搶險救援車全自動快換裝置關鍵技術分析*

陳軍印, 管培鵬, 張 勇

(1.徐州工程機械集團有限公司，江蘇 徐州 221004； 2.江蘇徐工工程機械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004；3.徐工集團高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004)

0 引 言

當前，針對一些自然災害的搶險救援，如地震廢墟清理、堰塞湖疏導、山體滑坡道路疏通、各類災害救援現場清障等主要依靠挖掘機、裝載機、起重機等工程機械完成，在搶險救援過程中，工程機械發揮著越來越重要的作用，但仍然存在著作業功能單一、技術水平低和作業機具互換性差等突出問題，導致救援過程中需要不同工程機械輪流作業，極大地降低了救援效率[1-3]。

隨著工程機械行業及其相關技術的不斷發展，越來越多的通用工程機械在環境適應性、工作靈活性和功能多樣性上得到了大幅度提升，一種配備挖掘臂和多種作業機具的多功能搶險救援車為上述問題的解決提供了新思路，通過更換挖掘臂前端的作業機具，可以實現挖掘、破碎、剪切、抓取、切割、松土、鉆削、銑刨和起重等多種功能[4]，面對災害現場不同的作業狀況，通過快速更換作業機具，大大提高了搶險救援的效率。

為了高效、簡便、安全可靠地實現挖掘臂上不同作業機具之間的快速更換，應用于作業機具連接的快換裝置成為世界各國都在不斷研究的重點，傳統的手動型和半自動型快換裝置已經得到普及和應用，但其安全性、自動化程度和工作效率上仍然存在許多不足，全自動型快換裝置作為近幾年新興的技術，在國外已經得到廣泛應用，此裝置在確保安全性和可靠性的同時，大大提高了作業機具的更換效率。筆者主要針對搶險救援車全自動快換裝置中的一些關鍵技術展開分析，為全自動快換裝置的國產化研究提供一定的技術參考。

1 全自動快換裝置的簡介

所謂全自動快換裝置，是一端安裝在挖掘臂斗桿和連桿上，另一端可與各種作業機具進行機械、液壓或電氣連接的裝置，此裝置的“全自動”主要體現在僅需一人在操縱室操作手柄和按鈕，即可實現快換裝置與作業機具的機械連接、液壓連接和電氣連接，相比傳統的手動型和半自動型快換裝置，省去了人工手動操作機械連接機構、人工手動拔插安全銷、人工手動拔插液壓快速接頭和電氣快速接頭等需要人為參與的環節。

全自動快換裝置的優勢主要體現在：①可同時實現機械、液壓和電氣連接，在保證可靠性的同時，極大地提高了工作效率；②最大程度的減少了人工介入的環節，降低了出錯率，簡化了操作流程，節約了人工成本；③把存在安全隱患的人工操作環節轉移到了具有安全防護的操縱室中，提高了安全性。

目前，全自動快換裝置的關鍵技術主要掌握在歐美國家的一些企業中，例如德國Liebherr的LIKUFIX系統、瑞典Oil Quick的OQ系列、美國CAT的CWAC系列和德國Lehnhoff的Variolock系統等全自動快換裝置，如圖1所示。不同的全自動快換裝置，在本體結構、機械連接、安全鎖緊、液壓和電氣連接上各有異同，但在實現“全自動”方面具有相似的性能。

圖1 四種不同的全自動快換裝置

2 關鍵技術分析

全自動快換裝置的技術含量相對較高，涉及了機、電、液與控制技術等。面對各種復雜的作業內容，一臺全自動快換裝置可與各種統一接口形式的作業機具相連接，如挖斗、液壓剪、破碎錘、巖石鋸、抓手、篩分斗、液壓夯、銑刨頭等作業機具，在這里可把全自動快換裝置視為上耦合件，作業機具上的統一接口結構視為下耦合件，全自動快換裝置與作業機具的連接過程就轉換為上下耦合件進行機、電、液耦合的過程，下面主要針對上耦合件和下耦合件中的關鍵技術展開分析。

2.1 機械連接和鎖緊技術

上耦合件與下耦合件進行連接時，首先需要解決的關鍵問題就是機械連接和安全鎖緊，特別是要確保作業過程中的安全可靠性。最早的手動型快換裝置通過手動操縱連接機構實現機械連接和鎖緊，只能解決無需人工拆卸和裝配銷軸的機械連接問題；隨著快換裝置的不斷發展和迭代，出現了液壓缸代替手工驅動機械連接結構的半自動快換裝置，安全鎖緊上有些通過手動拔插安全銷來實現，有些采用獨立的機械結構確保閉鎖機構始終完全閉合[5]；全自動快換裝置的機械連接和鎖緊結構必須要與快速接頭(液壓和電氣)的自動連接相適應，需要考慮安裝空間、連接形式和鎖緊機構等問題。

分析對比LIKUFIX系統、OQ系列、CWAC系列及Variolock系統，上耦合件與下耦合件進行機械連接和鎖緊時，共經歷了三個過程，每個過程的異同如表1所列，OQ系列全自動快換裝置的三個過程如圖2所示。

表1 不同全自動快換裝置的機械連接過程

圖2 OQ系列全自動快換裝置的工作過程

大部分全自動快換裝置在進行機械連接和鎖緊時，首先需要完成第一連接點的連接，即過程1，這個過程與手動型和半自動型快換裝置類似，需要操縱挖掘臂運動，找到第一銷軸的連接點，并實現連接；在進行第二連接點連接前，上耦合件在挖掘臂的帶動下，必須運動到與下耦合件耦合的正確位置，即過程2，此過程通常有機械限位結構確保上耦合件旋轉運動的終止位置；最后通過油缸驅動機械裝置，實現第二連接點處的機械連接和鎖緊，即過程3；這里的機械裝置常見的有插銷結構、楔形結構和錐銷配合結構，如圖3所示，三種機械裝置在實現機械結構自鎖的同時，可在運動方向上安裝防松彈簧，如圖4所示，進而實現機械雙重保護，而在液壓驅動方面，可通過液壓鎖等液壓技術保證液壓缸持續提供可靠的驅動力，這樣在機械和液壓上同時確保了工作過程中的安全可靠性。

圖3 兩種常見的機械連接和鎖緊裝置

圖4 防松彈簧在楔形鎖緊結構上的應用

2.2 快速接頭及其精準連接技術

為了實現全自動快換裝置與各種作業機具的液壓連接和電氣連接，需要解決兩個方面的關鍵問題：①什么樣的液壓快速接頭和電氣插頭可以用于自動精準連接；②如何在全自動快換裝置上實現多個快速接頭的精準連接。下面主要針對以上兩個問題中的關鍵技術進行詳述，其中電氣插頭用于實現電氣連接的技術與液壓快速接頭的部分技術類似，這里不做詳細分析。

2.2.1 可用于自動精準連接的快速接頭

隨著液壓接頭技術的不斷發展，快速接頭可滿足的壓力和流量等技術參數也在不斷提升。中低壓的ISO7241快速接頭在公稱通徑為20 mm時，可實現最大工作壓力25 MPa，額定流量可達到70 L/min[6]，在進行公母接頭的接通和斷開試驗時，可滿足10000次的循環拔插[7]；中高壓的ISO16028快速接頭在ISO7241快速接頭的基礎上又進行了技術革新，在滿足大流量的同時，最大工作壓力可達到31.5 MPa，公母接頭的接通和斷開循環次數提高到了1 000 000次，極大地提高了工作可靠性[8]。目前，國外許多知名的快速接頭生產廠商都能夠生產制造滿足并優于ISO16028標準的快速接頭，如美國PARKER公司的FE和FF系列、德國STAUFF公司的FH和FF系列、意大利Faster公司的FSH和FFH系列以及瑞典CJEN公司的X64系列和X65系列。

在用于自動精準連接的快速接頭技術研究方面，國內湯志東[9]等提出了將國產ISO16028快速接頭用于自動精準連接的簡便解決途徑，將用于手動鎖緊和連接時使用的鎖緊套和鎖緊鋼球拆除，把公母接頭的鎖緊問題轉變為止退問題，分析了實現自動對接的6個關鍵技術問題，對此類快速接頭用于自動連接的國產化研究提供了理論依據。國外在此類接頭的技術研究上較為領先，并廣泛應用于采取手動方式實現多個快速接頭同時精準連接的場合。如Faster公司生產的多路同步連接系列產品、CJEN公司生產的Multi-X系列多路連接板等，如圖5所示。此類多路同步連接產品中的快速接頭均符合ISO16028技術標準，可在接頭帶壓的情況下實現平面快速連接，在安裝有電氣插頭的情況下，采用相似的技術，同時可實現電氣插頭的快速連接。為了滿足全自動快換裝置生產廠商對快速接頭的特殊需求，CJEN公司專門研制了ADX系列液壓平面自動連接接頭，此接頭轉為定制自動對接解決方案而設計，ADX系列快速公接頭和快速母接頭進行連接時，可容許軸向和徑向兩個方向上較大的不對中誤差，從而實現自動找正對準連接，如圖6所示，此類接頭已經在許多全自動快換裝置上得到應用，如Liebherr的LIKUFIX系統。

圖5 多路同步連接產品 圖6 ADX快速接頭

2.2.2 多個快速接頭的自動精準連接技術

多個快速接頭的手動精準連接技術在上述的多路同步連接產品上已經應用成熟，如圖7所示。

圖7 多路同步連接產品構成

主要組成部分包括快速接頭、安裝平板、導向銷、安全鎖、手柄和防塵蓋等，在使用過程中，首先通過導向銷和手柄上的滑槽機構實現公接頭和母接頭的準確定位，然后利用杠桿原理手動實現公接頭和母接頭連接到位，最后通過安全鎖實現機械完全鎖緊。為了實現全自動快換裝置的自動精準連接，需要將多路同步連接產品中的導向銷技術、滑槽機構和安全鎖緊等幾個方面的技術運用到全自動快換裝置的整體結構中，并通過其它自動化的技術代替手動實現公母接頭的連接和安全鎖緊。

分析目前技術相對成熟的全自動快換裝置，在實現自動精準連接方面的技術各有差異。OQ系列全自動快換裝置產品，通過兩個雙作用單活塞桿液壓缸的驅動和導向銷的導向，在同一水平方向上同時實現機械連接和快速接頭連接，這個過程在上述機械連接和鎖緊的過程3中實現，液壓缸可提供足夠大的止退力確保機械活動爪和液壓接頭不會松脫，同時在正向末端設置有緩沖結構，避免了對快速接頭的沖擊，如圖8所示，國內湯志東[10]等對OQ系列的精準對接技術進行了詳細研究，根據空中加油機對接和深海潛器對接都采用的精準對接策略——測量、調姿和最后固定，提出了數字量和模擬量測量條件下的精準對接理論。

圖8 OQ系列的自動精準連接技術

德國Liebherr的LIKUFIX系統在快速接頭自動精準連接技術的實現上另辟蹊徑，如圖9所示，下耦合件中的快速接頭固定板采用柔性安裝方式[11]，通過四個壓縮彈簧可以調節公母快速接頭耦合過程中六個自由度方向上的偏差，在導向銷的導向作用下，最終實現快速接頭的準確連接，這個過程在上述機械連接和鎖緊的過程2中實現。德國Lehnhoff的Variolock系統同樣通過兩個安裝板分別固定多個公接頭和多個母接頭，如圖10所示，S-block柔性的固定在全自動快換裝置上，A-block直接安裝到作業機具上，快速接頭的連接過程與LIKUFIX系統相似，均是在上述機械連接和鎖緊的過程2中實現，連接過程中S-block可以在短導向銷的作用下自動找正與A-block正確的連接位置。

圖9 LIKUFIX系統 圖10 Variolock系統

多個快速接頭的自動精準連接可總結為以下三個方面的關鍵問題：①快速接頭的固定和安裝，將多個快速接頭同時固定到一個安裝板上，可采用螺紋連接或卡簧固定等連接方式，各個接頭安裝位置之間需要有較高的位置度要求；②導向銷的導向，在公母接頭實現連接前，導向銷和銷孔首先接觸并完成一段配合，從而可實現公接頭安裝板和母接頭安裝板的自動找正 ，在這里需要考慮導向銷的配合長度及相對于快速接頭的安裝位置度要求；③快速接頭安裝板的柔性連接技術，為了實現公母接頭連接時自動找正連接位置，將其中一個安裝板采用柔性固定方式，在導向銷的輔助下即可完成自動找正，此技術對于實現自動精準連接具有重大意義。

2.3 快速接頭的防塵控污技術

全自動快換裝置在與作業機具連接過程中，快速接頭不可避免的需要暴露出來，由于作業環境中的污染源較多，特別是粉塵等一些粘附性的細小顆粒，使得接頭端部容易受到污染，如果不采取防護措施，使用一段時間后，快速接頭就不容易實現自動連接，因此快速接頭的防塵控污技術也比較關鍵。

OQ系列快換裝置采用翻蓋式防塵控污技術，把防塵蓋的翻轉開合運動通過機械結構集成到公母快速接頭的連接過程中，并可實現在公母接頭連接之前，同步打開防塵蓋，在公母接頭斷開之后，同步關閉防塵蓋，如圖11所示，防塵蓋和母接頭安裝板一起運動，通過頂桿實現機械翻轉。CAT的CWAC系列產品在公接頭和母接頭兩個部位均采用了防塵控污技術，如圖12所示，上耦合件采用滑動防塵蓋，下耦合件采用翻轉防塵蓋，使用過程中，防塵蓋與上下耦合件的耦合運動進行聯動，進而實現自動打開和關閉，可全面有效的控制污染物，在不使用時保護快速接頭，確保全自動快換裝置長期使用的可靠性能。

圖11 OQ系列 圖12 CWAC系列

為了實現快速接頭的全面防塵控污，必須做到公母接頭連接時自動打開防塵蓋，公母接頭斷開時自動關閉防塵蓋，這里的自動打開和自動關閉過程需通過機械結構集成到上下耦合件的耦合過程中，比如在上耦合件與下耦合件進行連接時，自動打開防塵蓋的過程在上述機械連接和鎖緊的過程2中實現，通過機械結構實現防塵蓋動作的聯動，這樣不僅能實現對快速接頭全面有效的防護，還節省了其它可能的動力源來實現防塵蓋的運動。

2.4 機具自動識別和故障監測技術

全自動快換裝置可匹配多種作業機具，不同作業機具適用的工況條件、作業內容和工作范圍等各有不同，在實現多種機具連接的同時，要面對不同的復雜作業環境，因此對快換裝置換裝作業機具時的系統判斷準確性和作業過程中的可靠性提出了更高的要求。

目前較為成熟的技術主要包括作業機具自動識別技術和作業過程故障監測技術。面對比較復雜的作業工況，有時候需要同時使用多個作業機具不斷切換，每次換裝新的作業機具后，通過作業機具自動識別技術可以實現控制系統自動判斷全自動快換裝置上連接的作業機具類型，同時自動匹配工作模式、工作范圍等，確保每種作業機具使用的正確性。為了確保工作過程中的連接可靠性和使用安全性，全自動快換裝置的故障監測技術尤為重要，通過故障監測技術可以實時監測快換裝置和作業機具的連接狀態，并及時判斷實際作業過程中外界載荷等因素引起的快換裝置和作業機具連接松脫，確保工作過程的可靠性和安全性。

如圖13所示，Liebherr的LIKUFIX系統在安裝快速接頭的安裝塊上設有傳感器，通過上耦合件和下耦合件上相應位置的傳感器判斷作業機具類型和連接耦合狀態。

圖13 LIKUFIX機具識別和故障監測技術

3 總結和展望

目前全自動快換裝置在歐美一些國家的使用非常廣泛，挖掘機上的裝機率相對也很高，與此同時，其他帶作業機具的工程機械裝備其相關全自動快換技術也在不斷進步，如叉車、裝載機等，將全自動快換技術應用于工程機械作業機具的快速更換，大大提高了工程機械裝備的作業效率，節省了人工成本，使傳統工程機械裝備更好的在搶險救援過程中發揮重要作用。同時全自動快換技術不僅僅應用于工程機械領域，同樣可以滲透到機床行業、汽車行業、航空航天航海等領域，利用全自動快換技術可以輕松解決機、電、液的精準對接問題[12]。

隨著傳感器技術、機器視覺、計算機網絡技術和大數據技術等的不斷發展，未來全自動快換技術將朝著智能化、模塊化和高可靠性的方向不斷發展和進步。在更換作業機具時甚至無需人工操作工作臂，在一定范圍內，上耦合件可自動尋找并識別下耦合件，然后進行自動連接，這樣就省去了上述機械連接和鎖緊的過程1，實現真正意義的“全自動”，同時在作業過程中的信息收集功能、任意工況時作業機具的自動選擇和匹配功能、全自動快換裝置的遠程遙控功能等也將成為未來的發展和研究方向。