打开文本图片集

摘要：随着挖掘机在基建等领域的广泛应用，燃油油位显示系统的准确性对挖掘机作业安全至关重要。文章针对挖掘机作业工况介绍一种燃油显示系统燃油箱油位容量、油位显示范围、接地、采样、滤波及报警设定等策略，实现在挖掘机在信号干扰、颠簸行走、突然回转或回转急刹、坡上作业等特殊工况下准确和平稳显示，解决了困扰挖掘机驾驶员燃油油位显示异常问题，通过市场终端验证，达到挖掘机行业标准要求。

关键词：油位显示；设计方法；控制策略；挖掘机

引言

目前挖掘机使用的燃油油位传感器多为滑动变阻器式的油位传感器。挖掘机燃油油位显示是通过油位传感器电阻的变化而实现的。由于挖掘机作业环境非常恶劣：作业地面通常不平整的、整机振动大、且常有突然回转或回转急刹、上下坡等情况，以上情况均会引起燃油箱里燃油液面晃动进而产生燃油油位波动；另外挖掘机油位传感器经常接触劣质燃油，以及整车电器线束如设计不当等因素，也会对挖掘机燃油油位显示产生干扰；如在报警零界点还产生燃油油位低报警。如不妥善处理，将影响挖掘机正常作业，引起客户抱怨。本文将针对上述影响挖掘机油位显示问题逐一研究并提出解决方案，具有非常重要的现实意义。

1 挖掘机燃油显示工作原理

挖掘机燃油显示系统主要由钥匙开关、显示器、主控制器（VCU）及油位传感器组成（见图1）。

目前多数挖油位传感器为浮子式滑动变阻器（见图2），俗称“油浮子”。

其工作原理是油位传感器浮球随着燃油箱中油位浮动；浮球通过钢丝连杆带动

内装的滑动电阻器移动，进而输出不同电阻；主控制通过采集的油位传感器输

出电阻变化而转化为变化电压，从而折算燃油油位的高度的变化[1]。

挖机主控制器（VCU）系统软件通过信号处理把燃油油位百分比信号通过CAN总线发送至挖机显示器显示。挖掘机驾驶员在作业时，通常希望及时、准确了解油箱中的油量剩余多少，以判断挖掘机是否需要加油并合理选择作业模式、油门档位。因此，燃油油位显示准确性非常重要。影响挖掘机的油位信号采集的干扰因素有很多，例如挖掘机作业时整机振动大、回转晃动大造成的燃油箱晃动对油位信号的干扰；挖掘机上坡或下坡作业时燃油箱倾斜频繁变化产生的干扰；油位传感器接地不良造成的干扰；空调、大灯及报警器等大功率电器造成的干扰；油位传感器经常接触劣质燃油造成电阻器触点磨损或腐蚀产生的失效故障。另外挖掘机经常工作在离工地加油点相对较远的地点，油位报警甚至油位显示为0时，要确保挖掘机在怠速档位可依靠自身动力达到加油点。为解决以上问题，本文将

提出挖掘机燃油油位显示系统设计方法及其控制策略，以确保油位显示信号的准确性及稳定性。

2 油位显示系统硬件设计

2.1油位传感器选型设计

挖掘机燃油油位显示系统最关键元件是油位传感器设计。一般挖掘机用油位传感器有单线制和双限制两种。这两种主要是区别是接地方式不同。单线制油位传感器只有输出信号线，无接地线；依靠外壳与燃油箱外壁直接接触，然后通过燃油箱安装点与车架接触而接地。其优点是结构简单，价格相对便宜；缺点是接地易发生接地不良现象，原因是单线制油位传感器与燃油箱之间的安装面，或者油箱与车架的安装孔易发生油漆等不良或锈蚀等现象而导致接地异常。

双线制油位传感器（见图3）有信号线和接地线两根线，在线束设计时，务必将油位传感器接地线直接与挖掘机蓄电池负极接地线连接，以保持接地信号的稳定性，这对油位传感器的输出准确性至关重要。相对于单线制油位传感器，双线制有如下优势：①单独的接地线；②其接地信号不会受到类似燃油箱与整车车架固定孔油漆屏蔽不良或生锈造成的接地不良影响；③不会受到工作灯、平台灯或空调等挖掘机大功率电气部件的电流的干扰。。因此，在油位传感器设计选型优先建议选择双线制油位传感器。

2.2 燃油箱容量及油位传感器安装位置设计

挖掘机大多在离加油点较远地方施工，为了确保挖掘机即使在油位0的情况下，依然可以依靠自身动力达到加油点，因此在燃油箱容量及油位传感器安装点设计时要特别注意。例如某20T型号挖掘机平均油耗为17L/h，为保证该型挖掘机在中途不加油情况下可至少连续工作20小时，一般油箱容量设计至少为340L。挖掘机通用的油位传感器的量程为500mm（见表1），油位传感器的安装点即中间点在量程中点250mm位置。为了确保挖掘机在油位显示为为0（即油位传感器量程最低点）时，挖掘机还能至少工作2小时，才能确保挖掘机可以依靠自身动力达到加油点。按照该型挖掘机平均油耗17/h计算，挖掘机工作2小时需要2*17=34L燃油，即为油箱总油量的10%。因此，油位传感器最低点至油箱底部的之间容积至少为燃油箱总容量的10%。

3 挖掘机油位显示控制策略

3.1 挖掘机油位显示控制技术难点

除硬件设计外，软件控制策略在油位准确显示中起到关键作用。前文已提到，相对于汽车，挖掘机作业工况复杂多样，例如矿山开采，道路修建和建筑拆除等，作业时动臂、斗杆、铲斗等部件的速度和负载不断变化，整机冲击及振动大；且挖掘机作业时上车原地回转后急停频率非常高，整车左右晃动大。由于燃油箱固定在挖掘机上车车身上，必然会引起燃油箱内燃油油面上下、前后、左右波动。如果不采取滤波控制策略，挖掘机主控制器（VCU）采样到的油位信号经常存在波动，无法准确显示真实的油耗情况。

一般地，在软件控制算法中引入滞后滤波算法来解决油位电压信号波动问题，即采用一阶滤波方式。其具体算法如下，主控制器（VCU）采用一定频率进行采样，判断当前采样值Vd 是否大于新值Vn，如果Vd=Vn 的话，滤波系数a=0，那么燃油的目标值Vt=Vn，燃油油位保持不变。如果Vd<Vn 或Vd>Vn，然后判断第二次是否一致，如果是，则表明变化方向一致，则f=f+1，即提高采样新值的权重系数，如果不是，f 归零。则目标值Vt=Vd+（Vn-Vd）×a/f，这样，通过设定合理的滤波常数f，就可消除突变信号的影响，也就能够避免干扰和波动。

但是存在以下技术难点：由于滤波算法中存在滞后性，其响应特性有延迟。当挖掘机启动时，油位计先于控制器完成启动，此时，控制器发送到总线上的油量信号默认为0%，即显示器上油位表显示为0。当控制器完成启动，主控制器（VCU）开始采集油位传感器的信号，此时滤波算法运行，经过不断地迭代才会显示油位的真实值。因此，该过程会花费一定的时间，不能及时显示油位的正确值，会给驾驶员带来一定的错觉和困扰。

3.2 挖掘机作业时油位显示控制策略

为解决以上技术问题，本文提供如下挖掘机油位显示控制策略：

1、主控制器（VCU）通过获取油位传感器的油位信号，经过滤波分析[2]，得到当前待验证的油位实际变化率Fd；

2、主控制器（VCU）内置限制油位变化率控制程序，设定限制油位变化率的标准值。在挖掘机作业过程中，主控制器（VCU）启动限制油位变化率程序，从而

获取限制油位变化率的标准值F0。

3、主控制器（VCU）判断当前待验证的油位实际变化率Fd与限制油位变化率

的标准值F0关系，进而实现对实际油位显示数值的正确数值的输出和显示；

4、当主控制器（VCU）判断所述当前待验证的油位实际变化率Fd大于或是等

于所述限制油位变化率的标准值F0时，所述主控制器（VCU）自动过滤掉当前待验证的油位实际变化率的滤波信号中比所述限制变化率大于或相等的滤波信号部分，从而得到限制过滤后的滤波信号；此时主控制器（VCU）将限制过滤的滤波信号反映的油位变化率Fn作为实际油位变化率的真实值，并根据所述限制后的滤波信号得到当前的实际油位变化率的数值，进行输出和显示；

5、当主控制器（VCU）判断所述当前待验证的油位实际变化率Fd小于所述限制油位变化率的标准值F0时，主控制器（VCU）则以所述当前待验证的实际油位变化率Fd作为实际油位变化率的真实值，并根据所述当前待验证的油位实际变化率的滤波信号得到当前的实际油位变化率的数值，进行输出和显示。（见图4）

3.3 挖掘机熄火及上电时油位控制策略

除了挖掘机常规作业时油位显示控制策略外，在熄火及上电阶段还需执行自动熄火油位信息存储控制策略，具体如下：

1、主控制器（VCU）将在熄火之前实时采集油位信号；

2、主控制器（VCU）实时接收熄火指令，并在接到熄火指令后，将实时采集到的油位信号通过CAN 总线传送到显示器；

3、在熄火断电时，将上述实时采集的油位信号进行计算得到油位剩余信息；将油位剩余信息自动存储在显示器的寄存器中。

在挖掘机启机上电时，主控制器（VCU）则接到上电指令，自动调取存储在寄存器中的油位剩余信息，并对自动读取寄存器里存储的油位剩余信息，并快速在显示器上予以显示。

4 其他油位传感器存在问题解决办法

根据实际使用情况，国内挖掘机用燃油品质参差不齐，油位传感器在燃油箱长期与燃油接触，在工作一段时间（如3月以上）后油位传感器滑动变阻器触点上经常会积累一层油污。如果不定期清洗，会产生油位传感器滑动变阻器触点接触不良，甚至出现触点磨损损坏故障，造成油位传感器输出信号异常，影响油位正常显示。

为解决上述问题，建议在挖掘机操作保养手册上规定每3个月或1000h由维保服务人员须对油位传感器进行定期清理、清洗。具体建议操作如下：

所需工具：燃油加注泵、油桶、清洗剂、万用表、内六角、抹布等。

1、将挖掘机放到平地并熄火，用燃油加注油泵将燃油箱中的柴油抽放干净。

2、将油位传感器从燃油箱上拆卸下来。

3、清洗剂将油位传感器上滑动电阻器金属触点上油污清洗干净。严禁用水或其他工具进行冲洗或清理，以避免触点生锈或对触点造成损伤。

4、清洗完成后，将万用表设定为电阻档，将红、黑表笔分别连接至双线制油位传感器的输出端、接地端，然后手动缓慢来回摆动油位传感器的钢丝连杆，同时观察万用表上电阻值变化，如发现测试电阻与表1存在明显差异或电阻值跳变情况，说明油位传感器滑动电阻器触点已损坏，则需更换新的油位传感器

5、测试通过后，将油位传感器安装回燃油箱，并用燃油加注泵对挖掘机加注燃油。

5试验验证

以上所论述的液压挖掘机燃油油位显示设计方法及控制策略，在某型挖掘机上，通过了系列的油位显示一致性试验验证及可靠性耐久验证，见表2。

6 结论

目前液压挖掘机在社会基础建设中发挥着无可替代的作用，而确保燃油油位的准确性对液压挖掘机正常作业至关重要。本文所述的燃油油位系统设计方案及控制策略经测试可有效解决影响挖掘机燃油油位显示准确性的问题，且目前已在某品牌中型挖掘机上批量应用，并经过终端市场验证，得到客户的广泛认可。

参考文献：

[1]陆爱萍，邓华.《汽车燃油表控制策略研究》.汽车实用技术 p20-p21.

[2]尹海，刘志远.《车辆燃油波动模型分析及滤波方法研究》.中国控制会议 p20-p21.

作者简介：熊云飞1983年2月，男，籍贯：湖北省红安县，汉，本科，工程师，研究方向：机械与自动化