[分享]工程机械电气系统的可靠性设计

在工程机械电气系统设计中，按照可靠性设计的原则对设计的各个环节进行综合考虑，包括发动机的起动、停车控制，传感器的选型，负极线的接线方式，线束的设计和布呈，控制软件的版本选择的防护措施等。

引言

工程机械是我国制造行业的重要组成部分，是我国制造业中发展最快、发展平稳、经济效益和产品市场前景较好，并已形成与国外产品有较强竞争力。

1.电气系统设计

电气系统的设计是否合理，直接关系到整机电器件的正常工作与否和全车的安全性，因此电气系统设计出发点基本都是以安全为主。电气系统的设计需要综合考虑各方面的因素，包括成本、性能、电器件型号等。

(1)了解掌握《电气设计任务书》的技术要求和全车电气配置情况，进行原理图构思；再根据整机和其他各系统需求，进行电气系统原理图的设计和绘制。在进行原理设计时，要着重考虑主机的性能参数以及主机的功能。

(2)成本分析：设定电气系统整体成本目标。在整体预算的范围内，考虑电气系统所占的比例和成本控制策略。

(3)电器件选型：在成本预算范围内，选择满足性能参数的电器件厂家和型号。

(4)整机线束设计：根据整机结构布局，进行线束的设计和绘制，主要考虑电气件的接插件型号以及线束的保护方法。

(5)电气系统装配设计：根据整机的结构合理地对电气系统进行装配设计。

上述为电气系统设计常用的方法，并形成了电气设计的技术性文件，下面就以工程机械的装载机为例对本方法进行验证。

2.可靠性设计

1)制定元器件大纲。主要内容包括：元器件控制大纲、元器件的标准化、元器件应用指南、元器件的筛选等。

2)降额设计。就是使元器件或设备工作时承受的工作应力适当低于元器件或设备规定的额值，从而达到降低故障率、提高使用可靠性的目的。

3)简化设计。就是在保证产品性能要求的前提下，尽可能使产品设计简单化。简化设计可以提高产品的固有可靠性和基本可靠性。

4)余度设计。是系统或设备获得高可靠性、高安全性和高生存能力的设计方法之一。特别是当元器件或零部件质量与可靠性水平比较低、采用一般设计已经无法满足设备的可靠性要求时，余度技术就具有重要的应用价值。

3.装载机电气系统设计

1)原理图设计。经过与发动机、变速箱、液压等系统沟通，确定各个系统需求，完成原理图绘制。下面以装载机为例进行分析，电气系统原理图包含以下内容：(1)电器件符号和标志原理图须根据相关国家标准采用行业内普便使用和认可的符号和标志来代表相应电器件，在线路一侧按顺序依次标出字母和数字，即代表相应电路的线号和线径。(2)由于电气系统电器件繁多，连接线路更是复杂，原理图中一般也会将整套线束中使用的接插件和各接插件孔位表示出来，并且用序号进行区分。线束与线束之间、线束与电器件之间是通过接插件来连接的，根据导线的截面积和通过电流的大小合理选择接插件。

2)成本分析。按照电气系统在整机所占比重，充分考虑每个电器件的性价比，在整体预算范围内，综合整机的工作环境和电气系统技术要求，选择性价比较高的电器件。以3吨装载机为例，电气系统整体成本基本应控制在4000元以内。

3)电器件选型。根据前期的成本分析所确定的电气系统目标成本，在选型过程中应充分考虑电器件的通用性。所选择的电器件，不仅要符合国家相关标准，还要满足目标市场使用要求。涉及到出口产品时，还应关注出口国家相关特殊法律法规和标准要求。机械车辆的电气系统中有几个关键重要件，如仪表、蓄电池、灯具等。

4)线束及插接件。线束图纸上应包含所有与生产线束有关的信息，包括采用导线的线型、线径、颜色，线束护套(及端子)型号，包扎方式要求，过孔密封与保护，固定卡扣的型号技术要求及其他设计和工艺要求等。特别需要注意的是，一般对电源导线颜色没有特别规定，但地线要求须是黑色。

4.电气设计可靠性方法

1)发动机起动控制电路。(1)采用安全继电器。安全继电器的工作原理是，将发动机充电机上的D＋信号(发动机启动后，充电机输出端D+有信号输出)接人安全继电器后。钥匙开关拨到起动档后，安全继电器吸合。当发动机启动后，充电机D+端有信号输出，安全继电器接受此信号后，继电器断电，起动机停止运转。(2)利用机器的控制器来控制起动继电器通电时间。钥匙开关拨到起动档后，启动信号也进人控制器，控制器同时也采集充电机的D+信号(或转速传感器信号、发动机机油压力信号等)根据这些信号进行判断发动机是否已经启动。

2)选择合适的停车电磁阔(发动机断油阁)的控制方式。对停车电磁阀的控制有两种方式，得电通油和得电断油。得电通油方式是指停车电磁阀得电吸合后，发动机油泵燃油导通，发动机可以起动运行，当停车电磁阀断电时，发动机停机。得电断油方式是指停车电磁阀未得电时，发动机油泵燃油油路导通，发动机可以起动运行，当停车电磁阀得电时，发动机油泵燃油油路截止，发动机停机。

3)传感器的选型。传感器的选型对机器监控系统的准确性可靠性起关键作用。根据被测量的可靠性要求不同选择不同的传感器。参与电控的传感器如液压系统中的主泵压力传感器和先导压力传感器，采用4mA-20mA传感器，这种传感器比电压型的抗干扰更强，而且可以进行诊断。其他监视用的传感器如发动机冷却液温度、发动机机油压力等，可以采用阻值较高的传感器，以减少线路电阻误差对测量精度的影响，有能节约成本。

4)关于降额设计。机器上的起动继电器、预热继电器要求的导通电流较大，主触点容易被烧蚀，因此选择容量可以考虑大一些。机器上的传感器、报警开关等线路，从载流量考虑，0.3mm2-0.5mm2扩的导线都能满足要求，但从机械强度、降低电线电阻损耗等方面考虑，至少采用0.7mm2耐以上的导线，工作灯、电喇叭、电磁阀等都采用1.0mm2以上的导线。

5)制定元器件大纲。导线、熔断器、继电器、开关、线束插接器等的选型以及容量的选择可事先统筹规划好，制定元件选择规范。对于含有电子元件的器件设备控制器仪表等，应规划好电磁兼容的各项参数指标。提出器件的采购质量控制要求。根据可靠性要求制订元件使用的手册等。通常，电器元件或设备除了考虑功能是否满足需要外，还需要考虑以下方面的质量参数指标:额定电压，电流消耗，电磁兼容参数，工作温度和存储温度，抗振动性，抗冲击性，耐潮性，抗盐雾能力，防护等级，外壳材料，接口插头规格，重量，外形尺寸等。

6)线束的设计和布置。线束的设计应参照《QC/T29106》的要求、线束的布线和固定方式的设计。线束的布置和固定，机器在工作时的振动不使线束晃动，特别是线束插接器都要进行固定。此外，插接器的固定尽可能采取水平安装方式，以避免水滴渗入进线孔中。

结语

随着人们对工程机械的安全性、舒适性、经济性和排放性要求的提高，工程机械车辆上的电子产品种类在不断增加，电气系统的设计也变地越来越复杂，电气系统的故障点相应增加，这就要求在设计中要更多考虑系统的可靠性、耐久性和舒适性等重要性能。