中大型挖掘機(jī)線束設(shè)計(jì)與可靠性研究

武香菊 張建 劉成全

[摘要] 本文首先介紹了挖掘機(jī)線束的設(shè)計(jì)三個(gè)基本原則，然后通過對(duì)線束布線與定位、搭鐵、電磁抗擾、防水以及防火設(shè)計(jì)的逐一分析，得到了一些提高線束可靠性的經(jīng)驗(yàn)方法。

[關(guān)鍵詞] 挖掘機(jī) ;線束;可靠性

挖掘機(jī)是工程建設(shè)中使用最廣泛、最重要的工程機(jī)械設(shè)備之一，在建筑行業(yè)、交通運(yùn)輸、礦山采掘等施工中起著極為重要的作用。線束系統(tǒng)作為挖掘機(jī)的神經(jīng)，充當(dāng)著聯(lián)系中央控制部件和挖掘機(jī)各用電器的重任，線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量與可靠性直接關(guān)系到挖掘機(jī)的安全性與作業(yè)效率。隨著挖掘機(jī)技術(shù)的日益成熟，操作者對(duì)挖掘機(jī)安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性和排放要求的提高，線束在挖掘機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛，線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量與可靠性變得更為重要和嚴(yán)格。

本文簡述了中大型挖掘機(jī)線束的設(shè)計(jì)原則，在其基礎(chǔ)上，基于設(shè)計(jì)實(shí)例與經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)論述了提高中大型挖掘機(jī)線束設(shè)計(jì)可靠性的方法。

1.挖掘機(jī)線束設(shè)計(jì)原則

中大型挖掘機(jī)一般在露天礦山作業(yè)，環(huán)境嚴(yán)酷，工作強(qiáng)度大、時(shí)間長，因此對(duì)線束的可靠性有更高的要求。

1.1 線束分段原則

中大型挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)一般采用模塊化設(shè)計(jì)，線束依據(jù)以下原則進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。

a）便于裝配與檢修;

b）一個(gè)子系統(tǒng)盡量設(shè)計(jì)到一段線束上;

c）盡可能減少不必要的回路與連接的產(chǎn)生;

d）避免重復(fù)布線，使導(dǎo)線長度最短。

在此原則基礎(chǔ)上，中大型挖掘機(jī)線束主要被分為主線束、左操縱箱線束、右操縱箱線束、翹板開關(guān)線束、空調(diào)線束、駕駛室線束、EMS線束、發(fā)動(dòng)機(jī)線束與動(dòng)臂燈線束，每段線束均安裝于獨(dú)立載體中，在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，方便線束的安裝與檢修。。

1.2 連接器選型原則

連接器是挖掘機(jī)線束的重要組成部分，其種類繁多，應(yīng)用廣泛。在設(shè)計(jì)中，制約連接器選型的要素有如下幾個(gè)方面，需要根據(jù)需求進(jìn)行合理選型。

1）外形尺寸

2）結(jié)構(gòu)形式

3）屏蔽

4）防誤插

5）使用環(huán)境

6）拔插的頻率

7）可承載電流

8）成本

1.3 導(dǎo)線選擇原則

中大型挖掘機(jī)使用的導(dǎo)線一般都是低壓導(dǎo)線，即內(nèi)芯為單股或多股銅絲，外層用聚氯乙烯（PVC）進(jìn)行絕緣。導(dǎo)線的截面積決定了它的載流能力，導(dǎo)線的截面積越大，導(dǎo)線的重量和成本越高，這就意味著必須在允許的壓降與最大導(dǎo)線截面積尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。實(shí)際當(dāng)中，一般使用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行截面積的計(jì)算：

式中：S—導(dǎo)線截面積，mm2;I—流過導(dǎo)線的電流，A;ρ—導(dǎo)線電阻率，一般取值0.0185?·mm2/m;L—導(dǎo)線長度，m;U—導(dǎo)線允許的電壓降。

2.挖掘機(jī)線束可靠性設(shè)計(jì)

隨著中大型挖掘機(jī)市場(chǎng)保有量的不斷增加，加之挖掘機(jī)工作的嚴(yán)苛環(huán)境影響，因線束故障而引起的整車功能失效乃至起火問題，都時(shí)有發(fā)生，這也反映出線束可靠性對(duì)挖掘機(jī)產(chǎn)品的重要性。要提升線束的可靠性，重點(diǎn)可以從設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、制造三個(gè)方面采取措施，而設(shè)計(jì)措施是其中最直接有效的。

下面對(duì)幾項(xiàng)提升線束設(shè)計(jì)可靠性的方法進(jìn)行介紹。

2.1 線束布線與定位

根據(jù)車架上的零件布置、各種電氣零件的布置，可以初步確定線束的具體走向。在布置過程中按照以下原則進(jìn)行：

1）所有導(dǎo)線不能接觸尖銳或粗糙表面。

2）線束分支不能在兩固定點(diǎn)之間的長度太短而承受張力。

3）所有線束必須遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)部件。

4）所有線束分支必須遠(yuǎn)離高溫?zé)嵩磪^(qū)域，若無法遠(yuǎn)離，則外加保護(hù)確保線束不被損傷。

5）線束必須受到良好的保護(hù)來防止外部道路環(huán)境因素的影響導(dǎo)致線束損壞。

2.2 線束的搭鐵

中大型挖掘機(jī)一般采用單線制、負(fù)極搭鐵的形式，即把用電器通過搭鐵點(diǎn)，直接與車架、車身、發(fā)動(dòng)機(jī)外殼等相連，最終通過蓄電池負(fù)極電纜與車身搭鐵點(diǎn)的連接，實(shí)現(xiàn)回路的完整連接，因此，搭鐵即接地。

搭鐵設(shè)計(jì)的最基本要求就是要牢固可靠，能夠克服挖掘機(jī)在工作時(shí)長時(shí)間的振動(dòng)和沖擊，否則會(huì)造成用電器工作不穩(wěn)定，影響整車的正常作業(yè)。另外，不同的搭鐵類型要盡量分開，如功率接地不與信號(hào)接地共用搭鐵點(diǎn)，強(qiáng)信號(hào)接地不與弱信號(hào)接地共用搭鐵點(diǎn)，沖擊信號(hào)接地要與阻性負(fù)載接地區(qū)分開。

在接地點(diǎn)的分配上，要遵循就近原則，且將接地點(diǎn)設(shè)置在易于維修的位置。接地點(diǎn)位置，應(yīng)該優(yōu)先選擇挖掘機(jī)上架，無特殊情況，不允許在支架上設(shè)置接地點(diǎn)。

對(duì)于共用接地點(diǎn)的接地線的設(shè)計(jì)，主要有兩種連接形式，如圖 5所示

其中，第一種設(shè)計(jì)方案，是在線束中設(shè)置焊接點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是可以最大的減少導(dǎo)線的使用量，但是可能會(huì)造成焊點(diǎn)處接地信號(hào)的相互干擾。第二種設(shè)計(jì)方案，可以減少接地信號(hào)的相互干擾，但是相對(duì)于第一種設(shè)計(jì)，其導(dǎo)線使用量增加，車身重量增加。一般對(duì)于對(duì)于燈具、風(fēng)扇等可以使用第一種方案接地，對(duì)于控制單元、傳感器、儀表等的接地則使用第二種方法。無論使用哪種方法，都要綜合考慮盡可能的減短接地線的長度，節(jié)省成本和提高性能。

2.3 線束的電磁抗擾

在電磁干擾強(qiáng)烈或者信號(hào)敏區(qū)域，要注意對(duì)線束增加防電磁保護(hù)，，如車載的CAN總線。由于挖掘機(jī)內(nèi)部電控部件對(duì)CAN總線產(chǎn)生干擾，使其處于從低頻到高頻變化的外部電磁環(huán)境中，因此對(duì)CAN總線的抗干擾能力提出了更高的要求 。作為數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)腃AN總線，保證其良好的抗電磁干擾特性尤其重要。

2.4 線束的防水

線束的防水設(shè)計(jì)一旦失效，很容易引起各個(gè)電器系統(tǒng)工作異常，影響整車作業(yè)，甚至也引發(fā)很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保證線束系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，必須結(jié)合挖掘機(jī)各個(gè)區(qū)域的工作環(huán)境，對(duì)外露區(qū)域的線束進(jìn)行可靠的防水設(shè)計(jì)。

線束防水主要從以下方面進(jìn)行考慮：

1）整車布置上設(shè)置低位滴水點(diǎn)，確保水不會(huì)沿線束流向電氣件;

2）外露區(qū)域要求必須選用防水連接器;

3）線束過孔需使用相適應(yīng)的橡膠件進(jìn)行防水密封保護(hù)。

2.5 線束的防火

挖掘機(jī)線束防火關(guān)鍵是兩點(diǎn)，一是線束布局設(shè)計(jì)方案，二是電纜線徑與保險(xiǎn)配對(duì)設(shè)計(jì)方案。

1）線束要繞開高溫?zé)嵩?50 mm 以上。

2）線束布局要繞開銳邊、運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，避免線束損壞短路故障。

3）線束防止從輸油管正下方通過，避免漏油后滴在線束上。

4）確保導(dǎo)線發(fā)煙特性曲線要小于保險(xiǎn)融斷特性曲線

3.總結(jié)

中大型挖掘機(jī)發(fā)展的智能化、復(fù)雜化給線束帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。本文簡述了線束的設(shè)計(jì)原則，然后通過對(duì)線束布線與定位、搭鐵、電磁抗擾、防水以及防火設(shè)計(jì)的可靠性進(jìn)行了逐一分析，得到了提高線束可靠性的經(jīng)驗(yàn)方法。做好線束系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，讓線束失效不再成為挖掘機(jī)故障的罪魁禍?zhǔn)住?/p>