工程機(jī)械線路安全及可靠性設(shè)計(jì)

黃 輝

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司研究總院，廣西 柳州545007）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工程機(jī)械（如裝載機(jī)、挖掘機(jī)等）在基礎(chǔ)建設(shè)、礦山開采、建筑等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。工程機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作環(huán)境惡劣，在實(shí)際使用中容易發(fā)生故障，而電氣系統(tǒng)是工程機(jī)械非常重要的部分，對(duì)工程機(jī)械的工作裝置、液壓系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)起到控制及輔助的作用，以使機(jī)器順利完成其作業(yè)任務(wù)。如果發(fā)生電氣故障，不但影響用戶的正常施工，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致機(jī)器燃燒，危及用戶的生命、財(cái)產(chǎn)安全。提高工程機(jī)械電氣系統(tǒng)可靠性顯得尤為重要，而電氣線路在電氣系統(tǒng)中扮演著電氣神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的角色。因此，線路的安全及可靠性是電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首要解決的課題。

1 工程機(jī)械線束的設(shè)計(jì)

線束主要由線束保護(hù)層、回路保護(hù)裝置、電線、插接器等構(gòu)成，因此這些組成部分的元器件、材料選擇及制造工藝直接影響機(jī)器電氣線路的安全及可靠性。

1.1 線束保護(hù)層

由于線束需布置在機(jī)器不同的部位，因此對(duì)線束的保護(hù)層需要根據(jù)機(jī)器作業(yè)環(huán)境及機(jī)器不同部位的環(huán)境條件，結(jié)合保護(hù)層的材料特點(diǎn)進(jìn)行選擇，才能對(duì)線束內(nèi)部的電線起到保護(hù)作用，降低機(jī)器故障風(fēng)險(xiǎn)。

線束包扎防護(hù)材料通常包括膠帶、波紋管、PVC管、尼龍布、無堿玻璃纖維帶、熱縮管等用于線束基本防護(hù)的材料。每一種線束防護(hù)材料都有其自身特性功能，例如波紋管的耐磨性、PVC管及尼龍布的柔軟性、無堿玻璃纖維帶耐高溫性等。

（1）布置在車架發(fā)動(dòng)機(jī)倉或其他高溫區(qū)的線束應(yīng)采用耐溫不低于150℃的保護(hù)層進(jìn)行保護(hù)，可優(yōu)先采用尼龍類（PA）、聚丙烯改良類（PPMOD）的波紋管進(jìn)行防護(hù)。

（2）布置在高于300℃環(huán)境溫度中（如熱鋼渣鏟裝工況）的線束應(yīng)采用至少耐500℃的線束保護(hù)層，可選用無堿玻璃纖維帶。

（3）布置在機(jī)器駕駛室內(nèi)部的線束保護(hù)層，應(yīng)充分考慮保護(hù)層的阻燃性以及線束裝配、維修的便易性?？蓛?yōu)先選用自卷繞尼龍布或者PVC管進(jìn)行防護(hù)。

（4）曝露在機(jī)器外面的線束保護(hù)層，應(yīng)根據(jù)外部環(huán)境選擇材料，以滿足環(huán)境溫度、濕度、日照等使用條件，且保護(hù)層耐磨不易變形，不影響機(jī)器外觀質(zhì)量。推薦優(yōu)先選用封閉波紋管或者雙層波紋管進(jìn)行防護(hù)。

（5）對(duì)于機(jī)器的電源主干線，比如啟動(dòng)電機(jī)正極電纜線應(yīng)采用尼龍類（PA）、聚丙烯改良類（PPMOD）的封閉波紋管進(jìn)行防護(hù)，且波紋管端頭采用雙壁熱縮管收口。確保電纜全長(zhǎng)不出現(xiàn)裸露現(xiàn)象。

保護(hù)層阻燃性，布置在高溫區(qū)（如發(fā)動(dòng)機(jī)倉）、油汽混合區(qū)的線束，其保護(hù)層阻燃性應(yīng)符合 GB/T 2408-2008中垂直法V-0等級(jí)要求，布置在其他非高溫區(qū)、非油氣混合區(qū)域的線束，其保護(hù)層阻燃性應(yīng)符合GB/T 2408-2008中垂直法V-2以上等級(jí)要求[1]。

1.2 回路保護(hù)裝置

回路保護(hù)裝置是當(dāng)電路回路出現(xiàn)過流時(shí)，能使回路斷開的裝置，用于保護(hù)該回路的導(dǎo)線和電氣設(shè)備。在工程機(jī)械上，除起動(dòng)回路中的主回路由于電流太大，可以沒有回路保護(hù)裝置外，其他回路均應(yīng)具有回路保護(hù)裝置。

常見回路保護(hù)裝置有：熔斷器、斷路器、自恢復(fù)保險(xiǎn)、智能接觸器（繼電器）、過熱保護(hù)器。

（1）回路保護(hù)裝置基本選用原則

斷路器具有響應(yīng)慢的特點(diǎn)，并可能因振動(dòng)導(dǎo)致短時(shí)開路，斷路器不允許用于帶有微處理器的用電設(shè)備回路。

在工程機(jī)械整機(jī)線路中不推薦使用自恢復(fù)保險(xiǎn)、智能繼電器/接觸器和過熱保護(hù)器（熱繼電器）等回路保護(hù)裝置。

推薦使用熔斷器（參考QC/T 420-2004、ISO 8820-2：2005、ISO 8820-5：2007），通常稱之為保險(xiǎn)（FUSE）。

（2）熔斷器的參數(shù)選用

熔斷器應(yīng)工作在額定電壓范圍內(nèi)，熔斷器必須在明顯處標(biāo)明額定電壓（UN），熔斷器的額定電壓UN要大于機(jī)器的系統(tǒng)電壓，當(dāng)工程機(jī)械的系統(tǒng)電壓是12 V/24 V，應(yīng)選用額定電壓為32 V的熔斷器。

為了避免熔斷器本身及接觸電阻引起的發(fā)熱損壞熔斷器座，小于30 A的熔斷器可選擇片式熔斷器，大于30 A的應(yīng)選用旋緊式熔斷器，30 A熔斷器推薦采用旋緊式熔斷器，若選用30 A片式熔斷器應(yīng)為該回路配備獨(dú)立的安裝盒。

重要的功能模塊及涉及行車安全的用電器，應(yīng)有各自獨(dú)立的熔斷器，例如變速控制、ECM、前大燈等，不能和其他功能模塊共用熔斷器。

由于熔斷器和熔斷器盒接線端子間接觸電阻以及熔斷器本身的電阻存在，當(dāng)電流流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，所以熔斷器座或熔斷器盒的材料要求耐高溫且能阻燃。

環(huán)境溫度高會(huì)增加熔斷器的負(fù)荷，造成熔斷器的載流能力下降，在熔斷器選型的時(shí)候，需根據(jù)熔斷器制造商提供的修正曲線進(jìn)行熔斷器額定電流IN的修正。

設(shè)計(jì)有多級(jí)熔斷器時(shí)（如圖1），當(dāng)分支回路出現(xiàn)過流，該分支回路的熔斷器應(yīng)當(dāng)優(yōu)先熔斷，并確保上級(jí)熔斷器不熔斷。

圖1 設(shè)計(jì)有多級(jí)熔斷器圖

1.3 電線和電纜

基于工程機(jī)械對(duì)電線和電纜的環(huán)境適應(yīng)性要求，選用的電線應(yīng)符合日標(biāo)JASO D609-2001、JASO D611-1994 或 德 標(biāo) DIN 72551-1991、DIN 76722-2008或國(guó)標(biāo)JB/T8139-1999、QJ/LG 0346-2013的規(guī)定。在選用電線時(shí)，第一選用序列為日標(biāo)AV、AVS、AVSS線或者德標(biāo)FLRY-B線，第二選用序列為國(guó)標(biāo)QVR、QVR-105線。優(yōu)先選用第一序列電線?？紤]到電線的機(jī)械強(qiáng)度，電線的導(dǎo)體標(biāo)稱截面積不能小于0.75 mm2，雙絞線、三絞線、屏蔽電纜等在一個(gè)共用外部絕緣層內(nèi)有兩芯或以上具有獨(dú)立絕緣層的電線及叉車用的電線除外。

（1）電線線徑的選擇

考慮環(huán)境溫度因素對(duì)電線的載流能力的影響，在選用電線時(shí)，選取的電線線徑規(guī)格應(yīng)保證電線在所處工作環(huán)境溫度下滿足載流量要求。在回路中有保護(hù)裝置的條件下，應(yīng)保證在出現(xiàn)極端情況時(shí)（如短路、過流等），電線不應(yīng)出現(xiàn)冒煙等現(xiàn)象。 各種電線的適用環(huán)境溫度范圍見表1。

表1 各種電線的適用環(huán)境溫度范圍

導(dǎo)線截面積的計(jì)算：

1）根據(jù)功率 P=UI，確定導(dǎo)線的電流，U是系統(tǒng)電壓，所允許的電壓降UJ是一定的，線路的電阻R=UJ/I和線路電阻的計(jì)算公式：

式中ρ為材料的電阻率（Ω·mm2/m），S是導(dǎo)線的截面積（mm2）

例如AV電線電壓降見下表2。

表2 A V電線電纜不同環(huán)境溫度條件下的容許載流量和電壓降[4]

2）或者按下面經(jīng)驗(yàn)公式：

式中I為額定電流（A）；A為導(dǎo)線的截面積（mm2）

3）線徑選擇也可以參考更為簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方式：

當(dāng)該負(fù)載為長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作時(shí)，應(yīng)使電線額定電流≥負(fù)載電流×1.1；當(dāng)該負(fù)載為短時(shí)間歇工作時(shí)，應(yīng)使電線額定電流≥負(fù)載電流。

當(dāng)有多個(gè)回路共用一根地線時(shí)，該地線的載流量應(yīng)滿足需要同時(shí)工作的回路的全部負(fù)載電流。

（2）安全性驗(yàn)算方法

本驗(yàn)算方法適用于導(dǎo)體標(biāo)稱截面積小于等于10 mm2的電線。

根據(jù)熔斷器的熔斷特性，得到所選用熔斷器的熔斷電流與最大熔斷時(shí)間的關(guān)系值，再按不同環(huán)境溫度下，電線絕緣層冒煙時(shí)間-電流曲線圖（以圖2 AV電線23℃環(huán)境溫度為例）查找該回路所選用電線在該熔斷器各熔斷電流下的冒煙時(shí)間，若有一個(gè)冒煙時(shí)間小于熔斷器的最大熔斷時(shí)間，則選用大一級(jí)線徑型號(hào)的電線重新驗(yàn)證，只有當(dāng)電線在熔斷器各熔斷電流下的冒煙時(shí)間均大于熔斷器的熔斷時(shí)間時(shí)，該線徑電線才符合設(shè)計(jì)安全要求。

圖2 電線絕緣層冒煙時(shí)間-電流曲線[4]

（3）電線的識(shí)別

為了方便線束設(shè)計(jì)、線束制造以及維修服務(wù)，避免錯(cuò)誤連接，用于電氣回路中連接部件的電線和導(dǎo)線應(yīng)做有記號(hào)且明確標(biāo)識(shí)[2]。識(shí)別方法可以采用以下方式。

電線和電纜可以采用絕緣層顏色、編碼標(biāo)識(shí)或者兩者混合的方式進(jìn)行識(shí)別。每根電線或電纜兩端的標(biāo)識(shí)應(yīng)相同，且不同功能定義的電線或電纜標(biāo)識(shí)

不能重復(fù)。當(dāng)電線或電纜通過電器件后，則應(yīng)改變其標(biāo)識(shí)。當(dāng)電線或電纜通過接線盒、插接器、公共接頭時(shí)，不應(yīng)改變其識(shí)別[3]。

1）顏色識(shí)別

電線和電纜絕緣層不同的顏色表示專用用途的識(shí)別。連接同一個(gè)電器件，不同用途的電線其絕緣層顏色應(yīng)不相同；同一個(gè)插接器中，不同用途的電線其絕緣層顏色也應(yīng)不相同。

2）編碼標(biāo)識(shí)

編碼標(biāo)識(shí)可采用數(shù)字、字母、符號(hào)或它們的組合。對(duì)于可引起混淆的字母（如 B、D、I、O、Q、S、Z）應(yīng)略去不用。對(duì)于字體結(jié)構(gòu)有方向性的數(shù)字及數(shù)字組合（如6、9、66、99、69、96、868、686 等）應(yīng)避免單獨(dú)使用。

1.4 插接器的選擇

鑒于工程機(jī)械設(shè)備所在的作業(yè)環(huán)境及工礦比較惡劣，為了避免線束插接器因震動(dòng)、液體噴濺等不可預(yù)知的環(huán)境因素，造成插接器松動(dòng)、進(jìn)水、腐蝕，導(dǎo)致線路斷路、短路或接觸不良，從而使工程機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障，因此暴露在機(jī)器體外的插接器應(yīng)優(yōu)先選用防水型的插接器，且應(yīng)至少有符合IP65（按GB 4208）的防護(hù)等級(jí)[2]。但在防水、防塵較好的區(qū)域可根據(jù)實(shí)際情況選用非防水型的插接器。

（1）插接器的接線端子材料可以是銅、黃銅、銀等，推薦使用表面有導(dǎo)電電鍍層（例如鍍金、銀、鎳等）的端子，以減少端子配合時(shí)的摩擦損傷和電化學(xué)腐蝕；成對(duì)插接器接線端子的金屬材料應(yīng)一致，以避免電化學(xué)腐蝕。

（2）因各插接器生產(chǎn)廠家的制造工藝存在差異，即使是同一系列、同一規(guī)格的插接器，其插接匹配也存在誤差。為了保證線路連接可靠，特別的對(duì)于較小電流的回路，例如控制信號(hào)回路?；芈分械某蓪?duì)插接器護(hù)套及接線端子應(yīng)選用同一制造廠產(chǎn)品。

（3）插接器應(yīng)能在不同溫度環(huán)境下保持可靠的電氣連接和機(jī)械連接，在高溫區(qū)域（例如發(fā)動(dòng)機(jī)附近）應(yīng)使用耐高溫的插接器組件（例如護(hù)套、密封堵等），耐高溫插接器組件應(yīng)確保在極限溫度（-40℃～125℃）的情況下不變形、不開裂。

（4）工程機(jī)械應(yīng)使用帶有自鎖裝置的插接器，鎖緊裝置應(yīng)能確保插接器承受不小于100 N的拉力而不脫開。

（5）在同一位置使用兩個(gè)或兩個(gè)以上插接器時(shí)應(yīng)采取防錯(cuò)接措施，可以通過選用不同芯數(shù)的插接器、插頭與插座的組合、相同芯數(shù)帶有防錯(cuò)裝置的插接器護(hù)套以及顏色等來進(jìn)行區(qū)分。

（6）所選擇插接器的端子應(yīng)滿足各個(gè)回路的功率或信號(hào)要求。對(duì)于功率回路，插接器接線端子額定電流不得小于負(fù)載的額定電流，并考慮環(huán)境溫度對(duì)接線端子載流能力的影響；對(duì)于信號(hào)回路，優(yōu)先考慮使用鍍金的端子。

2 工程機(jī)械電氣線路的布局

工程機(jī)械產(chǎn)品電氣線路的布局需保證線路中的線束，電氣設(shè)備的可靠性、安全性、維修性、環(huán)境適應(yīng)性、可制造性及易于裝配的要求。

（1）線束的可靠性

主要通過采取增加線束覆蓋物對(duì)線束本體進(jìn)行防護(hù)、對(duì)線束通過鈑金孔處進(jìn)行可靠防護(hù)、增加線束固定支架、在條件允許的情況下盡量減少線束分段等措施，提高線束工作的可靠性。進(jìn)行整車電氣線束設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮實(shí)現(xiàn)裝配的工藝性，有時(shí)會(huì)考慮將原本可以是一段的線束分成兩段。在進(jìn)行分段設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)插接器的增加應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：

1）線束上總的電壓降增加，電器件上的信號(hào)強(qiáng)度衰減，以及線束屏蔽中斷對(duì)電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)的影響[2]。

2）插接器的增加，會(huì)造成電氣連接的不可靠連接點(diǎn)增加。

3）為了固定增加的插接器，增加支架或考慮其他固定方式。

鑒于以上幾點(diǎn)，在條件允許的情況下，盡可能減少線束分段，采用貫穿式線束設(shè)計(jì)。

（2）線束可維修性

線路布置時(shí)，應(yīng)確保整車電氣系統(tǒng)具有良好的可維護(hù)性。線束插接器盡可能布置在觸手可及的地方。

1）線束插接器如果只能用單手插拔，其對(duì)插端要被可靠固定。插接器末端的線束應(yīng)該預(yù)留一定的長(zhǎng)度，以便于插接器的插拔：對(duì)于開關(guān)端的線束建議預(yù)留80～100mm，儀表、音響、空調(diào)面板、保險(xiǎn)盒等維修率比較高的電器件，其后端線束根據(jù)總成安裝位置預(yù)留到容易插拔的長(zhǎng)度。

2）需要在外面連接電器件插接器且需再塞回固定的線束，除為保證線束維修性而留足拉出操作時(shí)需要的長(zhǎng)度，還要考慮固定后的線束堆積空間和線束固定方式。

3）日常需更換、維護(hù)頻次較高的保險(xiǎn)絲和繼電器應(yīng)布置在易于發(fā)現(xiàn)及便于操作的位置。

（3）線路可制造性

在設(shè)計(jì)線束固定方式及固定結(jié)構(gòu)時(shí)要考慮裝配的可制造性，確保固定可靠的同時(shí)盡量減少裝配過程的工序。盡量采用簡(jiǎn)潔的固定方式，尤其對(duì)于空間狹小區(qū)域，如駕駛室頂部走線、駕駛室內(nèi)飾間走線，由于其空間狹小，盡量采用塑料卡扣或扎帶固定。

1）在線束固定結(jié)構(gòu)以及相關(guān)功能盒體設(shè)計(jì)過程中，采用常用的標(biāo)準(zhǔn)件，并且標(biāo)準(zhǔn)件種類盡量少，減少裝配及維修中專用工具的使用。

2）對(duì)于裝配時(shí)插接器或線束固定結(jié)構(gòu)需要穿過駕駛室或地板的情況，其緊固件如果采用普通六角螺母和螺栓，一名裝配人員難以獨(dú)立完成操作，應(yīng)考慮采用焊接螺母或焊接搭子進(jìn)行固定。

3）線束的固定孔要盡可能開在結(jié)構(gòu)件的平面區(qū)域，并避開結(jié)構(gòu)件的焊縫。

（4）線束的布置及固定

線束布置時(shí)應(yīng)使信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離零部件電磁干擾源，例如電喇叭、揚(yáng)聲器、雨刮電機(jī)等。線束布置無論在機(jī)器靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，不應(yīng)與液壓管路、動(dòng)力油路、機(jī)械機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉、阻礙，保持線路走向順暢、整潔，線路布置整齊。線束的走向在考慮好拆裝工藝后，須遵循最短路徑的原則，因?yàn)檩^短的回路有以下優(yōu)勢(shì)：

線束段消耗電壓降低、信號(hào)衰減減少；減輕整車質(zhì)量；降低線束成本。

1）運(yùn)動(dòng)件、開閉件（如挖掘機(jī)動(dòng)臂）間的線束要留足最大開度的長(zhǎng)度，并考慮在部件最小開度時(shí)的堆積空間和固定方式。

2）線束布線應(yīng)根據(jù)線束直徑的大小選用適當(dāng)規(guī)格的線夾進(jìn)行固定，確保線夾裝配后不擠壓到內(nèi)部導(dǎo)線，避免線束在振動(dòng)環(huán)境下與線夾摩擦或竄動(dòng)。在線束拐角處，拐角點(diǎn)前后均應(yīng)設(shè)置固定點(diǎn)。

3）主干線固定點(diǎn)（線夾、扎帶等）與分支點(diǎn)的位置應(yīng)保持30～100mm的間隔，有效保護(hù)分支點(diǎn)，同時(shí)防止線夾與分支點(diǎn)因太近而使分支處受磨損。

4）線束分支連接部件時(shí)應(yīng)預(yù)留足夠的松弛度（一般大于線束理論最小長(zhǎng)度25 mm），使其不對(duì)所連接的電器件產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，以避免振動(dòng)環(huán)境下影響線束的電氣連接性能。

5）線束布置時(shí)，應(yīng)確保固定可靠，避開板料的邊角處以及鋒利的地方或毛刺處，避免與其他部件發(fā)生干涉，以免造成線束磨損。

6）當(dāng)線束需跨接在兩個(gè)非剛性連接的車體或部件上時(shí)（如駕駛室與車架連接），為確保線路接地可靠性，應(yīng)在兩個(gè)連接車體或部件之間增加接地線纜。推薦優(yōu)先選用銅編織帶。

7）布置在高溫區(qū)（如發(fā)動(dòng)機(jī)）的線束應(yīng)采用至少耐150℃高溫的線束保護(hù)層，同時(shí)設(shè)計(jì)保護(hù)裝置使線束不與高溫源直接接觸，且應(yīng)確保線束與高溫源至少有30 mm的距離。布置在高于300℃環(huán)境溫度中（如熱鋼渣鏟裝工況）的線束須采用至少耐500℃的線束保護(hù)層，推薦采用無堿玻璃纖維帶。

8）線束布置應(yīng)盡量避開油液易積區(qū)域，若不可避免，應(yīng)設(shè)計(jì)保護(hù)裝置防止線束被油液浸泡侵蝕。線束布置應(yīng)盡量避開有飛濺物、跌落物區(qū)域，若不可避免，應(yīng)設(shè)計(jì)保護(hù)裝置防止線束、插接器被侵蝕、砸傷。

9）在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件上布線時(shí)，應(yīng)在各部件上對(duì)線束進(jìn)行固定，且線束應(yīng)留有一定余量以避免運(yùn)動(dòng)過程中被拉扯，如果部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)頻次較高，推薦使用夾布橡膠管作為額外保護(hù)層。

10）插接器布置應(yīng)盡可能保持水平方向，避免水或者其他液體沿著電線滲入插接器內(nèi)。插接器的安裝應(yīng)盡量避開高溫區(qū)域，如無法避開，應(yīng)增加相應(yīng)的保護(hù)措施。插接器不允許安裝在油液（如柴油、液壓油等）浸泡區(qū)域。

3 結(jié)束語

由于工程機(jī)械設(shè)備工況特殊、作業(yè)環(huán)境惡劣、功能及控制方式復(fù)雜，因此其電氣系統(tǒng)與汽車相比要求更特殊，本文旨在通過對(duì)工程機(jī)械線束設(shè)計(jì)及線路布局的設(shè)計(jì)分析及方法研究，提高線束及線路可制造性、裝配性的同時(shí)，從而達(dá)到提高了工程機(jī)械整機(jī)的安全性及可靠性目的[4]。