摘摘 要要 20t 地下礦山自卸汽車是我國礦山亟需應(yīng)用的一種機(jī)型，現(xiàn)國產(chǎn)地下自卸汽 車成功地設(shè)計(jì)制造出來的為 12t 以下。因此，為了滿足我國地下礦山運(yùn)輸設(shè)備 的需要，使我國在地下礦山設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造上一個(gè)新的臺階，促進(jìn)我國地下 礦山運(yùn)輸設(shè)備的產(chǎn)業(yè)升級，本設(shè)計(jì)為子項(xiàng)目，即整車液壓系統(tǒng)及驅(qū)動橋輪邊制 動器的設(shè)計(jì) 關(guān)鍵詞：自卸汽車；電氣系統(tǒng)；PLC。 全套全套 CAD 設(shè)計(jì)圖紙等完整版設(shè)計(jì)，聯(lián)系設(shè)計(jì)圖紙等完整版設(shè)計(jì)，聯(lián)系 153893706 Abstract 20t underground mine dump trucks is a Chinese mine needs application models, now domestic underground dump trucks successfully designed and manufactured for 12 of the following. Therefore, in order to meet the needs of underground mining transport equipment, makes our country in underground mining design and manufacture of the equipment on a new level, and promote our countrys underground mining transport equipment industrial upgrade, this design, namely the vehicle for the sub-project of hydraulic system and the design of driving axle wheel edges brakes. Keyword: :Dump trucks；microcomputer；electromechanical integrated design 目目 錄錄 1 緒論1 1.1 設(shè)計(jì)的背景與意義.1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.2 1.3 項(xiàng)目實(shí)施的主要內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新點(diǎn)、預(yù)期目標(biāo) 4 1.3.1 本項(xiàng)目實(shí)施的主要技術(shù)內(nèi)容.4 1.3.2 本項(xiàng)目解決的關(guān)鍵技術(shù) 4 1.3.3 本項(xiàng)目的技術(shù)路線.4 1.3.4 本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn).4 1.3.5 本項(xiàng)目的技術(shù)來源、合作單位情況與知識產(chǎn)權(quán)的歸屬：.5 1.3.6 本項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)： 5 1.4 應(yīng)用或產(chǎn)業(yè)化前景與市場需求 5 1.5 現(xiàn)有工作基礎(chǔ)、條件和優(yōu)勢 6 2 CA-20 地下礦山自卸汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 2.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述.7 2.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體方案 8 2.2.1 設(shè)計(jì)基本思路 8 2.2.2 整機(jī)電氣設(shè)計(jì)方案框圖 .9 2.2.3 主要性能特點(diǎn)及參數(shù)： 9 2.3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn) 9 2.3.1 總的工作原理（包括原理圖） 9 2.3.2 電氣系統(tǒng)的各部分的構(gòu)成：10 2、照明和信號裝置部分： 10 4、儀表部分 12 5、系統(tǒng)控制開關(guān)和繼電器部分 12 6、器及其電路與 PLC 自動控制部分 12 7、電線束的設(shè)計(jì) 13 2.3.3 傳感器及其電路設(shè)計(jì)與選型 .13 1、用傳感器簡介 13 2、傳感器的種類及介紹 14 （1）傳感器 15 （2）壓力傳感器 15 （3） 轉(zhuǎn)速傳感器 .15 （4） 、車用傳感器的發(fā)展趨勢 .16 2.3.4 PLC 自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 2.3.5 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)小結(jié)37 參 考 文 獻(xiàn)38 致 謝39 1 1 緒論 1.1 設(shè)計(jì)的背景與意義 無軌采礦設(shè)備應(yīng)用于地下礦山始于 20 世紀(jì) 60 年代，40 多年來，隨著地下 無軌設(shè)備的完善和發(fā)展，地下礦山無軌開發(fā)技術(shù)也迅速發(fā)展。 地下汽車是實(shí)現(xiàn)無軌開采技術(shù)的主要運(yùn)輸車輛，它具有機(jī)動、靈活、多能、 經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。廣泛地應(yīng)用于條件適宜的各類地下礦山進(jìn)行強(qiáng)化開采，不但可以 提高地下礦山的勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)量，促使生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，而且還改變了該 類礦山的回采工藝、采礦方法和掘進(jìn)運(yùn)輸系統(tǒng)，促使地下礦山朝著無軌開采的 綜和機(jī)械化方向發(fā)展。采用地下礦山自卸汽車運(yùn)輸?shù)V石是地下礦山無軌采礦的 一個(gè)重要組成部分。在國外，采用地下礦山自卸汽車運(yùn)輸?shù)牡V山基建投資一般 要比機(jī)車運(yùn)輸?shù)?20%，而運(yùn)行費(fèi)用則高 1525%。但在計(jì)入設(shè)備折舊、工資、維 修及材料消耗和設(shè)備購置費(fèi)的凈現(xiàn)值后的運(yùn)輸總成本，將比機(jī)車運(yùn)輸便宜約 1720%。尤其對中小型規(guī)模的礦山更為有利。在礦業(yè)發(fā)達(dá)的國家，大部分地下 礦山實(shí)現(xiàn)了無軌開采。 近 30 年來，我國部分條件具備的地下礦山也已應(yīng)用無軌開采技術(shù)。由于歷 史的原因，我國在地下礦山運(yùn)輸設(shè)備領(lǐng)域裝備十分落后，盡管經(jīng)過太原重型機(jī) 械廠、北京礦冶研究總院、核工業(yè)第六研究所、衡陽有色冶金機(jī)械廠、金川有 色公司、長沙礦山研究院等單位的努力，分別對 5t、8t、10t、12t、18t、20t、25t 等機(jī)型進(jìn)行了一些研究，取得了一些成功， 但這些探索性的研究顯然還很不夠，而且有些探索顯然沒有達(dá)到預(yù)期的目的。 因此，直到目前我國可供礦山選用的地下礦山自卸汽車比較少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足 我國地下礦山運(yùn)輸設(shè)備需要。 國外的地下礦山自卸汽車應(yīng)用得比較好，技術(shù)也比較先進(jìn)，但價(jià)格比較高。 一般情況是：國外的地下礦山自卸汽車整機(jī)的價(jià)格是國內(nèi)價(jià)格的 23 倍，而易 損件、備件的價(jià)格卻是 610 倍。因此，發(fā)展我國的地下礦山自卸汽車是非常 必要的。 20t 地下礦山自卸汽車是我國礦山應(yīng)用較多的一種機(jī)型，它比較適合中型 規(guī)模的地下礦山。我國的有些公司對它有過探索，但沒有達(dá)到預(yù)期的目的，至 今沒有該產(chǎn)品通過鑒定的報(bào)道。因此，我國的 20t 地下礦山自卸汽車目前還停 留在研制階段。而我國的用戶對該產(chǎn)品有比較迫切的需求，有些客戶已經(jīng)向衡 陽力達(dá)鏟運(yùn)機(jī)有限責(zé)任公司提出了訂購的意向。由此可見，研究該機(jī)型不僅非 常迫切，而且非常必要。 2 衡陽有色冶金機(jī)械總廠衡陽力達(dá)鏟運(yùn)機(jī)有限責(zé)任公司是中國第一家井下鏟 運(yùn)機(jī)專業(yè)制造公司、中國大型鏟運(yùn)機(jī)生產(chǎn)基地。通過 20 年引進(jìn)、消化和吸收國 外先進(jìn)技術(shù)，已成功研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鏟運(yùn)機(jī)系列產(chǎn)品，并榮獲國家 級新產(chǎn)品稱號及國家科技進(jìn)步三等獎。產(chǎn)品有 CY、CYE 系列井下鏟運(yùn)機(jī)以及 CA-8 地下礦山自卸汽車，產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于有色、冶金、化工及黃金礦山。 尤其是 2002 年由衡陽有色冶金機(jī)械廠的力達(dá)鏟運(yùn)機(jī)制造有限公司開發(fā)生產(chǎn)的 CA-8 地下礦山自卸汽車，經(jīng)過一年的工業(yè)試驗(yàn)在山東某礦取得了很大的成功， 得到了該礦的認(rèn)可，并于 2003 年再次向力達(dá)鏟運(yùn)機(jī)制造有限公司訂購 4 臺 CA- 8 地下礦山自卸汽車。由此可見，該公司制造地下礦山自卸汽車的技術(shù)已經(jīng)成 熟。這也是本項(xiàng)目立項(xiàng)的背景之一。 由于國際工業(yè)技術(shù)大融合，國外的一些先進(jìn)技術(shù)能夠?yàn)槲覈漠a(chǎn)品升級提 供支持。例如：我國可以選用德國道依茨(Deutz)公司、卡特(Cater)公司、底 特律(Detroit)公司的發(fā)動機(jī)，可以選用美國約翰克拉克(JCJ)公司的液力變矩 器、變速箱和驅(qū)動橋。力達(dá)鏟運(yùn)機(jī)制造有限公司經(jīng)過 20 多年的努力，在引進(jìn)、 消化和吸收克拉克公司技術(shù)的基礎(chǔ)上已經(jīng)開發(fā)成功多種能夠用于地下礦山的鏟 運(yùn)機(jī)，而鏟運(yùn)機(jī)的制造技術(shù)比地下礦山自卸汽車的難度還要大。因此，開發(fā) 20t 地下礦山自卸汽車的條件已經(jīng)成熟。這是本項(xiàng)目的又一立項(xiàng)的背景。 20t 地下礦山自卸汽車是地下礦山無軌運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)重要機(jī)型，它的研究開 發(fā)對我國地下礦山自卸汽車的產(chǎn)品升級、建立我國地下礦山無軌采礦配套設(shè)備 體系、促進(jìn)我國地下礦山無軌采礦的發(fā)展都具有十分重大的意義，同時(shí)，開發(fā) 它的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都很顯著。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1963 年瓦格納(wagner)公司生產(chǎn)了世界上第一臺柴油鏟運(yùn)機(jī)，從此開創(chuàng)了 地下采礦應(yīng)用無軌運(yùn)輸?shù)臅r(shí)代。首先在美國及瑞典等國的地下采場中，采用了 一種膠輪柴油驅(qū)動，兼有裝、運(yùn)、卸功能的鏟運(yùn)機(jī)(簡稱 lHD)。這種設(shè)備具有 機(jī)動靈活，高效率，改善勞動強(qiáng)度，節(jié)省勞動力的性能，簡化了礦巖裝運(yùn)工藝， 適用于采場運(yùn)搬和階段運(yùn)輸。這種設(shè)備很快在歐美礦山中被廣泛采用，逐漸替 代著多年來沿用的電耙、氣動裝載機(jī)和軌道運(yùn)輸車輛。實(shí)踐證明鏟運(yùn)機(jī)在中、 短距離內(nèi)使用是經(jīng)濟(jì)的，但當(dāng)鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)距超過其經(jīng)濟(jì)運(yùn)距時(shí)，運(yùn)輸能力將顯著 下降，運(yùn)輸費(fèi)用則急劇上升。因此，在較長距離和大運(yùn)量時(shí)就宜采用礦用自卸 汽車。從 1976 年以來，各國制造商提供了各種載重能力的地下用自卸汽車，使 地下礦山的無軌運(yùn)輸?shù)玫桨l(fā)展。在瑞典一些地下開采礦山，日產(chǎn)量從 500t 到 50000t 的階段運(yùn)輸都采用自卸汽車運(yùn)輸。自卸汽車裝載量從 15t 到 50t，最大 已達(dá) 70t，可適應(yīng)各種生產(chǎn)規(guī)模的礦山和不同的運(yùn)輸線路的要求，單程運(yùn)距達(dá) 3 20003000m。地下運(yùn)輸采用無軌設(shè)備的顯著特點(diǎn)是：設(shè)備購置費(fèi)較低，無需安 裝；對大塊物料適應(yīng)性較強(qiáng)；機(jī)動靈活，有利于縮短礦山基建時(shí)間加速投產(chǎn)。 無軌采礦技術(shù)的應(yīng)用使世界地下采礦業(yè)發(fā)展發(fā)生了革命性的變化。40 多年 來，無軌采礦技術(shù)在發(fā)達(dá)國家的普及率已經(jīng)超過 85%。無軌設(shè)備的種類，除了 主采設(shè)備鏟運(yùn)機(jī)和鑿巖臺車外，各種地下車輛(如地下礦山自卸汽車、地下礦山 工程服務(wù)車、裝藥車、維修車、加油車、運(yùn)人車等)都已廣泛應(yīng)用，并按照工藝 的要求形成配套裝備，組成各種機(jī)械化作業(yè)線，從而最大限度地提高了地下礦 山的生產(chǎn)效率，使礦山的生產(chǎn)迅速由體力加經(jīng)驗(yàn)的勞動密集型向技術(shù)密集的集 約化方向發(fā)展。 在中型噸位地下礦山自卸汽車方面，阿特拉斯-瓦格納(Atlas Copco Wagner Inc)、約翰克拉克(JCI)公司、格特曼(Getman)公司、偌麥特(Normet) 公司和塔姆羅克(Tamrock，也就是 EJC)公司等，在世界上處于領(lǐng)先地位。他們 生產(chǎn)的中型噸位地下礦山自卸汽車，性能良好、結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量可靠，基本上 占領(lǐng)了這一領(lǐng)域的國際市場。這些公司生產(chǎn)的地下礦山自卸汽車，一般采用德 國道依茨(Deutz)公司、卡特(Cater)公司、底特律(Detroit)公司的發(fā)動機(jī)，美 國約翰克拉克(JCJ)公司的液力變矩器和帶有彈簧制動、液壓松閘的多盤濕式制 動器，裝有輪邊行星減速裝置的橋。這種橋的特點(diǎn)是承載能力大，制動性能好， 具有合適的傳動比。 但是，這些公司生產(chǎn)的地下礦山自卸汽車價(jià)格昂貴，一般情況是：國外的 地下礦山自卸汽車整機(jī)的價(jià)格是國內(nèi)價(jià)格的 23 倍，而易損件、備件的價(jià)格卻 是 610 倍，而且，這些公司的備件供應(yīng)周期一般要幾個(gè)月，必然會嚴(yán)重影響 礦山的采礦生產(chǎn)，所以其備品備件的供應(yīng)時(shí)間較難滿足我國工業(yè)生產(chǎn)的需要。 因此，研究開發(fā)適合我國國情的地下礦山自卸汽車，形成具有自主只是產(chǎn)權(quán)的 產(chǎn)品，對滿足我國地下礦山無軌采礦的需要、促進(jìn)我國地下礦山無軌采礦工藝 的發(fā)展是非常必要的。 我國的地下礦山自卸汽車的開發(fā)比較晚，直到 1995 年才出現(xiàn) KU-12 型地下 礦山自卸汽車。由于，它采用了露天機(jī)械設(shè)備的橋，這種橋顯然不能滿足地下 礦山苛刻的工作條件。尤其要提到的是露天機(jī)械設(shè)備的橋的制動性能難以滿足 地下礦山的要求。因此，這種機(jī)型并沒有得到推廣應(yīng)用。1996 年，JZC-10 型地 下礦山自卸汽車在凡口鉛鋅礦進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)及鑒定，但由于種種原因，這種 機(jī)型也沒有推廣應(yīng)用。1998 年，KZC-5 型地下礦山自卸汽車在東北某鈾礦進(jìn)行 了工業(yè)試驗(yàn)，也是由于種種原因沒有推廣應(yīng)用。在世紀(jì)之交我國的有些研究院、 公司、工廠和礦山還進(jìn)行了 18t、25t 的地下礦山自卸汽車的探索，盡管取得了 一些成功，但地下礦山自卸汽車的整體水平還是停留在研究階段。 4 2002 年，衡陽有色冶金機(jī)械廠的力達(dá)鏟運(yùn)機(jī)制造有限公司開發(fā)生產(chǎn)的 CA-8 地下礦山自卸汽車，在山東某礦進(jìn)行了近一年的工業(yè)試驗(yàn)獲得了成功，并再次 贏得了 4 臺訂貨。這次成功的工業(yè)試驗(yàn)表明我國地下礦山自卸汽車的技術(shù)已經(jīng) 成熟，可以在地下礦山推廣應(yīng)用。同時(shí)，也為本項(xiàng)目贏得了寶貴的試制經(jīng)驗(yàn)。 CA-20 地下礦山自卸汽車，正是在 CA-8t 試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一次產(chǎn) 品升級的研究。因此，本項(xiàng)目具有較好的研究基礎(chǔ)。 1.3 項(xiàng)目實(shí)施的主要內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新點(diǎn)、預(yù)期目標(biāo) 1.3.1 本項(xiàng)目實(shí)施的主要技術(shù)內(nèi)容 （1）整機(jī)電氣系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算：主要解決本項(xiàng)目電源和啟動的匹配問題。 （2）主要電氣元件選型設(shè)計(jì)：選國內(nèi)能用于本項(xiàng)目的電氣元件，進(jìn)行性能 價(jià)格比較。在保證產(chǎn)品質(zhì)量和工作需要的前提下，達(dá)到性能價(jià)格比較好。 （3）壓力和溫度傳感器的選型設(shè)計(jì)： 根據(jù)工作要求對所需壓力和溫度傳 感器進(jìn)行選型和控制電路設(shè)計(jì)，利用控制設(shè)備具有較高可靠性的特點(diǎn)，加強(qiáng)有 利于設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)計(jì)工作，使該設(shè)備的先進(jìn)控制功能在生產(chǎn)過程中得以充 分體現(xiàn)。 （4）整機(jī)電氣原理圖及電氣系統(tǒng)圖的計(jì)算機(jī)繪制：本項(xiàng)目的所有圖紙均采 用電子文本，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行電路仿真實(shí)驗(yàn)，以求得電氣設(shè)計(jì)的合理性。這 個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容也是該產(chǎn)品的自動化設(shè)計(jì)重要內(nèi)容之一，這項(xiàng)研究可以提升我國在 這類產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)水平。使我國的地下礦山設(shè)備設(shè)計(jì)水平上一個(gè)新的臺階。 1.3.2 本項(xiàng)目解決的關(guān)鍵技術(shù) （1）整機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算。 （2）啟動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 （3）關(guān)鍵信號的采樣及指示。 （4）PLC 自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用及仿真實(shí)驗(yàn)。 1.3.3 本項(xiàng)目的技術(shù)路線 為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，本項(xiàng)目將采用目前世界上先進(jìn)的地下礦山用的發(fā)動機(jī) (底特律公司生產(chǎn))，液力變矩器、變速箱和驅(qū)動橋(約翰克拉克生產(chǎn))，采用進(jìn)口 液壓制動閥及其他液壓元件。這樣，本項(xiàng)目的關(guān)鍵部件的性能與國外同類產(chǎn)品 性能相同或相當(dāng)。其它機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)，因?yàn)橛猩a(chǎn) CA-8 地下礦山自卸汽車和 KZC-5 地下礦山自卸汽車的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，也能保證質(zhì)量。所以，整車的性能處于 國內(nèi)領(lǐng)先水平，與目前世界水平相當(dāng)。 5 1.3.4 本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn) 本項(xiàng)目主要利用了現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)思想，即經(jīng)濟(jì)人性化設(shè)計(jì)。CA-20 地下 礦山自卸汽車電氣部分采用較先進(jìn)電子監(jiān)控控制設(shè)計(jì)，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)。 儀表及燈具設(shè)計(jì)都體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，使本項(xiàng)目處于國內(nèi)領(lǐng)先水平、達(dá)到世界水 平。本項(xiàng)目是我國地下礦山的一個(gè)技術(shù)升級產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)中采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，提 升我國在這類產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)水平。 1.3.5 本項(xiàng)目的技術(shù)來源、合作單位情況與知識產(chǎn)權(quán)的歸屬： （1）本項(xiàng)目的技術(shù)來源：本項(xiàng)目是現(xiàn)有國內(nèi)成熟技術(shù)(如 CA-8 地下礦山自 卸汽車、KZC-5 地下礦山自卸汽車和 CY-2 柴油鏟運(yùn)機(jī))的組合；國外成熟技術(shù) (如底特律公司的發(fā)動機(jī)、約翰克拉克生產(chǎn)的液力變矩器、變速箱和驅(qū)動橋)的 組合。因此，研究的成功概率較高。 （2）本項(xiàng)目的合作單位情況：衡陽有色冶金機(jī)械總廠衡陽力達(dá)鏟運(yùn)機(jī)有限 責(zé)任公司是中國第一家井下鏟運(yùn)機(jī)專業(yè)制造公司、中國大型鏟運(yùn)機(jī)生產(chǎn)基地。 通過 20 年引進(jìn)、消化和吸收國外先進(jìn)技術(shù)，已成功研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 鏟運(yùn)機(jī)系列產(chǎn)品，并榮獲國家級新產(chǎn)品稱號及國家科技進(jìn)步三等獎。產(chǎn)品有 CY、CYE 系列井下鏟運(yùn)機(jī)以及 CA-8 地下礦山自卸汽車，產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用有 色、冶金、化工及黃金礦山。 1.3.6 本項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)： 總目標(biāo)：研究一種性能良好，技術(shù)先進(jìn)的 CA-20 地下礦山自卸汽車。該車 的技術(shù)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，與目前世界水平相當(dāng)。在研究成功后，發(fā)表有 關(guān)學(xué)術(shù)論文 35 篇。 該車的主要技術(shù)參數(shù)：斗容為 10m3，載重量為 20t，發(fā)動機(jī)功率為 207kw。 預(yù)期 2 年后產(chǎn)量 2 臺，產(chǎn)值約 300 萬元(人民幣)；3 年后產(chǎn)量 4 臺，產(chǎn)值約 600 萬元(人民幣)；5 年后產(chǎn)量 10 臺，產(chǎn)值約 3000 萬元(人民幣)。 1.4 應(yīng)用或產(chǎn)業(yè)化前景與市場需求 進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，我國的礦業(yè)形勢發(fā)生了很大的變化。許多露天礦山，由 于開采深度不斷增加，為了降低開采成本、保護(hù)環(huán)境，這些礦山必須由露天開 采轉(zhuǎn)入地下開采。據(jù)有關(guān)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，我國的鐵礦山在 5 年后，露天開采與地下 開采的比將由目前的 73 轉(zhuǎn)變成 37，由此可見，地下礦山設(shè)備在我國的應(yīng)用前 景十分廣闊。據(jù)有關(guān)資料分析，我國今后地下礦山自卸汽車的需求量將呈逐年 上升的趨勢。目前的年需求量約 30 臺左右，5 年后年需求量約 120 臺左右。 6 20t 地下礦山自卸汽車是我國中型地下礦山主要運(yùn)輸車輛，其年需求量約為 我國地下礦山自卸汽車的總需求量的 30%左右。因此，其應(yīng)用或產(chǎn)業(yè)化前景較 好。 1.5 現(xiàn)有工作基礎(chǔ)、條件和優(yōu)勢 （1）本項(xiàng)目有 CA-8 地下礦山自卸汽車、KZC-5 地下礦山自卸汽車試驗(yàn)成 功的基礎(chǔ)；有 CY-2 柴油鏟運(yùn)機(jī)成熟技術(shù)。 （2）本項(xiàng)目有研究過 CA-8 地下礦山自卸汽車、CY、CYE 系列井下鏟運(yùn) 機(jī)的一大批研究人員(包括研究這些設(shè)備的課題組長、主要成員)；有開發(fā)過 KZC-5 地下礦山自卸汽車的課題組長和主要研究人員。 （3）本項(xiàng)目的生產(chǎn)基地是國內(nèi)第一家井下鏟運(yùn)機(jī)專業(yè)制造公司、中國大型 鏟運(yùn)機(jī)生產(chǎn)基地。因此，生產(chǎn)設(shè)備和加工能力均是目前國內(nèi)一流的。 （4）本項(xiàng)目的產(chǎn)品已經(jīng)有礦山預(yù)訂。因此，開發(fā)資金方面有一定的優(yōu)勢。 衡陽力達(dá)鏟運(yùn)機(jī)有限責(zé)任公司也自籌了開發(fā)資金。 （5）本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)基礎(chǔ)條件已經(jīng)具備。 7 2、CA-20 地下礦山自卸汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 CA-20 地下礦山自卸汽車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在整個(gè)地下自卸汽車的設(shè)計(jì)項(xiàng)目 中占有相當(dāng)重要的地位，這是由電氣系統(tǒng)的功能決定的，CA-20 地下礦山自卸 汽車電氣系統(tǒng)不僅要為車輛的運(yùn)行提供電力能源，而且要對車輛從啟動到熄火 的全過程進(jìn)行適時(shí)監(jiān)控，并以信號報(bào)警方式提醒駕駛員操作。該電氣系統(tǒng)控制 突出體現(xiàn)了機(jī)電一體化在自卸車上的應(yīng)用，它能滿足人們對自卸汽車安全性、 可靠性、操作簡便性等多種要求。 CA-20 地下礦山自卸汽車屬于礦山工程機(jī)械，輸出功率大，且受工作環(huán)境 條件和運(yùn)行要求的限制，這就要求地下自卸汽車的電氣系統(tǒng)能適應(yīng)特殊的工作 環(huán)境、濕度、振動、雨淋和塵埃等條件，并具有較高的可靠性，需要時(shí)有防止 對無線電通訊和電子設(shè)備干擾的措施。因此其整機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與一般汽車 電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很大的不同。主要區(qū)別之處如下： 地下自卸汽車采用柴油機(jī)為動力，具有功率大、啟動扭矩大的特點(diǎn)，且柴 油機(jī)轉(zhuǎn)速變化大而頻繁，因而發(fā)電機(jī)供電質(zhì)量相當(dāng)差，因此必須有蓄電池點(diǎn)火 系統(tǒng)； 地下自卸汽車在礦坑作業(yè)，工況差，油、水、泥、振動和高溫等，對整機(jī) 電氣設(shè)備，線束及連接形式有較高的要求。 由于工況復(fù)雜，要求地下自卸汽車的控制盡量簡單，也可以來簡化駕駛員 的操作，減輕駕駛員負(fù)擔(dān)。這就要求地下自卸車的自動控制部分具有很高的可 靠性，且易于維護(hù)。 根據(jù) CA-20 地下礦山自卸汽車電氣系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，可把 CA-20 地下礦 山自卸汽車的電氣系統(tǒng)分為六大部分：1、電源及啟動部分，2、照明和信號裝 置部分，3、指示儀表部分，4、電氣系統(tǒng)控制開關(guān)和繼電器部分 5、傳感器及 其電路與 PLC 自動控制部分，6、線束設(shè)計(jì)部分。其各部分的功能如下： （1） 、電源及啟動部分：主要由啟動機(jī)、蓄電池和發(fā)電機(jī)及其電壓調(diào)節(jié)器組 成。啟動部分的作用是通過啟動機(jī)將蓄電池的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動來起動發(fā)動 機(jī)，從而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電并聯(lián)合蓄電池供給整機(jī)電力能源。 8 （2） 、照明和信號裝置部分：照明系統(tǒng)是為了保證自卸汽車在夜間行駛及陰 暗的礦坑里工作時(shí)的照明及安全需要，信號裝置是通過聲響和燈光向其它車輛 的司機(jī)和行人發(fā)出警告，以引起注意，確保行駛和工作安全。其包括：前大燈、 后大燈、駕駛室內(nèi)燈、倒車燈、轉(zhuǎn)向燈、制動燈、示廓燈、電喇叭、報(bào)警批示 燈等。 （3） 、指示儀表部分：作為司機(jī)了解車輛工作狀況的“眼睛” ，對確保車輛 行車安全、及時(shí)排除故障和避免發(fā)動機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重故障起著重要的作用，通常包 括車速表、時(shí)鐘、燃油表、溫度表、電流表、溫度傳感器、壓力傳感器等。從 而對需要監(jiān)視的信號點(diǎn)進(jìn)行檢測，通過信號處理，利用以上表盤、指示燈顯示， 或輸往后續(xù)控制系統(tǒng)。各種儀表都合理的布置在儀表盤，儀表盤安裝在駕駛座 前面便于觀看的位置，使司機(jī)能隨時(shí)了解車輛的行駛情況和發(fā)動機(jī)工作狀況。 要求各個(gè)儀表結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、顯示數(shù)據(jù)清晰、準(zhǔn)確、指示值受電源的電 壓波動和環(huán)境溫度變化的影響小，除此之外，儀表的抗震、耐沖擊性能也要好。 （4） 、電氣系統(tǒng)控制部分：這部分是實(shí)現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵，它組成了自卸汽 車的操縱系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)控制部分主要包括：電源總開關(guān)、啟動開關(guān)、預(yù)熱開 關(guān)、鑰匙開關(guān)、照明及指示燈開關(guān)。 （5） 、傳感器及其電路與 PLC 自動控制部分主要包括：溫度傳感器及其電 路、壓力變送器及其電路、PLC 控制系統(tǒng)及繼電器的選取，及 PLC 控制系統(tǒng)的 程序設(shè)計(jì)。這部分是實(shí)現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵，它組成了自卸汽車的操縱系統(tǒng)。為 了方便駕駛員安全而準(zhǔn)確的操作，操縱系統(tǒng)的各種控制開關(guān)應(yīng)該按人機(jī)工程學(xué) 的要求，合理布置，并且應(yīng)考慮開關(guān)的操作負(fù)荷和良好的手感，盡量要使駕駛 員對操作方向順手。 （6） 、線束設(shè)計(jì)部分：電線束是自卸汽車的神經(jīng)系統(tǒng)，通過合理地設(shè)計(jì)布置， 連接電源，以及各種控制器、用電器、顯示器、保護(hù)器和報(bào)警器等電氣設(shè)備與 裝置，使之實(shí)現(xiàn)其功能。因此，電線束是自卸車的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。 2.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體方案 2.2.1 設(shè)計(jì)基本思路 根據(jù) CA-20 地下自卸汽車的性能要求和汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，本系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)包括照明指示電路、傳感器電路、儀表顯示電路、聲光報(bào)警電路以及 PLC 控制電路等主要功能部分，各部分都由電源系統(tǒng)提供工作電源。傳感器把檢測 到的各種數(shù)據(jù)，一路采用儀表盤并結(jié)合聲光報(bào)警單元在數(shù)據(jù)超過報(bào)警極限時(shí)發(fā) 送電信號到發(fā)光報(bào)警電路，直觀的顯示出來并發(fā)出報(bào)警信號，以利于駕駛員實(shí) 9 時(shí)監(jiān)控整機(jī)的工作狀況，采取相應(yīng)的操作。另一路則把傳感器所測得的各檢測 點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號，通過合適的模塊傳輸?shù)?PLC 控制器內(nèi)部，在程序的運(yùn)行中， 使 PLC 發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的自動控制。由于駕駛員通過儀表顯示的數(shù)據(jù)可以通 過各種開關(guān)及 PLC 控制系統(tǒng)來做出合理操作，從而使整個(gè)汽車可以在各種工況 下都可以安全可靠的運(yùn)行。 2.2.2 整機(jī)電氣設(shè)計(jì)方案框圖 圖 1 電氣系統(tǒng)原理圖 2.2.3 主要性能特點(diǎn)及參數(shù)： 由于本設(shè)計(jì)是與衡陽冶金合作的橫向課題中的分支，根據(jù)合作單位的設(shè)計(jì) 要求：CA-20 地下自卸汽車是載重量為 20t 的礦用車，我們選擇了底特律公司 的 series50 系列柴油發(fā)動機(jī)，根據(jù)在本電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求及參數(shù)需要，從而 查出選用柴油發(fā)動機(jī)各項(xiàng)參數(shù)如下： 發(fā)動機(jī)排量：8.5L 額定輸出功率：207kW 額定轉(zhuǎn)速： 2100r/min 輸出扭矩： 1186MN 發(fā)動機(jī)冷卻劑容量：16L 壓縮比率：15.0：1 2.3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn) 10 2.3.1 總的工作原理（包括原理圖） 根據(jù)整車的用電需要及柴油機(jī)的啟動要求，本地下自卸汽車電氣系統(tǒng)采用 標(biāo)稱電壓為 24V，單線負(fù)極搭鐵制。根據(jù)地下自卸汽車的特殊性，其電氣設(shè)計(jì) 中應(yīng)考慮它工作的環(huán)境及在特殊條件下汽車自身部件的性能和參數(shù)要求，而且 考慮整車設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，我們按照其實(shí)現(xiàn)的要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能設(shè)置，電 氣原理圖如下頁圖 2 所示。 2.3.2 電氣系統(tǒng)的各部分的構(gòu)成： 1、電源與啟動部分： 電源與啟動部分作為 CA-20 型地下礦山自卸汽車的的能源核心和運(yùn)行起點(diǎn)， 在整個(gè)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是個(gè)關(guān)鍵。 啟動部分由三部分組成：啟動機(jī)、蓄電池和發(fā)電機(jī)及其調(diào)節(jié)器。 地下自卸汽車的電源由蓄電池與發(fā)電機(jī)并聯(lián)組成，在啟動時(shí)，蓄電池放電， 向啟動機(jī)供電以啟動發(fā)動機(jī)，在發(fā)動機(jī)工作時(shí)，由發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)給車輛用 電設(shè)備供電，并向蓄電池充電。 在此部分設(shè)計(jì)中要特別注意三個(gè)方面的問題：1 啟動機(jī)功率與蓄電池容量 的匹配；2 發(fā)電機(jī)功率的選配；3 啟動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)的選擇。 2、照明和信號裝置部分： 為了保證汽車行使安全和工作可靠，在汽車上裝有各種照明和信號裝置， 用以照明道路，標(biāo)示車輛寬度，照明車廂內(nèi)部及儀表指示和夜間檢修等。此外， 在轉(zhuǎn)彎、制動和倒車等工況下，還應(yīng)發(fā)出光信號和音響信號。 照明和信號裝置部分包括兩大部分：照明裝置（有前大燈、后大燈、倒車 燈、駕駛室內(nèi)照明燈等）和信號裝置（轉(zhuǎn)向燈、剎車燈、倒車燈、示廓燈、位 置燈、電喇叭、報(bào)警指示燈等） 。燈、喇叭與其他用電設(shè)備之間是并聯(lián)在電路中 的，以保證他們需要的供電電壓，并可單獨(dú)控制各個(gè)用電設(shè)備的接通和斷開， 從而實(shí)現(xiàn)它們的單獨(dú)控制。 11 圖 2 CA-20 型地下礦山自卸汽車電氣系統(tǒng)原理圖 12 4、儀表部分 對汽車儀表的設(shè)計(jì)，要滿足整車行使過程中關(guān)鍵信息參數(shù)、信號或工作狀 態(tài)的速度指示需要，根據(jù)整車設(shè)計(jì)，適量選擇需要準(zhǔn)確指示的信息并用表頭指 示，選取其它信息并用報(bào)警指示。 指示儀表部分主要包括：車速里程表、時(shí)鐘、燃油表、溫度表、電流表等。 指示儀表是為方便司機(jī)了解汽車工作狀況，對確保汽車行使安全、及時(shí)排 除故障和避免發(fā)動機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重故障而引起重大事故，因此要求各個(gè)儀表結(jié)構(gòu)簡 單、工作可靠、顯示數(shù)據(jù)清晰、準(zhǔn)確、指示值受電源的電壓波動和環(huán)境溫度變 化的影響小，除此之外，儀表的抗震、耐沖擊性能也要好。 5、系統(tǒng)控制開關(guān)和繼電器部分 電氣系統(tǒng)控制開關(guān)部分主要包括：電源總開關(guān)、點(diǎn)動開關(guān)、預(yù)熱開關(guān)、前 后照燈開關(guān)。 電氣開關(guān)和繼電器擔(dān)負(fù)著發(fā)動機(jī)啟動、燈光照明通斷、用電器的控制、警 報(bào)信號的發(fā)生等功能，其結(jié)構(gòu)、種類、操作方法是多種多樣的。為適應(yīng)電器的 功能，要求其安全準(zhǔn)確的動作，并且有足夠的耐久性和可靠性，同時(shí)對溫度、 濕度、振動沖擊、腐蝕等各種環(huán)境及使用條件有較高的適應(yīng)性。 繼電器的基本組成件是電磁線圈和帶復(fù)位彈簧的觸點(diǎn)，其工作方式利用通 電線圈產(chǎn)生的電磁力來改變觸點(diǎn)的原始狀態(tài)。繼電器在汽車?yán)镏饕鸨Ｗo(hù)開關(guān) 和自動控制作用。 6、器及其電路與 PLC 自動控制部分 汽車電子控制系統(tǒng)的基本組成如圖 3。 13 圖 3 控制與檢測部分框圖 傳感器的作用是將發(fā)動機(jī)的工況及狀態(tài)，汽車的行使工況和狀態(tài)等物理參 量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，輸送給 PLC 控制芯片。傳感器又是電子控制系統(tǒng)的“眼睛”和 “耳朵”。 PLC 控制單元的作用是對各傳感器輸入的電信號進(jìn)行綜合的處理，作出實(shí) 時(shí)的判斷，并輸出控制信號。PLC 控制單元是電子控制系統(tǒng)的“大腦”。 執(zhí)行單元是根據(jù)控制器的控制信號作出相應(yīng)的控制動作，將控制參數(shù)迅速 調(diào)整到設(shè)定的值，使控制對象工作在設(shè)定的狀態(tài)。 7、電線束的設(shè)計(jì) CA-20 地下自卸汽車電氣系統(tǒng)中的各個(gè)電氣設(shè)備是通過導(dǎo)線并聯(lián)起來的。 為了使全車繁多的導(dǎo)線不凌亂、方便安裝和保護(hù)導(dǎo)線的絕緣層不被損壞，一般 將同路的各異線用棉紗編織或用聚氯乙烯塑料管做成線束。同時(shí)為了安裝和維 修方便，將全車線束分為幾個(gè)分支線束。 該自卸汽車線束中的導(dǎo)線均采用 QFR 汽車專用低壓導(dǎo)線，低壓導(dǎo)線的截面 主要是根據(jù)用電設(shè)備的工作電流選擇的，對于功率很小的電器，僅根據(jù)工作電 流的大小選擇導(dǎo)線，其截面積將太小，機(jī)械強(qiáng)度差。由于蓄電池與啟動機(jī)的距 離應(yīng)盡可能縮短，并選取盡可能大的導(dǎo)線截面。當(dāng)通過最大功率的電流時(shí)，該 導(dǎo)線的電壓降對 12V 系統(tǒng)不大于 0.5V，對 24V 系統(tǒng)不大于 1V。因此所選用的 導(dǎo)線截面積最小不小于 0.5。 2 mm 2.3.3 傳感器及其電路設(shè)計(jì)與選型 1、用傳感器簡介 為了實(shí)現(xiàn)汽車工作的實(shí)時(shí)控制，人們不得不求助于微型計(jì)算機(jī)、PLC 和傳 感器。隨著微電子技術(shù)和傳感器電子學(xué)的發(fā)展，汽車電子學(xué)使汽車工業(yè)煥然一 新。特別是在當(dāng)今傳感器的發(fā)展落后于計(jì)算機(jī)、PLC 的情況下加速開發(fā)汽車用 傳感器就更為重要。汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。汽車傳感 器在汽車上主要用于發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系 統(tǒng)中。 傳感器是一種轉(zhuǎn)換器，它把物理量、電量、化學(xué)量等被測量轉(zhuǎn)換成容易處 理和傳輸?shù)碾娦盘?。由下面的圖 4 系統(tǒng)信息的信息處理過程框圖可知，傳感器 是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性部件。如果沒有各種傳感器，PLC、計(jì)算機(jī)或微處理控制 則根本無法實(shí)現(xiàn)。而汽車用傳感器是用于汽車顯示和電控系統(tǒng)的各種傳感器的 統(tǒng)稱，與其它用傳感器相比有自己的特點(diǎn)。 14 圖 4 系統(tǒng)信息的處理過程 汽車傳感器的特點(diǎn)如下： .精度要求高：它的精度要求位于家電和計(jì)測之間，要求 1%或 1%以下的精 度。汽車傳感器在-40+120的范圍內(nèi)長期工作，抗振為 15g（1502000Hz） ， 沖擊：從 1 米高處在混凝土上而不引起精度的下降，抗電磁干擾、耐腐蝕。 .使用環(huán)境惡劣：有來自發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱、振動、汽油和油的蒸氣，以及輪 胎的污泥、飛濺的水花，可概括為：溫、濕度等氣候條件，振動沖擊等機(jī)械條 件；電源、電磁干擾等電氣條件，或簡單地歸納為溫度、濕度、振動等物理環(huán) 境、過電壓電磁波等電氣環(huán)境。 要求可靠性好：汽車用傳感器同飛機(jī)用傳感器一樣，有高可靠性要求，要 絕對可靠地動作，甚至它比飛機(jī)用傳感器有更高的要求，因汽車又同家用電器 一樣，本身價(jià)格便宜，使用者是一般大眾，因此，要求汽車傳感器價(jià)格低，性 價(jià)比高。汽車傳感器用于電子控制時(shí)主要是彌補(bǔ)原來機(jī)械控制精度的不定，所 以，汽車傳感器的可靠性指標(biāo)壽命是 10 年，汽車行駛 10 萬公里無故障。 2、傳感器的種類及介紹 汽車傳感器大致有兩類，一類是使司機(jī)了解汽車各部分狀態(tài)的傳感器，另 一類傳感器是用于控制汽車運(yùn)行狀態(tài)的控制傳感器。 汽車用傳感器的主要種類如下表 5 所示： 表 5：汽車用傳感器種類 項(xiàng)目檢測量、檢測對象 溫度冷卻水、發(fā)動機(jī)油、吸入及排出氣體、室內(nèi)外空氣 壓力制動壓、發(fā)動機(jī)油壓、各種泵壓、輪胎壓 液量燃料油量、冷卻液高度、機(jī)油量、制動液量 轉(zhuǎn)速曲柄轉(zhuǎn)角、曲柄轉(zhuǎn)數(shù)、車輪轉(zhuǎn)速 （加）速度車速、負(fù)加速度 流量吸入空氣量、燃油流量、排氣量、二次空氣量 位移方位節(jié)流閥開度、行駛距離、行駛方位 排出氣體O2、CO2、NOx、CH 化合物、柴油煙 其它轉(zhuǎn)矩、濕度、電池電壓、蓄電池容量、荷重、輪胎失效率 下面具體介紹在 CA-20 地下自卸汽車電氣系統(tǒng)自動監(jiān)控中起著重要作用的 15 三種類型傳感器：溫度傳感器、壓力傳感器以及轉(zhuǎn)速傳感器。 （1）傳感器 溫度是表示汽車系統(tǒng)工作狀態(tài)的基本參數(shù)之一。為了弄清發(fā)動機(jī)及其它零 部件的熱狀態(tài)、計(jì)算進(jìn)氣的質(zhì)量、流量以及排氣凈化處理，需要有能夠連續(xù)、 精確地測量冷卻液溫度、吸入氣體溫度與排氣溫度及檢測發(fā)動機(jī)溫度、燃油溫 度以及催化溫度的傳感器，通常采用溫度用傳感器有線繞電阻式、熱敏電阻式 和熱偶電阻式三種主要類型。三種類型傳感器各有特點(diǎn)，其應(yīng)用場合也略有區(qū) 別。線繞電阻式溫度傳感器的精度高，但響應(yīng)特性差；熱敏電阻式溫度傳感器 靈敏度高，響應(yīng)特性較好，但線性差，適應(yīng)溫度較低；熱偶電阻式溫度傳感器 的精度高，測量溫度范圍寬，但需要配合放大器和冷端處理一起使用。當(dāng)前， 汽車傳感器中用量最大的是溫度傳感器（如：吸氣溫度、水溫、油溫、燃料溫 度、車內(nèi)溫度、車外溫度等） ，在一般的汽車中，通常需要使用 10 多支溫度傳 感器。 已實(shí)用化的產(chǎn)品有熱敏電阻式溫度傳感器(通用型-50130，精度 1.5，響應(yīng)時(shí)間 10ms；高溫型 6001000，精度 5，響應(yīng)時(shí)間 10ms)、鐵 氧體式溫度傳感器(ON/OFF 型，-40120，精度 2.0)、金屬或半導(dǎo)體膜空 氣溫度傳感器(-40150，精度 2.0、5，響應(yīng)時(shí)間 20ms)等。 （2）壓力傳感器 壓力傳感器主要用來測量氣體和流體的壓力，而車用壓力傳感器用來檢測 汽缸負(fù)壓、大氣壓、渦輪發(fā)動機(jī)的升壓比、發(fā)動機(jī)油壓、汽缸內(nèi)壓、制動壓、 輪胎壓等。吸氣負(fù)壓式傳感器主要用于吸氣壓、負(fù)壓、油壓檢測。汽車用壓力 傳感器應(yīng)用較多的有電容式、壓阻式、差動變壓器式（LVDT） 、表面彈性波式 （SAW） 。 電容式壓力傳感器主要用于檢測負(fù)壓、液壓、氣壓，測量范圍 20100kPa，具有輸入能量高，動態(tài)響應(yīng)特性好、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)；壓阻式 壓力傳感器受溫度影響較大，需要另設(shè)溫度補(bǔ)償電路，但適應(yīng)于大量生產(chǎn)； LVDT 式壓力傳感器有較大的輸出，易于數(shù)字輸出，但抗干擾性差；SAW 式壓 力傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、分辨率高、數(shù) 字輸出等特點(diǎn)，用于汽車吸氣閥壓力檢測，能在高溫下穩(wěn)定地工作，是一種較 為理想的傳感器。 （3） 轉(zhuǎn)速傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器主要用于檢測曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門的開度、車速等。 目前汽車使用的位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要有交流發(fā)電機(jī)式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式、 16 簧片開關(guān)式、光學(xué)式、半導(dǎo)體磁性晶體管式等，其測量范圍 0 360 ，精度 0.5 以下，測彎曲角達(dá) 0.1。 車速傳感器種類繁多，有敏感車輪旋轉(zhuǎn)的、也有敏感動力傳動軸轉(zhuǎn)動的， 還有敏感差速從動軸轉(zhuǎn)動的。當(dāng)車速高于 100km/h 時(shí)，一般測量方法誤差較大， 需采用非接觸式光電速度傳感器，測速范圍 0.5250km/h，重復(fù)精度 0.1，距 離測量誤差優(yōu)于 0.3。 （4） 、車用傳感器的發(fā)展趨勢 由于汽車傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的重要作用和快速增長的市場需求， 世界各國對其理論研究、新材料應(yīng)用和新產(chǎn)品開發(fā)都都非常重視。未來的汽車 用傳感器技術(shù)，總的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化、集成化和智能化。 微型傳感器基于從半導(dǎo)體集成電路技術(shù)發(fā)展而來的 MEMS (微電子機(jī)械系 統(tǒng))，微型傳感器利用微機(jī)械加工技術(shù)將微米級的敏感元件、信號處理器、數(shù)據(jù) 處理裝置封裝在一快芯片上，由于具有體積小、價(jià)格便宜、便于集成等特點(diǎn)， 可以明顯提高系統(tǒng)測試精度。目前該技術(shù)日漸成熟，可以制作各種能敏感和檢 測力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量、化學(xué)量和生物量的微型傳感器。由于基于 MEMS 技術(shù)的微型傳感器在降低汽車電子系統(tǒng)成本及提高其性能方面的優(yōu)勢，它們已 開始逐步取代基于傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的傳感器。 多功能化是指一個(gè)傳感器能檢測 2 個(gè)或者兩個(gè)以上的特性參數(shù)或者化學(xué)參 數(shù)，從而減少汽車傳感器數(shù)量，提高系統(tǒng)可靠性。 集成化是指利用 IC 制造技術(shù)和精細(xì)加工技術(shù)制作 IC 式傳感器。 智能化是指傳感器與大規(guī)模集成電路相結(jié)合，帶有 CPU，具有智能作用， 以減少 ECU 的復(fù)雜程度，減少其體積，并降低成本。 總之，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和汽車電子控制系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛，汽車傳 感器市場需求將保持高速增長，微型化、多功能化、集成化和智能化的傳感器 將逐步取代傳統(tǒng)的傳感器，成為汽車傳感器的主流。 （5） 、-20 地下自卸汽車主要傳感器及電路的設(shè)計(jì) 在 CA-20 地下自卸汽車的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如何檢測和保證地下汽車的發(fā) 動機(jī)及其它重要零部件（如：液力變矩器、制動系統(tǒng)蓄能器等）是否正常工作 是非常必要的，而能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和監(jiān)控的傳感器及其電路設(shè)計(jì)是一 個(gè)非常重要的部分。在本電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們把傳感器及其變送電路的設(shè)計(jì) 作為一個(gè)專項(xiàng)設(shè)計(jì)來進(jìn)行，而對地下車正常工作影響最大的是發(fā)動機(jī)以及液力 變矩器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)冷卻液水溫及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、變矩器油溫和蓄能器壓 力作為它們是否正常工作的最主要參數(shù)，我們把它們是否工作在正常狀態(tài)作為 衡量地下車運(yùn)轉(zhuǎn)正常的標(biāo)志，因此，最重要的部分是發(fā)動機(jī)冷卻水溫度和液力 17 變矩器油溫的測量與監(jiān)控以及制動系統(tǒng)中制動液壓力的測量與監(jiān)控，此外，發(fā) 動機(jī)轉(zhuǎn)速也是其中之一。這就需要車用溫度、壓力和轉(zhuǎn)速傳感器/變送器及其電 路來提取信號并轉(zhuǎn)換成容易識別的電信號，如：電流、電壓等。在本設(shè)計(jì)中， 溫度和壓力傳感器/變送器電路是重點(diǎn)設(shè)計(jì)部分，全部是轉(zhuǎn)換成電流信mA204 號輸出。 （1） 發(fā)動機(jī)冷卻水溫度的測量與監(jiān)控 CA-20 地下自卸汽車工作時(shí)，當(dāng)它的發(fā)動機(jī)柴油機(jī)的水冷系統(tǒng)中的缸 體及冷卻水的溫度超過其允許的最大溫度時(shí)，司機(jī)必須停車熄火以便讓發(fā)動機(jī) 冷卻下來，否則將影響發(fā)動機(jī)以及汽車的正常工作。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控它們的溫度 以便司機(jī)能夠及時(shí)了解情況以便迅速的采取措施，就有必要使用溫度傳感器及 變送器對其采集信號并轉(zhuǎn)換成電信號輸出。 根據(jù)發(fā)動機(jī)冷卻水最大溫度極限值及傳感器/變送器所要工作的環(huán)境C90 情況，我們選擇美國 Honeywell 公司生產(chǎn)的 TD4A 液體溫度傳感器及其相應(yīng)的 電路對發(fā)動機(jī)冷卻水溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并輸出信號給 PLC 系統(tǒng)及顯示儀表。 TD 系列溫度傳感器提供一個(gè)相對溫度變化的輸出電壓。電阻溫度檢測器 （RTD）是電阻系數(shù)正比于溫度變化的器件。TD 系列溫度傳感器對溫度變化響 應(yīng)快。它無需標(biāo)定，在時(shí)就可達(dá)到的精度互換，RTD 提供C20C7 . 0 的靈敏度，近似線性輸出。C/8 其特點(diǎn)是： 互換性好，響應(yīng)快，檢測空氣或液體溫度，溫度靈敏度為線性，長期穩(wěn)定 性好，在下標(biāo)稱值電阻為。工作溫度范圍：，存儲溫C202000C15040 度范圍：。C17055 TD4A 液體溫度傳感器，是二線制，在靜止空氣中響應(yīng)時(shí)間 4min，在靜止 水中是 5s。導(dǎo)線掛在靜止空氣中，溫升是。其互換性如下表 6：mWC /12 表 6 TD4A 液體溫度傳感器的互換性（1mA 最大電流） 溫度電阻/溫度電阻/ -40(-40F)158412(1.9)60(140F)23149(1.1) -30(-22F)164911(1.7)70(158F)239710(1.2) -20(-4F)171510(1.5)80(176F)248212(1.4) -10(14F)17849(1.3)90(194F)256914(1.6) 0(32F)18548(1.1)100(212F)265816(1.8) 10(50F)19266(0.8)110(230F)274818(2.0) 20(68F)20005(0.7)120(248F)284019(2.0) 30(86F)20765(0.7)130(266F)293421(2.2) 40(104F)21536(0.8)140(284F)303023(2.4) 50(122F)22337(0.9)150(302F)312825(2.5) 18 計(jì)算電阻用方程如下 2 0 6 0 3 0 1064 . 4 1083 . 3 TRTRRRT 式中在溫度 T 的電阻； T R 在 0的電阻； 0 R 0溫度。T 線性度2%（-2585） ，3%（-40150） ；重復(fù)性1，TD 系列傳感器 可線性化至2%以內(nèi)。 TD 系列溫度與電阻關(guān)系曲線圖 7 如下： 圖 7 TD 系列溫度與電阻關(guān)系 （2） 液力變矩器油溫的測量與監(jiān)控 同樣，液力變矩器也存在相同的情況，其油溫也不能超過其允許的最大溫 值。根據(jù)變矩器允許的最大油溫和工作環(huán)境,以及測量與監(jiān)控發(fā)動機(jī)冷卻C120 水的溫度傳感器電路一樣適合測量與監(jiān)控變矩器油溫，并且考慮到采用相同的 傳感器電路易于簡化電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與維護(hù)。所以我們選擇同測量與監(jiān)控發(fā)動 機(jī)冷卻液溫度一樣的 TD 系列溫度傳感器電路。 采用圖 2.6 所示電路，最大通過 TD。對 TD 系列傳感器，用此電路時(shí)，mA1 在為，線性變化至輸出電流為。用測量電流大小表示C 40mA4C150mA20 測溫。 19 圖 8 TD 系列 420mA 變送電路 上圖中 REF 是基準(zhǔn)，是 LM10/LM10B/LM10C 運(yùn)算放大器，1 點(diǎn)電壓設(shè) 1 A 定 5V，增益 2.286，調(diào)節(jié)電位器使輸出電流，TD 具有電阻 1584，輸 1 AmA4 出，TD 具有溫度。安培表連在 A、B 間或才、C、D 間。mA203128 （3） 蓄能器壓力的測量與監(jiān)控 液壓系統(tǒng)是 CA-20 地下自卸汽車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，該系統(tǒng)的好壞直接影響車輛 的各種使用性能和安全性能，在 CA-20 地下自卸汽車液壓制動系統(tǒng)中，當(dāng)制動 液壓回路壓力低于安全制動壓力時(shí)，就要實(shí)行制動欠壓報(bào)警，提醒司機(jī)要檢查 制動壓力下降的原因，在末排除之前，不能使用車輛。 CA-20 地下自卸汽車在礦區(qū)作業(yè)，工況惡劣復(fù)雜，這就要求所選擇的壓力 測量與監(jiān)控裝置壓力變送器能夠在惡劣的環(huán)境下持續(xù)正常的工作，而且便 于與所設(shè)計(jì)的 PLC 控制系統(tǒng)接口，綜合考慮到地下自卸汽車的這些情況，并聯(lián) 系當(dāng)前壓力變送器的發(fā)展?fàn)顩r。我們選用康宇測控儀器儀表工程有限公司生產(chǎn) 的 KYBG18 系列絕壓/壓力變送器，而此系列絕壓/壓力變送器的檢測部分選用 著名的美國 NovaSensor 公司高精度、高穩(wěn)定性的 NPI 系列，隔離式擴(kuò)散硅壓力 敏感傳感芯片，通過高可靠性的放大電路，將被測介質(zhì)的表壓或絕壓轉(zhuǎn)換成 420mADC、010mADC 或 05VDC 等標(biāo)準(zhǔn)電信號。高質(zhì)量的傳感器、精湛的 封裝技術(shù)以及完善的裝配工藝確保了該產(chǎn)品的高質(zhì)量和優(yōu)異性能，保持了優(yōu)良 的靈敏度、線性度和遲滯，采用了溫度補(bǔ)償技術(shù)，用來進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娮璀h(huán) 20 路制作在混合陶瓷基片上。敏感組件在 070的溫度補(bǔ)償范圍內(nèi)，提供了最C 小的溫度誤差 0.75%（最大值） 。即使是在惡劣的環(huán)境下，如：污水、蒸氣、弱 腐蝕介質(zhì)等，仍具有優(yōu)良的性能。它外觀圖如下： 圖 9 壓力變送器外觀圖 根據(jù)液壓系統(tǒng)中我們需要測量與監(jiān)控的液壓力范圍，并考慮到變送器的安 裝方式，我選用 KYB18G09M1P2C2 變送器。它的性能參數(shù)如下： 量程范圍：016Mpa 過載壓力：最大量程的 2 倍 輸出信號：420mA (直流) 工作電壓：標(biāo)準(zhǔn) 24VDC，紋波小于 1%5 工作溫度：-40125 C 負(fù)載電阻（420mA）： 其中：U 為電源電壓，為電纜 D R U R 02 . 0 14 D R 內(nèi)阻 精 度：FS%25 . 0 穩(wěn) 定 性：年1/%25 . 0 FS 膜片材料：316 不銹鋼 外殼材料：302 不銹鋼 過程接口：M12X1、M20X1.5 或 G1 外接 引線方式：電纜線（零點(diǎn)、量程可調(diào)節(jié)） 安裝尺寸如下圖： 27 L=118 3 M 12X1.5-6g 21 圖 10 KYB18G09M1P2C2 變送器 其中 L=1183mm KYBG18 壓力變送器的接線電路如圖 9 所示： 變 變 變 變 V / I 變 變 變 (-) 變 (+) 變 變 變 K Y B G 18變 變 圖 11 壓力變送器電路 （4）CA-20 地下自卸汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量 CA-20 地下自卸汽車發(fā)動機(jī)選用底特律公司的 series50 系列柴油發(fā)動機(jī)， 根據(jù)在本電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求及參數(shù)需要，需要的柴油發(fā)動機(jī)各項(xiàng)參數(shù)如下： 發(fā)動機(jī)排量：8.5L 額定輸出功率：207kW 額定轉(zhuǎn)速： 2100r/min 輸出扭矩： 1186MN 發(fā)動機(jī)冷卻劑容量：16L 發(fā)動機(jī)工作時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速是否在其允許的范圍內(nèi)，是其是否正常工作的 最主要的參數(shù)之一。為此，我們把轉(zhuǎn)速作為衡量發(fā)動機(jī)是否正常工作的標(biāo)志。 根據(jù)轉(zhuǎn)速的大小來確定發(fā)動機(jī)是否正常工作。 為了實(shí)時(shí)了解和監(jiān)控發(fā)動機(jī)的工作狀況是否正常，其是工作在怠速狀態(tài)還 是正常轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)以及其它工作狀態(tài)，就有必要對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。 考慮到 CA-20 地下自卸汽車工作在惡劣的礦井環(huán)境中，經(jīng)過多方分析比較以及 綜合考慮到各方面的情況，選擇北京捷福士電子技術(shù)有限公司 CF 系列轉(zhuǎn)速變 送器對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速情況進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。CF 系列轉(zhuǎn)速變送器有良好長期穩(wěn)定性， 其主要參數(shù)性能： 輸入電源：24VDC 輸出信號：420mA 電流 負(fù)載電阻：0500 輸出電阻：5M 安裝方式：插接式 22 其接線圖如右圖 10 下： 圖 12 轉(zhuǎn)速變送器接線圖 2.3.4 PLC 自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、PLC 簡介 可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller)是一種專門在工業(yè)環(huán)境 下應(yīng)用的數(shù)字邏輯運(yùn)算操作的工業(yè)微型計(jì)算機(jī)。它采用可以編制程序的儲存器， 用來在其內(nèi)部儲存執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的 指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過 程。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展 其功能的原則設(shè)計(jì)，具有線路簡單, 可靠性高，編程方便，體積小，可靠性高、 抗干擾強(qiáng)等顯著特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械 制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。 2、PLC 與其它機(jī)電控制設(shè)備的比較 PLC 既能控制開關(guān)量，又能控制模擬量，用于代替繼電器控制邏輯、二極 管矩陣邏輯以及便于接線的數(shù)字邏輯。PLC 比單板機(jī)、微型計(jì)算機(jī)的使用更簡 單可靠，工程技術(shù)人員只要理解和掌握梯形圖，然后把繼電器原理圖變換為 PLC 使用的梯形圖基本上就可以自己操作使用。 3、PLC 與繼電器比較 繼電器的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格低廉，所以使用范圍甚廣。但是它有 明顯的缺點(diǎn)：動作速度慢，可靠性差。而隨著采用微電腦技術(shù)的 PLC 的出現(xiàn)， 使得繼電器控制邏輯更加遜色。PLC 在邏輯控制、速度控制、 限時(shí)控制、可靠 性和可維護(hù)性、邏輯電路的設(shè)計(jì)和完成周期等方面都具有明顯的優(yōu)勢。 4、PLC 與微型計(jì)算機(jī)比較 大量使用的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般用于科學(xué)計(jì)算，數(shù)據(jù)處理、通信等，PLC 主要用于工業(yè)自動化控制，而 PLC 在使用環(huán)境與輸入輸出和程序設(shè)計(jì)與系統(tǒng)功 能等方面在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中更加具有優(yōu)勢，且 PLC 只有簡單的監(jiān)控程序，能 完成故障檢查，程序的輸入、修改和執(zhí)行等功能。 5、PLC 與單板機(jī)比較 單板機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，一般用于數(shù)據(jù)采集和 工業(yè)控制。但是單板機(jī)不是專門針對工業(yè)現(xiàn)場自動化控制設(shè)計(jì)的，而 PLC 是專 門針對工業(yè)現(xiàn)場自動化控制設(shè)計(jì)的。因此單扳機(jī)不如 PLC 容易掌握，不如 PLC 可靠，不如 PLC 使用簡單。通過對三者的綜合比較，用于工業(yè)自動化控制的 23 PLC ，具有結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)范圍廣，控制可靠性高，易于 學(xué)習(xí)和掌握，控制邏輯修改容易，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，它是現(xiàn)代機(jī)電技術(shù)一體化 的極佳選擇。 6、CA-20 地下自卸汽車控制技術(shù)的選取 地下自卸車常時(shí)間工作在工礦復(fù)雜的礦井下，在傳統(tǒng)的汽車工業(yè)中通常是 利用車內(nèi)設(shè)置的傳感器實(shí)時(shí)檢測相關(guān)參數(shù)反映車況，以模擬電路和傳統(tǒng)的中間 繼電器來實(shí)現(xiàn)控制，此種控制方式的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接觸器和輔助觸點(diǎn)較多， 容易出現(xiàn)故障。在 CA-20 地下自卸汽車的自動控制系統(tǒng)中 PLC 自動控制技術(shù)比 起其它機(jī)電控制設(shè)備不僅可以更容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)故障的迅速自 動控制切除故障部件，以防出現(xiàn)重大事故，使地下車控制系統(tǒng)的可靠性和安全 性上了一個(gè)新的臺階。 結(jié)合對 CA-20 地下自卸汽車設(shè)計(jì)要求的分析，綜合考慮利用 PLC 技術(shù)來控 制 CA-20 的傳感模擬信號的輸入和輸出，更容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，數(shù)據(jù)處理，故 障動作等操作。 7、控制對象的選擇 在 CA-20 地下自卸汽車的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，地下車發(fā)動機(jī)冷卻液溫度和液 力變矩器油溫的極限最大值必須得到限制，當(dāng)它們的溫度達(dá)到極限最大值時(shí)， 地下車必須停車或采取其它的必要措施以使溫度降低回到地下車工作的允許的 溫度范圍之內(nèi)，并同時(shí)給出警示信號提醒駕駛者。地下車液壓制動系統(tǒng)壓力的 大小直接決定著地下車是否能夠及時(shí)、迅速的停車制動，當(dāng)其壓力小于某一極 限值時(shí)，地下車自動控制系統(tǒng)必須提醒司機(jī)檢查液壓制動系統(tǒng)，找出制動壓力 降低的原因并采取措施解決，使地下車能夠回復(fù)正常作業(yè)。發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速也是 反映地下車正常工作的重要信號，在發(fā)動機(jī)在工作的過程中其運(yùn)轉(zhuǎn)的速度必須 控制在一定范圍之內(nèi)，超過此限時(shí)發(fā)動機(jī)必須停止工作。 利用 PLC 技術(shù)設(shè)計(jì)的自動控制系統(tǒng)能同時(shí)滿足警示和自動控制的功能。在 地下車的眾多監(jiān)控傳感器中，本設(shè)計(jì)的 P