曹右可

山重建機有限公司

簡述液壓挖掘機智能化設(shè)計探究

曹右可

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挖掘機作為各種土木工程不可或缺的機械工具，其智能化方面的探究不但可以提升挖掘機的工作效率，從很大程度上也能保障操作人員的人身安全，具有重大的科研意義。

液壓挖掘機；智能化設(shè)計；矩陣系統(tǒng)

前言

液壓挖掘機是用來挖掘巖石工程的主要機械。它是用鏟斗上的斗齒切屑土石，將其裝進斗里面，提升鏟斗，接著旋轉(zhuǎn)工作臂至卸土點卸土，再回轉(zhuǎn)至挖掘點進行下一次挖掘的。最為核心的是需要操作員對其進行手柄和行走操縱桿來實現(xiàn)挖掘動作。然而，操作效率的有效提升和操作人員的有著密切的關(guān)系，這需要強度巨大的工作力度和控制精準度。

1 液壓挖掘機的組成

如圖1所示，液壓挖掘機主要由工作裝置、液壓系統(tǒng)、行走裝置、控制系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)裝置、回轉(zhuǎn)平臺、動力裝置和電氣系統(tǒng)。根據(jù)不同的工作設(shè)備，液壓挖掘機可以配備起重、裝載、鉆孔、正鏟、反鏟以及其他不同的裝置，依次完成起重、裝載、鉆探、開挖等工作。

如圖2所示，整個手臂反鏟工作裝置，用于挖掘停機面下面的各種砂石，主要由鏟斗、連桿、搖桿， 鏟斗油缸、斗桿、斗桿油缸、動臂和動臂油缸等部工況等其他類似裝置，整個結(jié)構(gòu)簡單，重量輕。反鏟鏟斗的形狀和大小與工作相關(guān)的對象，一個挖掘機鏟斗可配備各種結(jié)構(gòu)。

圖2 整體動臂反鏟式工作裝置的組成

2 液壓挖掘機智能控制系統(tǒng)設(shè)計

構(gòu)建的智能挖掘機主要有4種模式：

(1)常規(guī)模式常規(guī)模式下操作人員可以通過操作電手柄、電腳踏板來控制挖掘機；

(2)遙控模式遙控模式下操作人員可通過遙控裝置進行遙控操作，且可利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)遠程操作；

(3)智能控制，以減少智能控制在實際操作的復雜性程度為目標。首先，考慮操作模型應(yīng)是圖形輸入模型，依照系統(tǒng)的工作要求，進入預期的作業(yè)模式。智能挖掘機基于需求模型、智能路徑規(guī)劃工作。在工作的過程中，實際的工作路徑不斷與規(guī)劃路徑和修改的需求，然后根據(jù)需求模型挖掘。

首先，操作員可以使用電手柄，通過專用電動油門PLC控制器，電液比例閥組和繼電器發(fā)出指令。電動油門控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速和功率調(diào)整泵和電機。根據(jù)柴油發(fā)動機的外特性曲線我們可以知道，柴油機接近恒扭矩調(diào)節(jié)，其輸出功率與轉(zhuǎn)速的發(fā)生了改變了。油門開度增減，柴油機輸出功率隨之增加或減少。由于輸出轉(zhuǎn)矩基本不變，柴油機速度也相應(yīng)的增加或減少，也就是說，不同的油門開度對應(yīng)不同的柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速。因此，系統(tǒng)增加了速度傳感器監(jiān)測柴油機的油門和力量變化。液壓系統(tǒng)可分為定量系統(tǒng)和變量系統(tǒng)。定量系統(tǒng)是指系統(tǒng)與負載流不會改變，這取決于節(jié)流調(diào)速。

其次，操作員也可以實施遠程遙控。遙控操作主要是利用攝像機把相關(guān)的現(xiàn)場圖像傳輸?shù)竭h程監(jiān)控計算機上，根據(jù)計算機操作員反映情況，使用遠程控制手柄PLC控制挖掘機操作命令。挖掘機工作環(huán)境通常是臟亂差，夏季的陽光照射猛烈，加上操作環(huán)境伴隨危險，在挖拆除建筑物時被廢墟掩埋的情況時有發(fā)生下。通過遠程控制操作，操作者可以坐在舒適的辦公室工作，在危險的工作環(huán)境下可以保證操作員的人身安全。

第三，操作員可以輸入的預期提前挖掘模型，和液壓挖掘機。在這個過程中，關(guān)鍵是液壓挖掘機智能定位和測距。定位技術(shù)方面，目前主要的定位技術(shù)有GPS、AFLT、A—GPS等，定位精度高的為GPS、A—GPS技術(shù)，但其定位精度最高也在10 m左右，完全不能滿足智能挖掘機作業(yè)需要。

3 壓挖掘機三維立體智能視覺矩陣系統(tǒng)設(shè)計

首先假定一個測距傳感器組是由A5×5。共有25個傳感器探頭，水平方向和垂直方向探測器間距是1米，面積范圍距離傳感器探測距離總共4米長和4米寬，區(qū)域為16平方米。在這個范圍內(nèi)每一個距離傳感器可以測量對應(yīng)點之間的距離和距離傳感器，使測量距離矩陣是B5×5。除了紅外傳感器可以測量每點溫度，溫度矩陣設(shè)置C5×5，每一點有兩種類型的識別特征距離和溫度， 此時每個點有兩種標識特征——距離和溫度，設(shè)標識特征的種類數(shù)為N，則可見N越大，越能更清楚地標識該點。

4 液壓挖掘機智能裝載設(shè)計

反鏟鵝頸型液壓挖掘機主要用于建筑行業(yè)， 在挖掘后，考慮的問題是怎么樣讓材料運輸?shù)街匦涂ㄜ嚿稀Ｒ簤和诰驒C一般會旋轉(zhuǎn)約90。材料將被發(fā)送到重型卡車，因為前面的傳感器組直接到前面，在挖掘機的過程中旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一個更大的視角。距離測量傳感器組添加到4組， 且固定于回轉(zhuǎn)裝置與行走部固定位置，這樣的距離測量傳感器組不旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)平臺和工作設(shè)備一齊轉(zhuǎn)動，且具有4個方向的視野。

液壓挖掘機在從前方轉(zhuǎn)到卡車裝料側(cè)時，測距傳感器組1和測距傳感器組2或3會進行信息交流對接，實現(xiàn)工作狀態(tài)實時跟蹤。智能液壓挖掘機在卸料前必須先確定重型卡車的位置，首先，在重型卡車車廂邊緣安裝一條標識帶。在水平方向卡車標識帶若未進入智能挖掘機工作范圍，可通過液壓挖掘機自動調(diào)整位置使其進入視覺范圍，當然調(diào)整距離是有限的，若需遠距離調(diào)整則需要調(diào)整重型卡車位置。

液壓挖掘機在從前面轉(zhuǎn)到卡車裝料側(cè)的時候，測距傳感器組1、組2或組3實現(xiàn)信息的交流對接，以此實現(xiàn)實時跟蹤的工作狀態(tài)。智能液壓挖掘機必須首先確定卸貨前重型卡車的位置。在水平方向上，如果卡車的標記不能進入智能挖掘機相關(guān)的工作范圍，液壓挖掘機可以自動調(diào)整位置的可視距離，當然，調(diào)整的距離具有局限性。

5 液壓挖掘機智能防傾覆設(shè)計

液壓挖掘機和公路行駛汽車相比，行駛狀況會更加麻煩且繁雜 ，上坡和下坡的角度后會更加大，從而大大增加側(cè)翻的概率。有必要研究如何防止液壓挖掘機在工作過程中側(cè)翻。智能液壓挖掘機有常規(guī)模式、遙控模式、智能控制3種模式，利用常規(guī)模式和遠程模式，操作人員將根據(jù)前面的路況，簡單的確定出液壓挖掘機有沒有發(fā)生側(cè)翻，并且通常不帶液壓挖掘機極限位置發(fā)生側(cè)翻的可能性，但是不同的智能控制模式，在人沒有參與的控制之下，這時液壓挖掘機是否會發(fā)生傾覆只能靠液壓挖掘機自身智能判斷控制。

通過科學的分析和研究，液壓挖掘機的側(cè)翻條件已有了相關(guān)結(jié)論。當液壓挖掘機工作裝置的工作方向平行于液壓挖掘機履帶架，液壓挖掘機的最大下坡角是450(斜率45，已是很大)。如果在這個時候和地面摩擦可以確保液壓挖掘機在坡面靜止， 整機重心G只要在L長度范圍內(nèi)，只要液壓挖掘機的L長度范圍內(nèi)不會翻轉(zhuǎn)，如圖10所示，這是最大的坡度，而重心在L和G的區(qū)域內(nèi) ，并且遠離邊界，只要摩擦力度夠大發(fā)生側(cè)翻的幾率微乎其微。