈元平（立澈（上海）控制系统有限公司，上海 201600）摘要：电动挖掘机零排放，能耗、使用成本低，通过应用先进的数字化技术，提高挖掘机的能源利使用效率，有利于减少环境污染。数字化施工技术为电动化挖掘机的设计和操作提供了新的思路和方法，通过优化设计、智能控制和大数据管理，可以实现节能减排、提高施工效率和质量的目标。关键词：电动机；数字施工；系统；能源48工程机械与维修TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修作业工况、剧烈负载波动对动力源的需求。2.1.2 电池管理系统BMS电池管理系统BMS用于对蓄电池组和蓄电池单元的运行状态进行动态监控，精确测量蓄电池的剩余电量，同时可对蓄电池进行充放电保护，使蓄能器电池工作在最佳状态。2.1.3 电源分配单元PDUPDU 电源分配单元，用于实现对整车高压用电元件（电机控制器及三合一电源）的预充控制盒电源分配，同时进行整车端的高压安全管理。2.1.4 电机控制器ECUECU 是电机控制器是一种能够控制一个或多个电机的电子设备，通过控制电机的电流、电压、频率和相位来控制电机的转速、方向和输出功率。通常，电机控制器包含控制电路和功率电路两部分。主要作用是使电机运行在所需转速、方向和输出功率下，从而提高电机的效率、精度和可靠性，并降低电机的噪声和能耗。2.1.5 整机控制器VCUVCU 控制器是指挖掘机整车电控系统中的控制器，其作用是对整车的电动机、液压泵、液压阀等执行器进行控制和管理，实现整车的动力输出、行驶控制、工作控制等功能。根据挖掘机的工作环境和工作需求，制定相应的电控策略，包括能量管理、驱动控制、液压控制等方面。VCU 控制器通常采用 CAN 总线或以太网总线等现代化通信技术，用于控制器之间的数据交换和信息传递。控制对象主要包括电动机、液压泵、液压阀等执行器，以及传感器、开关等感知器件。开发工具通常包括仿真软件、开发板、调试工具等，主要用于进行控制算法的开发、调试和验证。2.2 数字化引导施工系统姿态计算控制器通过 4 个倾角传感器信号计算铲斗齿尖相对位置，结合接收机 GNSS 的坐标信号，计算齿尖坐标位置。同时根据客户设定的目标平面，实时计算齿尖与目标面的距离，并通过声光信号进行引导。数字引导施工系统组成如图 2 所示。系统各部分功能具体如下：2.2.1 倾角传感器倾角传感器在原有电路基础上增加陀螺仪，测量动态倾角，即物体在运动过程中相对于水平面的倾斜角度。它的特点是响应速度快、精度高、适应高频率振动环境，适用于需要测量运动中倾斜角度的场合。在建筑、机械、汽车、航空航天等领域，主要用于测量设备或结构物的倾斜角度，以便进行控制或监测。2.2.2 GNSS天线GNSS天线是一种用于接收全球卫星导航系统（GNSS）信号的天线，包括 GPS、GLONASS、Galileo 等系统。它的作用是将卫星信号转换成电信号，传输到 GNSS 接收机中进行处理和分析。天线的精度取决于其设计和制造质量，一般可达到数厘米至数米不等的精度。GNSS 天线广泛应用于车载导航、航空航天、测绘、农业、地质勘探等领域，是实现高精度定位和导航的重要组成部分。在接收到卫星信号后，其开始工作，把信号转换成数据进行处理。2.2.3 GNSS接收机+显示器工业显示屏将 GNSS 接收机集成到一体，它不仅可以将设备的位置、速度、时间等导航信息描述出来，还可以实时显示当前用户所在经度和纬度坐标。2.2.4 姿态计算控制器姿态计算控制器是一种工业专用计算控制单元，用来计算挖掘机每节臂的姿态，结合 GNSS 定位坐标，最终可计算出挖掘机斗齿的实时位置。2.3 数字化的防倾翻预警系统工程设备整车控制器内部程序设定允许最大倾斜角度,如果整机工作中倾斜超过设定值，机器通过声光报警，控制器会立即停止机器所有动作。该系统可动态监测整车水平姿态，具备实时预警功能，可对误操作导致的整车倾翻预警，保护操作人员的安全，降低损失。防倾翻系统系统框图如图 3 所示。控制器 VCU 内部程序设定安全角度阈值，并可实时采集传感器输出角度值，当任一方向倾斜角度值大于系统设定值时，控制程序会主动切断车辆的所有动作。2.4 数字化新机手操作实训系统数字施工系统具备模拟机功能，新操作人员通过驾驶室内显示屏，可将自身置身于真实工作场景，全方位图1 电动挖掘机动力控制系统组成框图图2 数字引导施工系统组成图3 防倾翻系统框图CM&M 2023.0449了解自己操作的规范性和施工面情况，从而降低培训成本和提高培训效率。挖掘机实训系统系统如图 4 所示。操作手可以从三个不同的视角全面观察设备的工作情况。可通过操控驾驶室电子手柄，从显示屏实时观察到挖机的各种复合动作。若现场环境限制，系统可以设定上限高度和下限挖掘深度，超限时系统会报警提示，以保证培训安全操作。同时，系统可实现单一重复性动作设定，用于道路坡道角度施工控制。3 使用成本分析3.1 电机电能消耗电机电能消耗公式如下：TCe=PtPe （1）式中：TCe表示用电总成本，单位为元；P表示电机的额定功率，单位为 kW；t表示电机实际工作时间，单位为 h；Pe表示电价。如果电机功率 140kW，工作时间8h,电价为 0.725 元/kWh，则用电总成本为 812 元。3.2 燃油机油耗燃油机油耗计算公式如下：TC=tGeP （2）式中：TC表示燃油总成本，单位为元；t表示实际工作时间，单位为 h；Ge表示柴油机平均油耗，单位 L/h；P表示燃油价格。如果机器工作时间8h，平均油耗20L/h，0#柴油价格按7.16元/L计算，则燃油总成本为1145元。通过公式（1）和公式（2）两者的计算结果可以发现，电动挖掘机的使用成本低于燃油挖掘机，能源消耗量更为稳定，而燃油挖掘机的油耗率受多种因素影响，如工况、环境温度等较为不稳定。4 市场应用领域4.1 基础设施建设领域在城市建设、道路施工和土地开垦等基础设施项目中,通过应用数字化技术，挖掘机可以实现更精确的操作和更高效的施工，从而提高施工效率、降低能源消耗。4.2 矿山和采石场领域在矿山和采石场主要用于挖掘矿石和石材,通过数字化控制和自动化功能，挖掘机可以实现更准确的挖掘和负荷控制，从而提高采矿效率，降低能源消耗。4.3 港口和航道工程领域在港口和航道工程中，主要用于土方工程、淤泥清理和航道维护等任务。数字化技术可以帮助挖掘机实现精确的航道挖掘和土方运输，提高工作效率并减少能源消耗。4.4 环境保护和资源回收领域环境保护和资源回收领域主要分两类：一是用于垃圾分类、堆场管理和垃圾填埋等环保工作,二是用于废物处理、回收厂中的废物分类、处理和资源回收。4.5 农业和园林领域农业和园林领域包括农田水利设施建设、农田平整和农作物种植等，此外，还可用于公园、景区和园林的土地修整、植树和景观布置等任务。5 电动挖掘机现阶段不足电动挖掘机符合可持续发展的理念和需求，有助于建设更环保和可持续的工业和城市环境。许多国家和地区都出台了鼓励使用环保设备的政策措施，包括对电动挖掘机提供税收减免、补贴和奖励等政策支持，以促进其在市场上的推广。但电动挖掘机电池容量和充电时间，限制了电动挖掘机的连续工作时间和作业范围。在一些偏远地区或工地条件有限的场所，由于充电设施的供应不便，限制了电动挖掘机的使用。此外，由于电池和电动系统的成本较高，导致电动挖掘机的购买成本比燃油挖掘机高。这些缺陷和不足之处，并不意味着电动挖掘机没有应用价值，而是需要根据具体的工程需求和环境条件进行综合考量。相信随着技术的进步和电池技术的改善，这些缺陷和不足会逐渐减少。6 结束语当今，世界正在经历能源紧张和传统工业化操作习惯改变的历史时期，工业 4.0 带来的数字化转型需求，能源及产业链升级调整，还有社会化人口老龄化和低出生率现状，迫切要求工程设备具有高效、节能、环保的特点。数字化施工技术，为电动化挖掘机的设计和操作提供了新的思路和方法。通过优化设计、智能控制和大数据管理，可以实现节能减排、提高施工效率和质量的目标。未来需要进一步探索更先进的数字化技术在挖掘机施工中的应用，从单机智能化向机群智能化管理迈进，推动行业向智能化和可持续发展的方向迈进。参考文献1 林添良,陈其怀,付胜杰.电动挖掘机关键技术及应用 M.北 京:机械工业出版社出版,2020(8):2-3.2 孙建忠,刘凤春.电机与拖动M.北京:机械工业出版社出版,2016.7.图4 挖掘机实训系统