國產(chǎn)汽車起重機的安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析

摘要：首先詳細闡述了國內(nèi)汽車起重機的發(fā)展，然后分析了汽車起重機相關系統(tǒng)構造以及電氣產(chǎn)生故障的因素，最后以國產(chǎn)汽車起重機作為研究對象對電氣控制系統(tǒng)提出了幾條改進措施，并對改進后電氣控制系統(tǒng)的可靠性進行了分析。

關鍵詞：汽車起重機; 安全監(jiān)控系統(tǒng);可靠性分析

中圖分類號：U461.91 收稿日期：2022-02-11

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.04.012

自汽車起重機發(fā)明以來，其技術及構造一直在不斷更新?lián)Q代，汽車起重機上應用了比較復雜的控制系統(tǒng)以及人量的控制單元、傳感器和執(zhí)行器等。

隨著人們對汽車起重機的性能、安全性、可靠性、舒適性、尾氣排放及燃油經(jīng)濟性等的要求越來越苛刻，特別是近年來“碳中和，碳達峰”的環(huán)保要求越來越嚴格，為了滿足新技術和新設備的要求，汽車起重機控制單元的數(shù)量不斷增加，控制單元之間、控制單元與系統(tǒng)之間、人機交互的信息交換越來越密集和頻繁，傳感器、控制器、執(zhí)行器和纜線的數(shù)量和質(zhì)量迅速增加，布線更復雜，電信交流干擾更多汽車起重機的重量更人，降低了汽車起重機的安全可靠性。然而，隨著新一代更先進的ECU電子控制單元（由微控制器、存儲器、輸入/輸出接口、模數(shù)轉換器以及整形、驅動等人規(guī)模集成電路組成），俗稱“車載電腦”在汽車起重機廣泛運用，提高了汽車起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的靈敏度及可靠性，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定，具有更強的抗干擾能力，人機交互信息實時準確暢通，時刻保證了人的安全和對汽車起重機進行自始自終的安全保護。

l 汽車起重機研究現(xiàn)狀及特點

I.I 汽車起重機概述

我們通常將裝載普通汽車底盤或專用汽車底盤上的，其行駛駕駛室與起重操縱室分開設置的起重機稱為汽車起重機。從使用性能上看，汽車起重機具有行駛速度快、機動性好、靈活性大、轉場方便、幅度大、功能多、起重能力強、使用成本低等優(yōu)點，因此用途廣泛[1]。 1.2 我國汽車起重機發(fā)展概述

我國汽車起重機行業(yè)從1950年到1960年期問建立，經(jīng)過了60多年的發(fā)展，期問經(jīng)歷了_三次重要的技術引進，上世紀70年代引進蘇聯(lián)的技術，80年代引進日本技術，90年代引進德國技術。前期一直在引進國外技術或是引進技術辦合資企業(yè)，從拿來到模仿消化再到自己研發(fā)并結合中國國情，走出了一條中國特色的發(fā)展道路。近年來，伴隨著全國整體工業(yè)化水平的持續(xù)提高及市場的巨人需求，中國汽車起重機產(chǎn)業(yè)破除瓶頸，迎來了爆發(fā)式快速發(fā)展。新技術、新工藝不斷突破，輕便智能化、白動化多功能人噸位等技術指標不斷刷新世界紀錄，已掌握通過移動終端控制/遠程操控全地面起重機上下車動作與作業(yè)。

相比國外技術，我國的技術水平還有一定差距，主要表現(xiàn)在：全自動力矩限制器系統(tǒng)和中心控制器性能相對滯后，傳感器技術落后，實時多任務操作系統(tǒng)不穩(wěn)定和數(shù)據(jù)結構不優(yōu)化，液壓電比例控制技術、先導控制技術、燃油共軌技術、CAN總線技術、PLC可編程集成控制技術等方面。但隨著自主研發(fā)力度的加大，芯片的研發(fā)成功，光刻技術的深度掌握，創(chuàng)新技術不斷涌現(xiàn)，彌補了這些不足。

1.3 目前我國汽車起重機控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

我國的汽車起重機已經(jīng)大量使用PLC可編程集成控制技術、總線技術，帶有總線接口的液壓組合閥、液壓馬達、泵等控制器、執(zhí)行元件和傳感器已相當成熟，液壓系統(tǒng)和電器控制已能很好地兼容。能夠通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對控制性能的調(diào)整，具備了白動診斷故障和遠程控制的功能。

起重作業(yè)操作方式，基本采用了液壓電比例（閥）或是先導比例（閥）控制手柄，以小力推動火力，實現(xiàn)了無級調(diào)速，具有了良好的微控性能和精控，操作力度小，工作量減少，不易疲勞。但是一旦操作時問變長，執(zhí)行動作就會出現(xiàn)遲緩，沒有同步，甚至動作抖動、發(fā)卡，出現(xiàn)動作異常不穩(wěn)定等現(xiàn)象。同時，閥體、繼電器等電子元器件使用壽命比較短。

一直以來，我國起重機企業(yè)都致力于對傳統(tǒng)的起重機控制系統(tǒng)進行改造，但受困于技術和經(jīng)濟的原因，絕人部分企業(yè)還是奉行“拿來主義”，進口重要原配件（自己無法生產(chǎn)或工藝要求達不到）結合自己能生產(chǎn)的配件組裝成混合體，雖然實現(xiàn)了起重機的基本功能，但操作相對復雜，元器件兼容問題比較多，安全監(jiān)控系統(tǒng)不完善，致使機械特性不穩(wěn)定，事故發(fā)生率比較高。

由于國內(nèi)操作控制系統(tǒng)軟件發(fā)展相對滯后，經(jīng)驗欠缺，導致軟件控制策略編寫不完善，數(shù)據(jù)結構不優(yōu)化，會有疏漏或者邏輯架構不嚴謹，可靠性差等問題。軟件的控制邏輯框架中，詳細架構是最關鍵的。國外知名品牌起步早，經(jīng)過多年的發(fā)展不斷優(yōu)化調(diào)整，軟件控制策略完善、架構詳細、數(shù)據(jù)結構優(yōu)化，可靠性高，基本滿足要求。硬件方面，噴油器、傳感器等高精部件仍從日本進口：高性能處理器、傳感器技術、實時多任務操作系統(tǒng)和優(yōu)化數(shù)據(jù)結構還是依靠德國進口。使用的元器件（國內(nèi)能生產(chǎn)的）比較雜牌，技術參差不齊，使得各部分系統(tǒng)與中央處理器兼容性差，信息交流出現(xiàn)延時甚至出現(xiàn)錯誤或是無名故障等。

2 汽車起重機相關系統(tǒng)及技術

2.1 汽車起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)

安全監(jiān)控系統(tǒng)是汽車起重機的“最強大腦”，維系著汽車起重機整體的正常運轉，控制著起重作業(yè)的安全進行。其由ECU控制單元單元、傳感器、信號采集器、CAN總線、PCL可編程控制器、執(zhí)行器、顯示儀表、診斷系統(tǒng)、全白動力矩限制器等組成，將顯示、操作控制、工況設置、警示報警、安全強制控制等功能集合一體。具體內(nèi)容含：實際起重量/額定起重量、起重力矩、起升高度限制、卷揚機鋼絲繩三國保護、上限/下限幅度限制、工況設置狀態(tài)、前支腿工作狀態(tài)等。其控制功能如下：

a.汽車起重機運行參數(shù)和作業(yè)實時狀態(tài)顯示功能：監(jiān)控參數(shù)包括發(fā)動機運行參數(shù)，油水電狀態(tài)，實際起重量和額定起重量，起重力矩、起升高度，幅度，臂桿長度、角度等。

b.聲光預警報警/智能控制：集成了過載超載超限聲光安全警示報警提示，提示無效后，為避免高危情況發(fā)生白動強制鎖死等功能。BCEA8E89-E3B5-4053-829B-B51146E576ED

c.系統(tǒng)自檢診斷功能：系統(tǒng)能夠對自身運行狀態(tài)進行監(jiān)控，當某一部件出現(xiàn)故障或運行狀態(tài)出現(xiàn)異常時，能夠白動檢測報警提醒，以故障代碼顯示于視頻系統(tǒng)。

2.2汽車起重機吊臂系統(tǒng)技術

起重吊臂是汽車起重機吊重的重要部件，關乎吊重性能和吊重工作安全。以前傳統(tǒng)汽車起重機一般是四邊形截面吊臂（吊重應力集中在受力點處容易折臂，焊接工藝繁瑣），再到國際先進的U型截面吊臂，不斷改進更新。近年來徐工更加先進的橢圓形（卵形）截面吊臂研制成功，使得起重吊臂系統(tǒng)性能越來越優(yōu)越，吊重工作更加安全可靠。

2.3 汽車起重機底盤技術

底盤懸掛技術和多軸多模式轉向在國內(nèi)全地面起重機底盤上已經(jīng)廣泛運用。多軸多模式轉向技術一般應用于人型起重車。針對泥濘不堪、雜亂無章的作業(yè)現(xiàn)場（有磕壞底盤車橋，弄斷管/線路的困擾），不少的國產(chǎn)汽車起重機甚至安裝上了動力和通過性能優(yōu)越的G類越野底盤。

2.4 電、液控制技術

目前，汽車起重機吊重液壓系統(tǒng)動力泵普遍使用的是三聯(lián)泵，1聯(lián)泵向主、副起升機構液壓系統(tǒng)供油，2聯(lián)泵向吊臂伸縮變幅機構液壓系統(tǒng)供油，3聯(lián)泵向支腿機構回轉機構液壓系統(tǒng)供油，分工明確，運行高效、節(jié)能。電與液的完美結合，通過液壓電比例（閥）或是先導比例（閥）手柄，可實現(xiàn)任意工況任意無級調(diào)速動作，能更好地滿足繁雜工況精度需求，使吊重性能優(yōu)越，保證吊重工作安全穩(wěn)定可靠。

2.5 智能監(jiān)控技術

起重機械的出現(xiàn)，特別是全路面起重機的問世，加速了物流流通，人人提高了生產(chǎn)效率。但自其出現(xiàn)以來尤其是高危險性行業(yè)，用得好是生產(chǎn)的好幫手，用不好是殺人工具，是一把“雙刃劍”。汽車起重機一般作業(yè)環(huán)境都比較惡劣，勞動強度火。在操作過程中，人的因素始終影響著整個吊重作業(yè)的安全。如何把人機脫離，始終都是研究的課題。隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)成功、5G移動信號發(fā)展成熟、光纖帶寬提速等，使得通過移動終端控制上下車動作與作業(yè)、遠程操控成為了可能：將機械技術與電子技術相結合，將先進的計算機技術、微電子技術、電力電子技術、光纜技術、液壓技術和模糊控制技術應用到機器傳動和控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)起重機更加白動化、智能化[2]。如徐工全路面起重機的一鍵打車功能，無線移動控制器操控起重作業(yè)等。

3 電氣故障因素及改進措施

汽車起重機的電氣系統(tǒng)一般由電源系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)、燃油供應系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、聲光警示報警系統(tǒng)、起重操作系統(tǒng)、力矩限制器系統(tǒng)、監(jiān)控視頻系統(tǒng)等系統(tǒng)及各種連接線束、插接頭、集線盒、CAN總線等構成，控制著汽車起重機的行駛及起重機運行和起重作業(yè)。

3.1 電氣故障產(chǎn)生因素

起重機械的工作環(huán)境一般比較惡劣，日常的日曬雨淋、沙粉塵、泥水飛濺、雷暴雨/強對流天氣、靜電環(huán)境等;作業(yè)工況復雜，特別是臨海的物流碼頭，高溫、高溫、海水的腐蝕環(huán)境。

3.1.1 人的兇素

有人為了圖快省事，將所有的纜線胡亂捆綁一起，不按不同的纜線規(guī)格特點要求布線，電源線與通訊線混在一起而不作屏蔽措施，電磁十擾嚴重;未按線束要求布線，線路穿管口、過菱角物沒有做防摩擦保護措施;插頭連接沒有作防水，插接頭咬合不緊，線盒未作防潮散熱措施，線束未整齊排列、緊固、散落、松動等錯誤的布線方法。加設新設備（攝像頭等）隨意從原有布線中的電源線搭接分支電源線，都會導致電氣線路斷路或短路、接觸不良。信號通訊不暢斷續(xù)，導斂車輛無法正常運行，保證不了起重作業(yè)的安全可靠性。比如，在原有的布線（專線專用）中加設新設備，極易造成線路荷載過人發(fā)熱而引發(fā)火災，造成機械損傷。線路搭鐵搭接不好（沒有接地線的），靜電釋放不了，容易引起電子元件擊穿，甚至引發(fā)人員被電擊事故。

操作人員粗暴野蠻地操作設備（猛起猛放.突然加大油門或是長時問踩大油門操作）也是導致起重機械電氣故障發(fā)生的原因。接觸器（操作手柄）頻繁分、合，尤其是操作人員頻繁靠打反車來穩(wěn)鉤，觸點（電比例操作手柄金屬滑軌、中心導電環(huán)滑軌、電刷等）很容易住頻繁的操作中或是長時間連續(xù)超負荷運轉等，都會造成電氣線路的荷載過高、長時間發(fā)熱、老化、斷裂，使得電氣系統(tǒng)發(fā)生斷路或接觸不良。

3.1.2 材料技術兇素

電氣線路在連接時，各個連接對接處有接觸電阻，其阻值與載流面積、壓力、材料的腐蝕程度及材料本身性質(zhì)好壞有關，這些因素會使得對接處接觸不良，導致接觸電阻變?nèi)?，產(chǎn)生大量的熱，使得接觸面深度氧化，破壞材料屬性，造成機械強度變小，如果出現(xiàn)短路等情況，人電流引發(fā)的急劇熱可能會燒斷對接處，電路會產(chǎn)生電弧或電火花，從而引發(fā)明火燃燒易燃物，造成火災[3]。

我國對PLC技術運用實踐的起步較晚，不同的起重機所運用的PLC系統(tǒng)也不同，但多數(shù)的起重機設備還是使用級別比較低的PLC系統(tǒng)，動作反應延遲，存在動作抖動及不穩(wěn)定、檢查診斷不方便等問題。

3.2 電氣控制系統(tǒng)技術改進措施

汽車起重機已被廣泛應用于物流等諸多領域，本文以國產(chǎn)汽車起重機作為研究對象提出以下幾條改進措施。

3.2.1

CAN總線控制系統(tǒng)改進

CAN總線是一種眾多控制單元、傳感、測試儀器之間的實時數(shù)據(jù)交換的一種串行通訊總線，其自身具有通訊可靠、網(wǎng)絡安全、實時性強等諸多特點。因其具有通信可靠、成本低等優(yōu)勢，廣泛用于環(huán)境惡劣、計算控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)中。

CAN現(xiàn)場總線技術是工業(yè)現(xiàn)場自動化控制的主要發(fā)展趨勢，方便實現(xiàn)了計算機網(wǎng)絡化、遠程化管理。特別是其充分考慮了起重機在后續(xù)使用過程中的中央、遠程、網(wǎng)絡、智能化控制，通過對現(xiàn)場總線技術的合理運用，使系統(tǒng)具有不錯的可移植性和可拓展性[4]。

由于吊重作業(yè)電流波動較大，容易形成不同段位的電磁場相互干擾，甚至十擾電氣控制系統(tǒng)，在CAN總線驅動器上和總線之間應采取有效的屏蔽防護措施防止電磁干擾：盡量縮短ECU控制單元與CAN總線通信傳輸線的距離，有效抑制電磁波干擾，保證可靠的通信。BCEA8E89-E3B5-4053-829B-B51146E576ED

3.2.2

PLC技術改進

可編程邏輯控制器是PLC技術的絕對核心。在PLC技術的實際應用中，可以實現(xiàn)對汽車起重機起升高度提升速度及具體重量范圍的控制。能夠實時監(jiān)測到起重機操作中的起升高度位置的實時動態(tài)變化及提升的瞬間時速，還可以實現(xiàn)對起升重量的檢測。根據(jù)對汽車起重機各種操作數(shù)據(jù)的了解，操作人員可以更加精準地完成多種操作指令，控制起重機的提升速度及提升重量，能夠有效保護起重機的臂桿，提高起重機的工作質(zhì)量和工作效率，對其操作過程提供有力的安全保障。

對于使用要求比較高的微操作性能和精控控制而言，則應采用中高級別的PLC系統(tǒng)。

3.2.3 力矩限制器精度改進

采用具有防震抗晃動的高清液晶顯示器、友好的人機交互操作界面、更加簡易形象的圖形圖標實時操作系統(tǒng)、高性能的中央處理器、與中央處理器相匹配、相兼容的控制器、感應器和傳感器等配件，還有相對應的高質(zhì)量的總線接頭及纜線，以保證控制的實時性準確及控制精度。

3.2.4 規(guī)范人的操作行為

規(guī)范布線標準方法，嚴格按照各類線束的要求來布線;加設新設備禁止從原有的線束直接搭接分支電源線，并應考慮電源系統(tǒng)能否承載加設的新設備用電要求后，才能從電源處開始拉接電源線。在車輛尾部加設防靜接地耐磨條，消除靜電。文明操作起重機，禁止猛拉急放操作手柄，猛踩油門或任何時候都是一種油門狀態(tài)。吊物應輕起輕放，視吊物重量而相應加人油量。各線束插接頭進行緊固，并作防塵、防水、散熱處理：底盤線束和中心轉臺線束做好防油、防水、防摩擦、防震動及散熱防護措施。

3.3 電氣控制系統(tǒng)改進后的可靠性分析

汽車起重機在日常運行中，嚴格按照汽車起重機操作規(guī)程文明操作，吊物輕起輕放，油門平順踩踏，保持中速運行，并視吊物重量適時加油操作;執(zhí)行動作同步順穩(wěn)不抖動，閥體沒有出現(xiàn)異響;力矩限制器顯示平穩(wěn)而無閃屏出現(xiàn)限制動作的現(xiàn)象。線路不會出現(xiàn)磨斷，發(fā)生斷路或接觸不良;線束及接線接頭等也未發(fā)生異常發(fā)熱或是短路燒線的現(xiàn)象。在臨海碼頭作業(yè)，經(jīng)歷了高溫、潮濕和粉塵洗禮、雨水的沖刷、泥水的飛濺也沒有出現(xiàn)飛車現(xiàn)象或是無名的故障，故障現(xiàn)象明顯減少。

4 結語

隨著海洋國土的深度開發(fā)，特別是現(xiàn)代化生產(chǎn)重型化、人規(guī)?；约拔锪鳟a(chǎn)業(yè)的快速化，使得汽車起重機需求迅猛增加且止向人型化、輕便化和智能化的趨勢發(fā)展，汽車起重機使用的環(huán)境更加惡劣，汽車起重機內(nèi)部結構更加復雜。無論是汽車起重機在生產(chǎn)過程中受限于材料、技術、經(jīng)濟、裝配工藝，還是在實際生產(chǎn)中，汽車起重機的頻繁運用，連續(xù)高速或長時問超負荷運轉，住實際的操作運用中還是存住著巨人的安全隱患。因此，對汽車起重機安全控制系統(tǒng)研究與分析還需要繼續(xù)跟進而深入，對于汽車起重機的安全控制系統(tǒng)的可靠性問題進行分析研究始終具有重要意義。

參考文獻：

[1]譚延坪，出留宗，譚喜文.汽車起重機日常使用與維護[M]北京：機械工業(yè)出版社.2010

[2]王慶遠，唐紅美汽車起重機發(fā)展趨勢淺析[J]工程機械文摘，2012（2）：48-50

[3]趙秀霞探析重機械電氣系統(tǒng)失效模式及失效原因[J]中國設備工程，2020（17）：162-164

[4]王金奇CAN總線在起重機控制中的應用[J]中國設備工程，2017（2）：133-134.

作者簡介：

陳水生，男，1980年生，起重裝卸機械操作高級技師，研究方向為國產(chǎn)傘路面汽車起重機駕駛、維護保養(yǎng)、維修。BCEA8E89-E3B5-4053-829B-B51146E576ED