国产汽车起重机的安全监控系统可靠性分析

摘要：首先详细阐述了国内汽车起重机的发展，然后分析了汽车起重机相关系统构造以及电气产生故障的因素，最后以国产汽车起重机作为研究对象对电气控制系统提出了几条改进措施，并对改进后电气控制系统的可靠性进行了分析。

关键词：汽车起重机; 安全监控系统;可靠性分析

中图分类号：U461.91 收稿日期：2022-02-11

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.04.012

自汽车起重机发明以来，其技术及构造一直在不断更新换代，汽车起重机上应用了比较复杂的控制系统以及人量的控制单元、传感器和执行器等。

随着人们对汽车起重机的性能、安全性、可靠性、舒適性、尾气排放及燃油经济性等的要求越来越苛刻，特别是近年来“碳中和，碳达峰”的环保要求越来越严格，为了满足新技术和新设备的要求，汽车起重机控制单元的数量不断增加，控制单元之间、控制单元与系统之间、人机交互的信息交换越来越密集和频繁，传感器、控制器、执行器和缆线的数量和质量迅速增加，布线更复杂，电信交流干扰更多汽车起重机的重量更人，降低了汽车起重机的安全可靠性。然而，随着新一代更先进的ECU电子控制单元（由微控制器、存储器、输入/输出接口、模数转换器以及整形、驱动等人规模集成电路组成），俗称“车载电脑”在汽车起重机广泛运用，提高了汽车起重机安全监控系统的灵敏度及可靠性，保证了系统的稳定，具有更强的抗干扰能力，人机交互信息实时准确畅通，时刻保证了人的安全和对汽车起重机进行自始自终的安全保护。

l 汽车起重机研究现状及特点

I.I 汽车起重机概述

我们通常将装载普通汽车底盘或专用汽车底盘上的，其行驶驾驶室与起重操纵室分开设置的起重机称为汽车起重机。从使用性能上看，汽车起重机具有行驶速度快、机动性好、灵活性大、转场方便、幅度大、功能多、起重能力强、使用成本低等优点，因此用途广泛[1]。 1.2 我国汽车起重机发展概述

我国汽车起重机行业从1950年到1960年期问建立，经过了60多年的发展，期问经历了_三次重要的技术引进，上世纪70年代引进苏联的技术，80年代引进日本技术，90年代引进德国技术。前期一直在引进国外技术或是引进技术办合资企业，从拿来到模仿消化再到自己研发并结合中国国情，走出了一条中国特色的发展道路。近年来，伴随着全国整体工业化水平的持续提高及市场的巨人需求，中国汽车起重机产业破除瓶颈，迎来了爆发式快速发展。新技术、新工艺不断突破，轻便智能化、白动化多功能人吨位等技术指标不断刷新世界纪录，已掌握通过移动终端控制/远程操控全地面起重机上下车动作与作业。

相比国外技术，我国的技术水平还有一定差距，主要表现在：全自动力矩限制器系统和中心控制器性能相对滞后，传感器技术落后，实时多任务操作系统不稳定和数据结构不优化，液压电比例控制技术、先导控制技术、燃油共轨技术、CAN总线技术、PLC可编程集成控制技术等方面。但随着自主研发力度的加大，芯片的研发成功，光刻技术的深度掌握，创新技术不断涌现，弥补了这些不足。

1.3 目前我国汽车起重机控制系统现状

我国的汽车起重机已经大量使用PLC可编程集成控制技术、总线技术，带有总线接口的液压组合阀、液压马达、泵等控制器、执行元件和传感器已相当成熟，液压系统和电器控制已能很好地兼容。能够通过系统软件实现对控制性能的调整，具备了白动诊断故障和远程控制的功能。

起重作业操作方式，基本采用了液压电比例（阀）或是先导比例（阀）控制手柄，以小力推动火力，实现了无级调速，具有了良好的微控性能和精控，操作力度小，工作量减少，不易疲劳。但是一旦操作时问变长，执行动作就会出现迟缓，没有同步，甚至动作抖动、发卡，出现动作异常不稳定等现象。同时，阀体、继电器等电子元器件使用寿命比较短。

一直以来，我国起重机企业都致力于对传统的起重机控制系统进行改造，但受困于技术和经济的原因，绝人部分企业还是奉行“拿来主义”，进口重要原配件（自己无法生产或工艺要求达不到）结合自己能生产的配件组装成混合体，虽然实现了起重机的基本功能，但操作相对复杂，元器件兼容问题比较多，安全监控系统不完善，致使机械特性不稳定，事故发生率比较高。

由于国内操作控制系统软件发展相对滞后，经验欠缺，导致软件控制策略编写不完善，数据结构不优化，会有疏漏或者逻辑架构不严谨，可靠性差等问题。软件的控制逻辑框架中，详细架构是最关键的。国外知名品牌起步早，经过多年的发展不断优化调整，软件控制策略完善、架构详细、数据结构优化，可靠性高，基本满足要求。硬件方面，喷油器、传感器等高精部件仍从日本进口：高性能处理器、传感器技术、实时多任务操作系统和优化数据结构还是依靠德国进口。使用的元器件（国内能生产的）比较杂牌，技术参差不齐，使得各部分系统与中央处理器兼容性差，信息交流出现延时甚至出现错误或是无名故障等。

2 汽车起重机相关系统及技术

2.1 汽车起重机安全监控系统

安全监控系统是汽车起重机的“最强大脑”，维系着汽车起重机整体的正常运转，控制着起重作业的安全进行。其由ECU控制单元单元、传感器、信号采集器、CAN总线、PCL可编程控制器、执行器、显示仪表、诊断系统、全白动力矩限制器等组成，将显示、操作控制、工况设置、警示报警、安全强制控制等功能集合一体。具体内容含：实际起重量/额定起重量、起重力矩、起升高度限制、卷扬机钢丝绳三国保护、上限/下限幅度限制、工况设置状态、前支腿工作状态等。其控制功能如下：

a.汽车起重机运行参数和作业实时状态显示功能：监控参数包括发动机运行参数，油水电状态，实际起重量和额定起重量，起重力矩、起升高度，幅度，臂杆长度、角度等。

b.声光预警报警/智能控制：集成了过载超载超限声光安全警示报警提示，提示无效后，为避免高危情况发生白动强制锁死等功能。BCEA8E89-E3B5-4053-829B-B51146E576ED

c.系统自检诊断功能：系统能够对自身运行状态进行监控，当某一部件出现故障或运行状态出现异常时，能够白动检测报警提醒，以故障代码显示于视频系统。

2.2汽车起重机吊臂系统技术

起重吊臂是汽车起重机吊重的重要部件，关乎吊重性能和吊重工作安全。以前传统汽车起重机一般是四边形截面吊臂（吊重应力集中在受力点处容易折臂，焊接工艺繁琐），再到国际先进的U型截面吊臂，不断改进更新。近年来徐工更加先进的椭圆形（卵形）截面吊臂研制成功，使得起重吊臂系统性能越来越优越，吊重工作更加安全可靠。

2.3 汽车起重机底盘技术

底盘悬挂技术和多轴多模式转向在国内全地面起重机底盘上已经广泛运用。多轴多模式转向技术一般应用于人型起重车。针对泥泞不堪、杂乱无章的作业现场（有磕坏底盘车桥，弄断管/线路的困扰），不少的国产汽车起重机甚至安装上了动力和通过性能优越的G类越野底盘。

2.4 电、液控制技术

目前，汽车起重机吊重液压系统动力泵普遍使用的是三联泵，1联泵向主、副起升机构液压系统供油，2联泵向吊臂伸缩变幅机构液压系统供油，3联泵向支腿机构回转机构液压系统供油，分工明确，运行高效、节能。电与液的完美结合，通过液压电比例（阀）或是先导比例（阀）手柄，可实现任意工况任意无级调速动作，能更好地满足繁杂工况精度需求，使吊重性能优越，保证吊重工作安全稳定可靠。

2.5 智能监控技术

起重机械的出现，特别是全路面起重机的问世，加速了物流流通，人人提高了生产效率。但自其出现以来尤其是高危险性行业，用得好是生产的好帮手，用不好是杀人工具，是一把“双刃剑”。汽车起重机一般作业环境都比较恶劣，劳动强度火。在操作过程中，人的因素始终影响着整个吊重作业的安全。如何把人机脱离，始终都是研究的课题。随着互联网的高速发展，物联网组网成功、5G移动信号发展成熟、光纤带宽提速等，使得通过移动终端控制上下车动作与作业、远程操控成为了可能：将机械技术与电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术和模糊控制技术应用到机器传动和控制系统中，实现起重机更加白动化、智能化[2]。如徐工全路面起重机的一键打车功能，无线移动控制器操控起重作业等。

3 电气故障因素及改进措施

汽车起重机的电气系统一般由电源系统、启动系统、发动机控制系统、燃油供应系统、照明系统、故障诊断系统、声光警示报警系统、起重操作系统、力矩限制器系统、监控视频系统等系统及各种连接线束、插接头、集线盒、CAN总线等构成，控制着汽车起重机的行驶及起重机运行和起重作业。

3.1 电气故障产生因素

起重机械的工作环境一般比较恶劣，日常的日晒雨淋、沙粉尘、泥水飞溅、雷暴雨/强对流天气、静电环境等;作业工况复杂，特别是临海的物流码头，高温、高温、海水的腐蚀环境。

3.1.1 人的凶素

有人为了图快省事，将所有的缆线胡乱捆绑一起，不按不同的缆线规格特点要求布线，电源线与通讯线混在一起而不作屏蔽措施，电磁十扰严重;未按线束要求布线，线路穿管口、过菱角物没有做防摩擦保护措施;插头连接没有作防水，插接头咬合不紧，线盒未作防潮散热措施，线束未整齐排列、紧固、散落、松动等错误的布线方法。加设新设备（摄像头等）随意从原有布线中的电源线搭接分支电源线，都会导致电气线路断路或短路、接触不良。信号通讯不畅断续，导敛车辆无法正常运行，保证不了起重作业的安全可靠性。比如，在原有的布线（专线专用）中加设新设备，极易造成线路荷载过人发热而引发火灾，造成机械损伤。线路搭铁搭接不好（没有接地线的），静电释放不了，容易引起电子元件击穿，甚至引发人员被电击事故。

操作人员粗暴野蛮地操作设备（猛起猛放.突然加大油门或是长时问踩大油门操作）也是导致起重机械电气故障发生的原因。接触器（操作手柄）频繁分、合，尤其是操作人员频繁靠打反车来稳钩，触点（电比例操作手柄金属滑轨、中心导电环滑轨、电刷等）很容易住频繁的操作中或是长时间连续超负荷运转等，都会造成电气线路的荷载过高、长时间发热、老化、断裂，使得电气系统发生断路或接触不良。

3.1.2 材料技术凶素

电气线路在连接时，各个连接对接处有接触电阻，其阻值与载流面积、压力、材料的腐蚀程度及材料本身性质好坏有关，这些因素会使得对接处接触不良，导致接触电阻变人，产生大量的热，使得接触面深度氧化，破坏材料属性，造成机械强度变小，如果出现短路等情况，人电流引发的急剧热可能会烧断对接处，电路会产生电弧或电火花，从而引发明火燃烧易燃物，造成火灾[3]。

我国对PLC技术运用实践的起步较晚，不同的起重机所运用的PLC系统也不同，但多数的起重机设备还是使用级别比较低的PLC系统，动作反应延迟，存在动作抖动及不稳定、检查诊断不方便等问题。

3.2 电气控制系统技术改进措施

汽车起重机已被广泛应用于物流等诸多领域，本文以国产汽车起重机作为研究对象提出以下几条改进措施。

3.2.1

CAN总线控制系统改进

CAN总线是一种众多控制单元、传感、测试仪器之间的实时数据交换的一种串行通讯总线，其自身具有通讯可靠、网络安全、实时性强等诸多特点。因其具有通信可靠、成本低等优势，广泛用于环境恶劣、计算控制系统环节中。

CAN现场总线技术是工业现场自动化控制的主要发展趋势，方便实现了计算机网络化、远程化管理。特别是其充分考虑了起重机在后续使用过程中的中央、远程、网络、智能化控制，通过对现场总线技术的合理运用，使系统具有不错的可移植性和可拓展性[4]。

由于吊重作业电流波动较大，容易形成不同段位的电磁场相互干扰，甚至十扰电气控制系統，在CAN总线驱动器上和总线之间应采取有效的屏蔽防护措施防止电磁干扰：尽量缩短ECU控制单元与CAN总线通信传输线的距离，有效抑制电磁波干扰，保证可靠的通信。BCEA8E89-E3B5-4053-829B-B51146E576ED

3.2.2

PLC技术改进

可编程逻辑控制器是PLC技术的绝对核心。在PLC技术的实际应用中，可以实现对汽车起重机起升高度提升速度及具体重量范围的控制。能够实时监测到起重机操作中的起升高度位置的實时动态变化及提升的瞬间时速，还可以实现对起升重量的检测。根据对汽车起重机各种操作数据的了解，操作人员可以更加精准地完成多种操作指令，控制起重机的提升速度及提升重量，能够有效保护起重机的臂杆，提高起重机的工作质量和工作效率，对其操作过程提供有力的安全保障。

对于使用要求比较高的微操作性能和精控控制而言，则应采用中高级别的PLC系统。

3.2.3 力矩限制器精度改进

采用具有防震抗晃动的高清液晶显示器、友好的人机交互操作界面、更加简易形象的图形图标实时操作系统、高性能的中央处理器、与中央处理器相匹配、相兼容的控制器、感应器和传感器等配件，还有相对应的高质量的总线接头及缆线，以保证控制的实时性准确及控制精度。

3.2.4 规范人的操作行为

规范布线标准方法，严格按照各类线束的要求来布线;加设新设备禁止从原有的线束直接搭接分支电源线，并应考虑电源系统能否承载加设的新设备用电要求后，才能从电源处开始拉接电源线。在车辆尾部加设防静接地耐磨条，消除静电。文明操作起重机，禁止猛拉急放操作手柄，猛踩油门或任何时候都是一种油门状态。吊物应轻起轻放，视吊物重量而相应加人油量。各线束插接头进行紧固，并作防尘、防水、散热处理：底盘线束和中心转台线束做好防油、防水、防摩擦、防震动及散热防护措施。

3.3 电气控制系统改进后的可靠性分析

汽车起重机在日常运行中，严格按照汽车起重机操作规程文明操作，吊物轻起轻放，油门平顺踩踏，保持中速运行，并视吊物重量适时加油操作;执行动作同步顺稳不抖动，阀体没有出现异响;力矩限制器显示平稳而无闪屏出现限制动作的现象。线路不会出现磨断，发生断路或接触不良;线束及接线接头等也未发生异常发热或是短路烧线的现象。在临海码头作业，经历了高温、潮湿和粉尘洗礼、雨水的冲刷、泥水的飞溅也没有出现飞车现象或是无名的故障，故障现象明显减少。

4 结语

随着海洋国土的深度开发，特别是现代化生产重型化、人规模化以及物流产业的快速化，使得汽车起重机需求迅猛增加且止向人型化、轻便化和智能化的趋势发展，汽车起重机使用的环境更加恶劣，汽车起重机内部结构更加复杂。无论是汽车起重机在生产过程中受限于材料、技术、经济、装配工艺，还是在实际生产中，汽车起重机的频繁运用，连续高速或长时问超负荷运转，住实际的操作运用中还是存住着巨人的安全隐患。因此，对汽车起重机安全控制系统研究与分析还需要继续跟进而深入，对于汽车起重机的安全控制系统的可靠性问题进行分析研究始终具有重要意义。

参考文献：

[1]谭延坪，出留宗，谭喜文.汽车起重机日常使用与维护[M]北京：机械工业出版社.2010

[2]王庆远，唐红美汽车起重机发展趋势浅析[J]工程机械文摘，2012（2）：48-50

[3]赵秀霞探析重机械电气系统失效模式及失效原因[J]中国设备工程，2020（17）：162-164

[4]王金奇CAN总线在起重机控制中的应用[J]中国设备工程，2017（2）：133-134.

作者简介：

陈水生，男，1980年生，起重装卸机械操作高级技师，研究方向为国产伞路面汽车起重机驾驶、维护保养、维修。BCEA8E89-E3B5-4053-829B-B51146E576ED