單根立,劉小強,李濱,劉朋

(1.河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院,河北石家莊 050018；2.河北華北石油工程建設(shè)有限公司,河北滄州 061000)

0 前言

隨著管道施工的推進，面對復(fù)雜多變的地形，只有單獨一種挖掘機很難完成挖掘作業(yè)[1]。為了適應(yīng)管道施工的要求，中石油提出要研制一款雙臂挖掘機。普通挖掘機需要搭配鉆孔機[2-5]進行作業(yè)。為了節(jié)省施工成本以及解決施工道路狹窄，只能允許一臺施工設(shè)備通過，無法實現(xiàn)多種功能快速換裝的問題。設(shè)計了一款鉆挖一體式挖掘機，滿足挖掘與鉆孔2種功能[6]。普通挖掘機在車身平衡、液壓控制、電氣控制等方面都比較成熟。改造后的挖掘機車身在剛度方面，改變了原有挖掘機的剛度；主副臂的布置方面，也改變了整個車身的平衡重心；改造后的電氣控制上，也提出了新的要求。

根據(jù)普通挖掘機的機械結(jié)構(gòu)與中石油項目要求，設(shè)計了一臺能實現(xiàn)2種功能的鉆挖一體式挖掘機，可以實現(xiàn)挖掘與鉆孔快速切換,并設(shè)計多功能臺進行試驗[7]。設(shè)備通過PLC控制[8]連接外部傳感器采用RS485串口通信對外部信號進行采集，數(shù)據(jù)返回PLC進行處理。通過模擬量輸出模塊控制油門[9]的大小、變量柱塞泵的斜盤傾角[10]，最終輸出廠方要求的施工設(shè)備液壓壓力與流量的參數(shù)匹配。

1 鉆挖一體式挖掘機結(jié)構(gòu)與工作原理

鉆挖一體式挖掘機電氣元件布局如圖1所示，其工作原理為：一臺挖掘機實現(xiàn)2種功能,主臂挖掘，副臂鉆孔。主臂挖掘時，副臂收回充當(dāng)配重;副臂鉆孔時，主臂收回充當(dāng)配重。通過中間繼電器切換主、副臂動作。溢流閥根據(jù)不同功能調(diào)節(jié)所需壓力。轉(zhuǎn)速傳感器采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速，根據(jù)發(fā)動機萬有特性曲線，不同轉(zhuǎn)矩對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過多次試驗鉆孔工況時，發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)變量泵的斜盤傾角，最終調(diào)節(jié)出要求的流量。挖掘機車身上安裝傾角傳感器，實時采集車身的傾斜角度，滿載狀態(tài)下縱向爬坡能力20°，橫向最大抗傾覆能力10°。主臂和副臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處安裝了角度傳感器，實時采集動臂斗桿、鏟斗或者鉆頭的旋轉(zhuǎn)角度，避免主臂(副臂)伸出太長，造成車身前傾。一旦報警，挖掘機行走馬達控制繼電器對先導(dǎo)油液進行控制，挖掘機就會停止工作，只能向后移動不能前進。

改造后的鉆挖一體式挖掘機電液控制系統(tǒng)主要由先導(dǎo)比例減壓閥、閥控液壓缸、PLC控制器、終端壓力傳感器、流量變送器、傾角傳感器、角度傳感器以及比例放大器等組成[11-12]。

系統(tǒng)分為數(shù)字和模擬兩部分，通過RS485串口通信傳感器與模擬量輸出模塊D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成混合系統(tǒng)。圖2所示為鉆挖一體式挖掘機電液控制系統(tǒng)框圖。表1給出了鉆挖一體式挖掘機的技術(shù)參數(shù)。

圖1 鉆挖一體式挖掘機電氣元件布局

圖2 鉆挖一體式挖掘機電液控制系統(tǒng)框圖

表1 鉆挖一體式挖掘機技術(shù)參數(shù)

2 液壓與電氣系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)廠家提出的設(shè)計要求和改造后挖掘機液壓系統(tǒng)的壓力、流量匹配的特點設(shè)計液壓系統(tǒng)，在流量控制方面進行液壓油路的設(shè)計，實現(xiàn)挖掘與鉆孔終端正常工作。保證挖掘機在重載和輕載工況條件下，滿足鉆孔時小壓力、大流量的要求。系統(tǒng)主要由三部分組成：壓力、流量控制電液回路，行走馬達電液回路，車身平衡電氣控制回路。

2.1 壓力、流量控制電液回路

工作原理：轉(zhuǎn)速傳感器采集鉆挖一體式挖掘機發(fā)動機轉(zhuǎn)速，通過與此發(fā)動機的萬有特性曲線進行對照與進行多次試驗，測得不同轉(zhuǎn)矩下最節(jié)能時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，通過流量傳感器返回的流量值與要求的流量值進行比對，利用 PLC的模擬量輸出模塊對變量柱塞泵的比例插裝閥調(diào)節(jié)器控制電路進行供電，調(diào)節(jié)合適的電流，匹配要求的流量[13]。由于臺達PLC只能提供0～20 mA的電流或者0～10 V的電壓，需要配合比例功率放大器，將電流進行放大，從而控制油門(0～10 V)和泵的斜盤(0～750 mA)。

技術(shù)特點：液壓回路中的流量由發(fā)動機轉(zhuǎn)速與變量柱塞泵協(xié)調(diào)配合進行調(diào)節(jié)。利用臺達PLC進行系統(tǒng)控制，通過臺達DOP觸摸屏按鍵進行手動調(diào)節(jié)。采用粗調(diào)與微調(diào)結(jié)合的方法，實時調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與柱塞泵的斜盤傾角，最終滿足不同終端作業(yè)的工作要求。

2.2 行走馬達電控液壓回路

液壓原理如圖3所示，其工作原理：行走馬達由挖掘機多路閥來控制，多路換向閥先導(dǎo)油液是挖掘機先導(dǎo)液壓泵輸入流量。若要控制行走馬達：一是可以控制主泵與副泵合流后的液壓油；二是控制多路換向閥先導(dǎo)油液?？紤]控制過程壓力和流量較大，最終通過控制多路閥先導(dǎo)油液進而控制行走馬達主油路的壓力、流量?？刂频挠|發(fā)條件是挖掘機車身傾斜角度值。當(dāng)傾斜角度超過規(guī)定值時，PLC通過中間繼電器控制行走馬達，使得挖掘機不能再向前行走，觸摸屏界面報警，當(dāng)前作業(yè)立刻停止。理論要求滿載狀態(tài)下縱向最大爬坡能力20°，橫向最大抗顛覆能力10°。

圖3 液壓原理

技術(shù)特點：采用閉環(huán)控制，傳感器采集角度數(shù)據(jù)，根據(jù)角度的大小，對行走馬達進行控制?？刂贫嗦烽y先導(dǎo)油液的通斷，減少控制主油路時壓力高、流量大的難度。行走馬達進出油口獨立控制，有效控制挖掘機的姿態(tài)，使得挖掘機在處于危險時保持安全狀態(tài)，等待人工進行干預(yù)，避免帶來嚴重的安全事故。

2.3 車身平衡電氣控制

工作原理：在挖掘機主、副臂的動臂、斗桿、鏟斗回轉(zhuǎn)軸處安裝角度傳感器，通過傳感器采集角度值，經(jīng)過換算得出關(guān)節(jié)長度與角度，得出挖掘機實時車身長度。要求車身總長度不能超過16 700 mm，超過該數(shù)值，挖掘機觸摸屏報警，挖掘機停止工作，需要人工干預(yù)接觸報警。

技術(shù)特點：通過PLC RS485串口通信傳感器，實時采集挖掘機的動臂斗桿角度，借助臂長伸出長度公式，通過簡化挖掘機的大臂模型，簡化計算，得出理論長度。通過車身長度限制條件，對挖掘機動作進行限制，確保行車安全。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC選型與I/O口的分配

根據(jù)鉆挖一體式挖掘機工作原理，各個傳感器元件與執(zhí)行器件之間屬于典型的閉環(huán)控制。為了確保各個執(zhí)行器采集數(shù)據(jù)的準確，挖掘機執(zhí)行動作時安全、操作與調(diào)試的自動控制，采用PLC作為控制元件。通過對鉆挖一體式挖掘機液壓控制系統(tǒng)進行分析，它共包括輸入口4個，輸出口9個，RS458串口通信傳感器9個，2組模擬量輸出模塊接口。I/O分配表如表2所示。

表2 鉆挖一體式挖掘機控制系統(tǒng)I/O口分配

根據(jù)挖掘機控制系統(tǒng)要求的I/O口數(shù)量以及挖掘機配套傳感器的技術(shù)要求，選取型號為臺達AS228T-A PLC。

3.2 控制系統(tǒng)流程設(shè)計

為了方便鉆挖一體式挖掘機的操作與調(diào)試，利用觸摸屏設(shè)計了用戶界面。用戶按下啟動按鈕，PLC按照設(shè)計要求開始運行程序。PLC通過RS485串口通信傳感器通信傳回數(shù)據(jù)，觸摸屏選擇調(diào)試按鈕，進行調(diào)試，根據(jù)用戶需要進行功能選擇，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)?？刂乒δ芰鞒倘鐖D4所示。

圖4 鉆挖一體式挖掘機流程

4 鉆挖一體式挖掘機理論計算

4.1 主臂挖掘伸出長度計算

鉆挖一體式挖掘機主臂進行挖掘，采用的是SY重工原車的挖掘機。為了防止挖掘機挖掘時向前傾覆，主臂的動臂、斗桿、鏟斗旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度不宜過大。如圖5所示，標注的角度是與水平線的夾角。具體臂長按照公式(1)進行計算：

LzB=L3·cosθ3+L2·cosθ2+L1·cosθ1+A1

(1)

式中：L1為主臂鏟斗的旋轉(zhuǎn)軸到鏟斗尖的距離；L2為主臂斗桿的長度；L3為主臂動臂的長度；θ1為鏟斗軸與水平線夾角；θ2為主臂斗桿與水平線夾角；θ3為主臂動臂與水平線夾角。

圖5 鉆挖一體式挖掘機機械臂結(jié)構(gòu)與坐標空間示意

4.2 副臂鉆孔機伸出長度計算

鉆挖一體式挖掘機副臂采用專用的液壓鉆機機械臂，強度滿足鉆削的要求。由于鉆機功能終端是長方體，相比于挖掘機鏟斗有所加長。當(dāng)主臂收回、副臂鉆機工作時，車身有向前傾覆的趨勢，計算鉆機伸出長度就顯得很重要。鉆機臂長按照公式(2)進行計算：

LFB=L4·cosθ4+L5+cosθ5+L6·cosθ6+B1

(2)

式中：L4為副臂動臂的長度；L5為副臂斗桿的長度；L6為副臂鉆機的旋轉(zhuǎn)軸到鉆機尖部的距離；θ4為副臂動臂與水平線夾角；θ5為副臂斗桿與水平線夾角；θ6為鉆機機身與水平線夾角。

4.3 主臂挖掘機力的計算

為了進一步計算鉆挖一體式挖掘機，主臂鏟斗油缸的推力，對基本參數(shù)進行設(shè)定。經(jīng)過查詢資料，油缸活塞直徑為190 mm。

為了簡單計算，忽略鏟斗與負載的質(zhì)量，并且忽略各個構(gòu)件質(zhì)量與機械效率的影響，鏟斗油缸作用力用公式(3)表示：

(3)

式中：l1為鏟斗油缸作用力對搖臂與斗桿絞點的力臂，m；lc為F1max對鏟斗與斗桿絞點的力臂，m；F1max為鏟斗設(shè)計最大挖掘力,N。

通過鏟斗油缸計算鏟斗油缸的作用力：

Fd1=p·A

(4)

式中：p為系統(tǒng)壓力為25 MPa；A為鏟斗油缸活塞面積。進過驗算Fd1>Fd,挖掘機設(shè)計符合要求。

5 結(jié)論

根據(jù)改造后的鉆挖一體式挖掘機控制要求，通過合理選擇傳感器元件，有針對性地對挖掘機進行控制，解決了鉆機終端與挖掘共存時液壓系統(tǒng)壓力與流量要求不同的難題；通過RS485串口通信通信模塊對挖掘機車身角度、動臂角度進行采集，閉合控制回路保證挖掘機的工作與行駛安全，解決了挖掘機改造過程中人為不可控的難題；利用可編程程序控制器進行控制，使該自動化設(shè)備按照廠方的要求安全高效工作；利用多桿機構(gòu)模型計算力的大小符合要求，為執(zhí)行器控制提供信號條件，形成閉合回路控制。