杜紅波,張 超,賈寶珊

(洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司, 河南 洛陽市 471500)

0 引 言

作為工程建設(shè)中的重要設(shè)備,挖掘機在工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利水電、礦山采掘以及軍事工程等施工中起著極為重要的作用。國內(nèi)現(xiàn)有的挖掘機基本上采用人工操作方式,要求駕駛員具有較高的駕駛水平,例如平整作業(yè)要保證作業(yè)精度,需要操作者具有足夠的經(jīng)驗和判斷力,目測并同時操縱幾個手柄才能完成工作循環(huán)中的提升、推壓、回轉(zhuǎn)等協(xié)調(diào)操作。作業(yè)的勞動強度大,在進(jìn)行挖掘操作時,操作者需要在視覺和聽覺的基礎(chǔ)上,依靠經(jīng)驗知識進(jìn)行推理以對挖掘過程進(jìn)行控制和監(jiān)視,體力和腦力消耗極大;另外,工作環(huán)境惡劣,常常伴有強烈的震動、噪音和灰塵,有時甚至面臨塌方、輻射、爆炸以及化學(xué)物等威脅,嚴(yán)重危及工作者的身心健康乃至生命。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,挖掘機機器人化是未來的發(fā)展方向,而無線遙控技術(shù)在其中占有十分重要的地位[1-2]。

洛鉬集團(tuán)三道莊露天礦有將近50年的生產(chǎn)歷史,礦山工作環(huán)境十分特殊,露天采場下有面積達(dá)120萬m2,空區(qū)體積達(dá)1800萬m3的采空區(qū)[3-4]。由于采空區(qū)受到長時間暴露以及爆破震動的影響,采空區(qū)的位置與界線均發(fā)生了改變。原來小空區(qū)可能已經(jīng)因塌落堆積已不復(fù)存在,但大多數(shù)空區(qū),因原有的礦柱受到剝落與破壞,小采空區(qū)會變成大采空區(qū)。民采多層空區(qū)也可能上下連成一片,成為嚴(yán)重威脅露天開采人員和設(shè)備的大采空區(qū)[5-6]。雖然采用了各種監(jiān)測手段,能探明采空區(qū)的位置,但實際開采時,如果采用傳統(tǒng)設(shè)備,萬一發(fā)生塌陷,有可能發(fā)生重大的人員傷亡事故,如2007年9月8日,在露天臺階1402水平南部發(fā)生塌陷事故,1臺挖掘機塌入地下采空區(qū)內(nèi);2012年5月,1臺潛孔鉆機在采場作業(yè)期間因臺階塌陷被埋等[7-11]。為了消除安全隱患,實施遙控操作挖掘機的研發(fā),該技術(shù)的研發(fā)成功將大大擴(kuò)大挖掘機的使用范圍,具有重要的現(xiàn)實意義和推廣價值[12-13]。

1 SW系列挖掘機遠(yuǎn)程遙控改造

1.1 挖掘機遠(yuǎn)程遙控原理及改造技術(shù)

在完全不改動挖掘機本身液壓操控系統(tǒng)的情況下,在挖掘機原有的操控手柄和腳踏板上,各增加1個小型的伺服系統(tǒng),直接驅(qū)動手柄和腳踏的動作。該伺服系統(tǒng),采用模擬量控制,在接收到遠(yuǎn)程控制信號后,可以精準(zhǔn)地將遠(yuǎn)程控制信號,還原成手柄和腳踏的位移量和速度值,從而控制挖掘機的各種動作。挖掘機遠(yuǎn)程操控原理如圖1所示。本系統(tǒng)的最大特點是不改變原有挖掘機自身的控制系統(tǒng),只需增加1套此專利涉及的系統(tǒng),即可將傳統(tǒng)挖掘機改造成遠(yuǎn)程控制挖掘機。針對已投入使用的挖掘機,由于改造成本低,改造工作量小,極易推廣使用。挖掘機遠(yuǎn)程遙控操控器如圖2所示。

圖2中,左手柄伺服控制系統(tǒng)①安裝在挖掘機左手柄上,右手柄伺服控制系統(tǒng)②安裝在挖掘機右手柄上,左腳踏伺服控制系統(tǒng)③安裝在挖掘機左腳踏上,右腳踏伺服控制系統(tǒng)④安裝在挖掘機右腳踏上。左右手柄伺服控制系統(tǒng)①、②通過手柄拔叉⑤分別與挖掘機左右手柄相連;左右腳踏伺服系統(tǒng)③、④通過腳踏聯(lián)軸器⑥分別與挖掘機左右腳踏相聯(lián)。

圖1 挖掘機遠(yuǎn)程操作遙控原理

圖2 挖掘機遠(yuǎn)程遙控操控

1.2 遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)

挖掘機遠(yuǎn)程遙控主要通過以下5個系統(tǒng)實現(xiàn)：手柄操控系統(tǒng)、腳踏操控系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。

手柄操控系統(tǒng)：在挖掘機的操控手柄上,增加1套伺服電機,通過齒輪將電機和手柄聯(lián)接。遠(yuǎn)程控制端,在操控手柄下面設(shè)置1個電位器,當(dāng)遠(yuǎn)程操控手柄電位器時,電位模擬量通過4G網(wǎng)絡(luò)傳送給挖機上的中央處理器,中央處理器將電位模擬量還原成伺服電機的坐標(biāo)位移,此坐標(biāo)位移量與遠(yuǎn)程端的操控手柄一致。通過以上方法,完成挖掘機的左手柄/右手柄動作。手柄遙控系統(tǒng)如圖3所示。

腳踏操控系統(tǒng)：在挖掘機的前進(jìn)/后退腳踏上,裝配1個伺服電機,伺服電機通過聯(lián)軸器傳動,分別與左腳踏和右腳踏轉(zhuǎn)動軸相聯(lián)。遠(yuǎn)程控制端,在操控手柄下面設(shè)置1個電位器,當(dāng)遠(yuǎn)程操控手柄電位器時,電位模擬量通過4G網(wǎng)絡(luò)傳送給挖機上的中央處理器,中央處理器將電位模擬量還原成伺服電機的角位移,此角位移量與遠(yuǎn)程端的操控手柄一致。通過以上方法,實現(xiàn)挖掘機前進(jìn)/后退動作。

圖3 手柄遙控系統(tǒng)

圖4 腳踏操控系統(tǒng)

動力控制系統(tǒng)：在發(fā)動機的油門拉線上,并聯(lián)1根油門拉線,此油門拉線由油門伺服電機驅(qū)動。在遠(yuǎn)程控制端油門旋鈕下面設(shè)置1個電位器,當(dāng)人工轉(zhuǎn)動電位器時,電位模擬量通過4G網(wǎng)絡(luò)傳送給挖掘機上的中央處理器,中央處理器將電位模擬量還原成伺服電機的角位移,此角位移量與遠(yuǎn)程端的油門旋鈕角度一致。通過以上方法,完成挖掘機的遠(yuǎn)程油門加減過程。另外,在挖掘機的點火開關(guān)和熄火開關(guān)電路上,各并聯(lián)1個繼電器,此繼電器由中央處理器驅(qū)動,分別遠(yuǎn)程控制挖機的點火/熄火動作。

輔助系統(tǒng)：在挖掘機上設(shè)置了發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器,發(fā)動機水溫傳感器,發(fā)動機機油壓力傳感器,這些信號統(tǒng)一實時反饋給中央處理器,中央處理器同時根據(jù)監(jiān)測值分別控制各系統(tǒng),進(jìn)行報警/限速或緊急停車處理。

遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)：遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)如圖5所示,包括以下功能。點火：非自鎖點動按鈕;熄火：非自鎖點動按鈕;油門：自保持模擬量旋鈕;急停按鍵：緊急停止遙控器工作,并使接收機第一時間做出反應(yīng),并復(fù)位到預(yù)設(shè)狀態(tài);斗桿挖掘/卸載：自復(fù)位手柄電位器,電阻值0～10Ω;左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)：自復(fù)位手柄電位器,電阻值0～10Ω;鏟斗挖掘/卸載：自復(fù)位手柄電位器,電阻值0～10Ω;大臂上升/下降：自復(fù)位手柄電位器,電阻值0～10Ω;高低速切換開關(guān)：兩位自保持選擇開關(guān)。

圖5 遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)

1.3 無線傳輸性能指標(biāo)

(1)無線通訊指標(biāo)。頻率：430～446 MHz;通訊距離：大于1000 m(目視距離);頻道間隔：250 k Hz;頻道數(shù)：64;調(diào)制方式：GFSK。

(2)發(fā)射機指標(biāo)。發(fā)射功率：10 m W;天線阻抗：50Ω;使用溫度：－20℃～＋70℃;防水性：IP65;電源：鎳氫電池組7.2 V/1650 m A;工作時間：大于8 h。

(3)接收機指標(biāo)。接收靈敏度：－110 dbm;天線阻抗：50Ω;使用溫度：－20℃～＋70℃;耐沖擊：50 G;防水性：IP65;電源：DC9－24 V(極限：8～32 V)。

2 現(xiàn)場應(yīng)用效果探討

2016年3月三道莊露天礦試驗改造了2臺挖掘機,為滿足2017年空區(qū)作業(yè)需求,2017年又改造完成1臺遙控挖掘機。遠(yuǎn)程遙控挖掘機現(xiàn)場工作情況如圖6所示。項目研發(fā)成功后,通過無人挖掘機、無人鉆機、無人駕駛汽車的高效作業(yè),與2015年相比,多回收殘礦82萬t,礦石單價以200元估算,新增產(chǎn)值1.64億元。同時,通過對挖掘機進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控,保障了工作人員的人身安全,降低了空區(qū)塌陷的潛在危險。

圖6 遠(yuǎn)程遙控挖掘機現(xiàn)場作業(yè)

3 結(jié) 論

洛鉬集團(tuán)三道莊露天采場下具有面積達(dá)120萬m2,空區(qū)體積達(dá)1800萬m3的采空區(qū)。為應(yīng)對采空區(qū)對工作人員帶來的潛在威脅,礦山公司對SW系列挖掘機進(jìn)行了遠(yuǎn)程遙控改造。在完全不改動挖掘機本身液壓操控系統(tǒng)的情況下,在挖掘機原有的操控手柄和腳踏板上,各增加一個小型的伺服系統(tǒng),直接驅(qū)動手柄和腳踏的動作。該伺服系統(tǒng)采用模擬量控制,在接收到遠(yuǎn)程控制信號后,可以精準(zhǔn)地將遠(yuǎn)程控制信號還原成手柄和腳踏的位移量和速度值,從而控制挖掘機的各種動作。通過無人挖掘機、無人鉆機、無人駕駛汽車的高效作業(yè),公司新增產(chǎn)值1.64億元,同時極大地保障了工作人員的人身安全。該改造項目獲得2017年度中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎。