工程机械线路安全及可靠性设计

黄 辉

（广西柳工机械股份有限公司研究总院，广西 柳州545007）

0 前言

随着经济的不断发展，工程机械（如装载机、挖掘机等）在基础建设、矿山开采、建筑等领域得到了越来越广泛的应用。工程机械结构复杂且工作环境恶劣，在实际使用中容易发生故障，而电气系统是工程机械非常重要的部分，对工程机械的工作装置、液压系统、动力系统、传动系统起到控制及辅助的作用，以使机器顺利完成其作业任务。如果发生电气故障，不但影响用户的正常施工，严重的甚至会导致机器燃烧，危及用户的生命、财产安全。提高工程机械电气系统可靠性显得尤为重要，而电气线路在电气系统中扮演着电气神经网络的角色。因此，线路的安全及可靠性是电气系统设计中首要解决的课题。

1 工程机械线束的设计

线束主要由线束保护层、回路保护装置、电线、插接器等构成，因此这些组成部分的元器件、材料选择及制造工艺直接影响机器电气线路的安全及可靠性。

1.1 线束保护层

由于线束需布置在机器不同的部位，因此对线束的保护层需要根据机器作业环境及机器不同部位的环境条件，结合保护层的材料特点进行选择，才能对线束内部的电线起到保护作用，降低机器故障风险。

线束包扎防护材料通常包括胶带、波纹管、PVC管、尼龙布、无碱玻璃纤维带、热缩管等用于线束基本防护的材料。每一种线束防护材料都有其自身特性功能，例如波纹管的耐磨性、PVC管及尼龙布的柔软性、无碱玻璃纤维带耐高温性等。

（1）布置在车架发动机仓或其他高温区的线束应采用耐温不低于150℃的保护层进行保护，可优先采用尼龙类（PA）、聚丙烯改良类（PPMOD）的波纹管进行防护。

（2）布置在高于300℃环境温度中（如热钢渣铲装工况）的线束应采用至少耐500℃的线束保护层，可选用无碱玻璃纤维带。

（3）布置在机器驾驶室内部的线束保护层，应充分考虑保护层的阻燃性以及线束装配、维修的便易性。可优先选用自卷绕尼龙布或者PVC管进行防护。

（4）曝露在机器外面的线束保护层，应根据外部环境选择材料，以满足环境温度、湿度、日照等使用条件，且保护层耐磨不易变形，不影响机器外观质量。推荐优先选用封闭波纹管或者双层波纹管进行防护。

（5）对于机器的电源主干线，比如启动电机正极电缆线应采用尼龙类（PA）、聚丙烯改良类（PPMOD）的封闭波纹管进行防护，且波纹管端头采用双壁热缩管收口。确保电缆全长不出现裸露现象。

保护层阻燃性，布置在高温区（如发动机仓）、油汽混合区的线束，其保护层阻燃性应符合 GB/T 2408-2008中垂直法V-0等级要求，布置在其他非高温区、非油气混合区域的线束，其保护层阻燃性应符合GB/T 2408-2008中垂直法V-2以上等级要求[1]。

1.2 回路保护装置

回路保护装置是当电路回路出现过流时，能使回路断开的装置，用于保护该回路的导线和电气设备。在工程机械上，除起动回路中的主回路由于电流太大，可以没有回路保护装置外，其他回路均应具有回路保护装置。

常见回路保护装置有：熔断器、断路器、自恢复保险、智能接触器（继电器）、过热保护器。

（1）回路保护装置基本选用原则

断路器具有响应慢的特点，并可能因振动导致短时开路，断路器不允许用于带有微处理器的用电设备回路。

在工程机械整机线路中不推荐使用自恢复保险、智能继电器/接触器和过热保护器（热继电器）等回路保护装置。

推荐使用熔断器（参考QC/T 420-2004、ISO 8820-2：2005、ISO 8820-5：2007），通常称之为保险（FUSE）。

（2）熔断器的参数选用

熔断器应工作在额定电压范围内，熔断器必须在明显处标明额定电压（UN），熔断器的额定电压UN要大于机器的系统电压，当工程机械的系统电压是12 V/24 V，应选用额定电压为32 V的熔断器。

为了避免熔断器本身及接触电阻引起的发热损坏熔断器座，小于30 A的熔断器可选择片式熔断器，大于30 A的应选用旋紧式熔断器，30 A熔断器推荐采用旋紧式熔断器，若选用30 A片式熔断器应为该回路配备独立的安装盒。

重要的功能模块及涉及行车安全的用电器，应有各自独立的熔断器，例如变速控制、ECM、前大灯等，不能和其他功能模块共用熔断器。

由于熔断器和熔断器盒接线端子间接触电阻以及熔断器本身的电阻存在，当电流流过时会产生一定的热量，所以熔断器座或熔断器盒的材料要求耐高温且能阻燃。

环境温度高会增加熔断器的负荷，造成熔断器的载流能力下降，在熔断器选型的时候，需根据熔断器制造商提供的修正曲线进行熔断器额定电流IN的修正。

设计有多级熔断器时（如图1），当分支回路出现过流，该分支回路的熔断器应当优先熔断，并确保上级熔断器不熔断。

图1 设计有多级熔断器图

1.3 电线和电缆

基于工程机械对电线和电缆的环境适应性要求，选用的电线应符合日标JASO D609-2001、JASO D611-1994 或 德 标 DIN 72551-1991、DIN 76722-2008或国标JB/T8139-1999、QJ/LG 0346-2013的规定。在选用电线时，第一选用序列为日标AV、AVS、AVSS线或者德标FLRY-B线，第二选用序列为国标QVR、QVR-105线。优先选用第一序列电线。考虑到电线的机械强度，电线的导体标称截面积不能小于0.75 mm2，双绞线、三绞线、屏蔽电缆等在一个共用外部绝缘层内有两芯或以上具有独立绝缘层的电线及叉车用的电线除外。

（1）电线线径的选择

考虑环境温度因素对电线的载流能力的影响，在选用电线时，选取的电线线径规格应保证电线在所处工作环境温度下满足载流量要求。在回路中有保护装置的条件下，应保证在出现极端情况时（如短路、过流等），电线不应出现冒烟等现象。 各种电线的适用环境温度范围见表1。

表1 各种电线的适用环境温度范围

导线截面积的计算：

1）根据功率 P=UI，确定导线的电流，U是系统电压，所允许的电压降UJ是一定的，线路的电阻R=UJ/I和线路电阻的计算公式：

式中ρ为材料的电阻率（Ω·mm2/m），S是导线的截面积（mm2）

例如AV电线电压降见下表2。

表2 A V电线电缆不同环境温度条件下的容许载流量和电压降[4]

2）或者按下面经验公式：

式中I为额定电流（A）；A为导线的截面积（mm2）

3）线径选择也可以参考更为简单的经验计算方式：

当该负载为长时间连续工作时，应使电线额定电流≥负载电流×1.1；当该负载为短时间歇工作时，应使电线额定电流≥负载电流。

当有多个回路共用一根地线时，该地线的载流量应满足需要同时工作的回路的全部负载电流。

（2）安全性验算方法

本验算方法适用于导体标称截面积小于等于10 mm2的电线。

根据熔断器的熔断特性，得到所选用熔断器的熔断电流与最大熔断时间的关系值，再按不同环境温度下，电线绝缘层冒烟时间-电流曲线图（以图2 AV电线23℃环境温度为例）查找该回路所选用电线在该熔断器各熔断电流下的冒烟时间，若有一个冒烟时间小于熔断器的最大熔断时间，则选用大一级线径型号的电线重新验证，只有当电线在熔断器各熔断电流下的冒烟时间均大于熔断器的熔断时间时，该线径电线才符合设计安全要求。

图2 电线绝缘层冒烟时间-电流曲线[4]

（3）电线的识别

为了方便线束设计、线束制造以及维修服务，避免错误连接，用于电气回路中连接部件的电线和导线应做有记号且明确标识[2]。识别方法可以采用以下方式。

电线和电缆可以采用绝缘层颜色、编码标识或者两者混合的方式进行识别。每根电线或电缆两端的标识应相同，且不同功能定义的电线或电缆标识

不能重复。当电线或电缆通过电器件后，则应改变其标识。当电线或电缆通过接线盒、插接器、公共接头时，不应改变其识别[3]。

1）颜色识别

电线和电缆绝缘层不同的颜色表示专用用途的识别。连接同一个电器件，不同用途的电线其绝缘层颜色应不相同；同一个插接器中，不同用途的电线其绝缘层颜色也应不相同。

2）编码标识

编码标识可采用数字、字母、符号或它们的组合。对于可引起混淆的字母（如 B、D、I、O、Q、S、Z）应略去不用。对于字体结构有方向性的数字及数字组合（如6、9、66、99、69、96、868、686 等）应避免单独使用。

1.4 插接器的选择

鉴于工程机械设备所在的作业环境及工矿比较恶劣，为了避免线束插接器因震动、液体喷溅等不可预知的环境因素，造成插接器松动、进水、腐蚀，导致线路断路、短路或接触不良，从而使工程机械设备发生故障，因此暴露在机器体外的插接器应优先选用防水型的插接器，且应至少有符合IP65（按GB 4208）的防护等级[2]。但在防水、防尘较好的区域可根据实际情况选用非防水型的插接器。

（1）插接器的接线端子材料可以是铜、黄铜、银等，推荐使用表面有导电电镀层（例如镀金、银、镍等）的端子，以减少端子配合时的摩擦损伤和电化学腐蚀；成对插接器接线端子的金属材料应一致，以避免电化学腐蚀。

（2）因各插接器生产厂家的制造工艺存在差异，即使是同一系列、同一规格的插接器，其插接匹配也存在误差。为了保证线路连接可靠，特别的对于较小电流的回路，例如控制信号回路。回路中的成对插接器护套及接线端子应选用同一制造厂产品。

（3）插接器应能在不同温度环境下保持可靠的电气连接和机械连接，在高温区域（例如发动机附近）应使用耐高温的插接器组件（例如护套、密封堵等），耐高温插接器组件应确保在极限温度（-40℃～125℃）的情况下不变形、不开裂。

（4）工程机械应使用带有自锁装置的插接器，锁紧装置应能确保插接器承受不小于100 N的拉力而不脱开。

（5）在同一位置使用两个或两个以上插接器时应采取防错接措施，可以通过选用不同芯数的插接器、插头与插座的组合、相同芯数带有防错装置的插接器护套以及颜色等来进行区分。

（6）所选择插接器的端子应满足各个回路的功率或信号要求。对于功率回路，插接器接线端子额定电流不得小于负载的额定电流，并考虑环境温度对接线端子载流能力的影响；对于信号回路，优先考虑使用镀金的端子。

2 工程机械电气线路的布局

工程机械产品电气线路的布局需保证线路中的线束，电气设备的可靠性、安全性、维修性、环境适应性、可制造性及易于装配的要求。

（1）线束的可靠性

主要通过采取增加线束覆盖物对线束本体进行防护、对线束通过钣金孔处进行可靠防护、增加线束固定支架、在条件允许的情况下尽量减少线束分段等措施，提高线束工作的可靠性。进行整车电气线束设计的时候，需要考虑实现装配的工艺性，有时会考虑将原本可以是一段的线束分成两段。在进行分段设计时针对插接器的增加应考虑以下几个方面：

1）线束上总的电压降增加，电器件上的信号强度衰减，以及线束屏蔽中断对电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)的影响[2]。

2）插接器的增加，会造成电气连接的不可靠连接点增加。

3）为了固定增加的插接器，增加支架或考虑其他固定方式。

鉴于以上几点，在条件允许的情况下，尽可能减少线束分段，采用贯穿式线束设计。

（2）线束可维修性

线路布置时，应确保整车电气系统具有良好的可维护性。线束插接器尽可能布置在触手可及的地方。

1）线束插接器如果只能用单手插拔，其对插端要被可靠固定。插接器末端的线束应该预留一定的长度，以便于插接器的插拔：对于开关端的线束建议预留80～100mm，仪表、音响、空调面板、保险盒等维修率比较高的电器件，其后端线束根据总成安装位置预留到容易插拔的长度。

2）需要在外面连接电器件插接器且需再塞回固定的线束，除为保证线束维修性而留足拉出操作时需要的长度，还要考虑固定后的线束堆积空间和线束固定方式。

3）日常需更换、维护频次较高的保险丝和继电器应布置在易于发现及便于操作的位置。

（3）线路可制造性

在设计线束固定方式及固定结构时要考虑装配的可制造性，确保固定可靠的同时尽量减少装配过程的工序。尽量采用简洁的固定方式，尤其对于空间狭小区域，如驾驶室顶部走线、驾驶室内饰间走线，由于其空间狭小，尽量采用塑料卡扣或扎带固定。

1）在线束固定结构以及相关功能盒体设计过程中，采用常用的标准件，并且标准件种类尽量少，减少装配及维修中专用工具的使用。

2）对于装配时插接器或线束固定结构需要穿过驾驶室或地板的情况，其紧固件如果采用普通六角螺母和螺栓，一名装配人员难以独立完成操作，应考虑采用焊接螺母或焊接搭子进行固定。

3）线束的固定孔要尽可能开在结构件的平面区域，并避开结构件的焊缝。

（4）线束的布置及固定

线束布置时应使信号线尽可能远离零部件电磁干扰源，例如电喇叭、扬声器、雨刮电机等。线束布置无论在机器静止或运动状态下，不应与液压管路、动力油路、机械机构发生干涉、阻碍，保持线路走向顺畅、整洁，线路布置整齐。线束的走向在考虑好拆装工艺后，须遵循最短路径的原则，因为较短的回路有以下优势：

线束段消耗电压降低、信号衰减减少；减轻整车质量；降低线束成本。

1）运动件、开闭件（如挖掘机动臂）间的线束要留足最大开度的长度，并考虑在部件最小开度时的堆积空间和固定方式。

2）线束布线应根据线束直径的大小选用适当规格的线夹进行固定，确保线夹装配后不挤压到内部导线，避免线束在振动环境下与线夹摩擦或窜动。在线束拐角处，拐角点前后均应设置固定点。

3）主干线固定点（线夹、扎带等）与分支点的位置应保持30～100mm的间隔，有效保护分支点，同时防止线夹与分支点因太近而使分支处受磨损。

4）线束分支连接部件时应预留足够的松弛度（一般大于线束理论最小长度25 mm），使其不对所连接的电器件产生预应力，以避免振动环境下影响线束的电气连接性能。

5）线束布置时，应确保固定可靠，避开板料的边角处以及锋利的地方或毛刺处，避免与其他部件发生干涉，以免造成线束磨损。

6）当线束需跨接在两个非刚性连接的车体或部件上时（如驾驶室与车架连接），为确保线路接地可靠性，应在两个连接车体或部件之间增加接地线缆。推荐优先选用铜编织带。

7）布置在高温区（如发动机）的线束应采用至少耐150℃高温的线束保护层，同时设计保护装置使线束不与高温源直接接触，且应确保线束与高温源至少有30 mm的距离。布置在高于300℃环境温度中（如热钢渣铲装工况）的线束须采用至少耐500℃的线束保护层，推荐采用无碱玻璃纤维带。

8）线束布置应尽量避开油液易积区域，若不可避免，应设计保护装置防止线束被油液浸泡侵蚀。线束布置应尽量避开有飞溅物、跌落物区域，若不可避免，应设计保护装置防止线束、插接器被侵蚀、砸伤。

9）在有相对运动部件上布线时，应在各部件上对线束进行固定，且线束应留有一定余量以避免运动过程中被拉扯，如果部件的相对运动频次较高，推荐使用夹布橡胶管作为额外保护层。

10）插接器布置应尽可能保持水平方向，避免水或者其他液体沿着电线渗入插接器内。插接器的安装应尽量避开高温区域，如无法避开，应增加相应的保护措施。插接器不允许安装在油液（如柴油、液压油等）浸泡区域。

3 结束语

由于工程机械设备工况特殊、作业环境恶劣、功能及控制方式复杂，因此其电气系统与汽车相比要求更特殊，本文旨在通过对工程机械线束设计及线路布局的设计分析及方法研究，提高线束及线路可制造性、装配性的同时，从而达到提高了工程机械整机的安全性及可靠性目的[4]。