鉆挖一體式挖掘機(jī)設(shè)計(jì)及研究

單根立,劉小強(qiáng),李濱,劉朋

(1.河北科技大學(xué)機(jī)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(jìn)，面對(duì)復(fù)雜多變的地形，只有單獨(dú)一種挖掘機(jī)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(jī)。普通挖掘機(jī)需要搭配鉆孔機(jī)[2-5]進(jìn)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(tái)施工設(shè)備通過，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多種功能快速換裝的問題。設(shè)計(jì)了一款鉆挖一體式挖掘機(jī)，滿足挖掘與鉆孔2種功能[6]。普通挖掘機(jī)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(jī)車身在剛度方面，改變了原有挖掘機(jī)的剛度；主副臂的布置方面，也改變了整個(gè)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(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與中石油項(xiàng)目要求，設(shè)計(jì)了一臺(tái)能實(shí)現(xiàn)2種功能的鉆挖一體式挖掘機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)挖掘與鉆孔快速切換,并設(shè)計(jì)多功能臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)[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(duì)外部信號(hào)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)返回PLC進(jìn)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(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

鉆挖一體式挖掘機(jī)電氣元件布局如圖1所示，其工作原理為：一臺(tái)挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)2種功能,主臂挖掘，副臂鉆孔。主臂挖掘時(shí)，副臂收回充當(dāng)配重;副臂鉆孔時(shí)，主臂收回充當(dāng)配重。通過中間繼電器切換主、副臂動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線，不同轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過多次試驗(yàn)鉆孔工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速對(duì)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(jī)車身上安裝傾角傳感器，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)采集動(dòng)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(zhǎng)，造成車身前傾。一旦報(bào)警，挖掘機(jī)行走馬達(dá)控制繼電器對(duì)先導(dǎo)油液進(jìn)行控制，挖掘機(jī)就會(huì)停止工作，只能向后移動(dòng)不能前進(jìn)。

改造后的鉆挖一體式挖掘機(jī)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(jī)電液控制系統(tǒng)框圖。表1給出了鉆挖一體式挖掘機(jī)的技術(shù)參數(shù)。

圖1 鉆挖一體式挖掘機(jī)電氣元件布局

圖2 鉆挖一體式挖掘機(jī)電液控制系統(tǒng)框圖

表1 鉆挖一體式挖掘機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 液壓與電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)廠家提出的設(shè)計(jì)要求和改造后挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力、流量匹配的特點(diǎn)設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，在流量控制方面進(jìn)行液壓油路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)挖掘與鉆孔終端正常工作。保證挖掘機(jī)在重載和輕載工況條件下，滿足鉆孔時(shí)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(dá)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過與此發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線進(jìn)行對(duì)照與進(jìn)行多次試驗(yàn)，測(cè)得不同轉(zhuǎn)矩下最節(jié)能時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過流量傳感器返回的流量值與要求的流量值進(jìn)行比對(duì)，利用 PLC的模擬量輸出模塊對(duì)變量柱塞泵的比例插裝閥調(diào)節(jié)器控制電路進(jìn)行供電，調(diào)節(jié)合適的電流，匹配要求的流量[13]。由于臺(tái)達(dá)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(jìn)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(diǎn)：液壓回路中的流量由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與變量柱塞泵協(xié)調(diào)配合進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用臺(tái)達(dá)PLC進(jìn)行系統(tǒng)控制，通過臺(tái)達(dá)DOP觸摸屏按鍵進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。采用粗調(diào)與微調(diào)結(jié)合的方法，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)電控液壓回路

液壓原理如圖3所示，其工作原理：行走馬達(dá)由挖掘機(jī)多路閥來(lái)控制，多路換向閥先導(dǎo)油液是挖掘機(jī)先導(dǎo)液壓泵輸入流量。若要控制行走馬達(dá)：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。考慮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(jìn)而控制行走馬達(dá)主油路的壓力、流量。控制的觸發(fā)條件是挖掘機(jī)車身傾斜角度值。當(dāng)傾斜角度超過規(guī)定值時(shí)，PLC通過中間繼電器控制行走馬達(dá)，使得挖掘機(jī)不能再向前行走，觸摸屏界面報(bào)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(diǎn)：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(duì)行走馬達(dá)進(jìn)行控制。控制多路閥先導(dǎo)油液的通斷，減少控制主油路時(shí)壓力高、流量大的難度。行走馬達(dá)進(jìn)出油口獨(dú)立控制，有效控制挖掘機(jī)的姿態(tài)，使得挖掘機(jī)在處于危險(xiǎn)時(shí)保持安全狀態(tài)，等待人工進(jìn)行干預(yù)，避免帶來(lái)嚴(yán)重的安全事故。

2.3 車身平衡電氣控制

工作原理：在挖掘機(jī)主、副臂的動(dòng)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(zhǎng)度與角度，得出挖掘機(jī)實(shí)時(shí)車身長(zhǎng)度。要求車身總長(zhǎng)度不能超過16 700 mm，超過該數(shù)值，挖掘機(jī)觸摸屏報(bào)警，挖掘機(jī)停止工作，需要人工干預(yù)接觸報(bào)警。

技術(shù)特點(diǎn)：通過PLC RS485串口通信傳感器，實(shí)時(shí)采集挖掘機(jī)的動(dòng)臂斗桿角度，借助臂長(zhǎng)伸出長(zhǎng)度公式，通過簡(jiǎn)化挖掘機(jī)的大臂模型，簡(jiǎn)化計(jì)算，得出理論長(zhǎng)度。通過車身長(zhǎng)度限制條件，對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)作進(jìn)行限制，確保行車安全。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC選型與I/O口的分配

根據(jù)鉆挖一體式挖掘機(jī)工作原理，各個(gè)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(gè)執(zhí)行器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，挖掘機(jī)執(zhí)行動(dòng)作時(shí)安全、操作與調(diào)試的自動(dòng)控制，采用PLC作為控制元件。通過對(duì)鉆挖一體式挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，它共包括輸入口4個(gè)，輸出口9個(gè)，RS458串口通信傳感器9個(gè)，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(jī)控制系統(tǒng)I/O口分配

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

3.2 控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

為了方便鉆挖一體式挖掘機(jī)的操作與調(diào)試，利用觸摸屏設(shè)計(jì)了用戶界面。用戶按下啟動(dòng)按鈕，PLC按照設(shè)計(jì)要求開始運(yùn)行程序。PLC通過RS485串口通信傳感器通信傳回?cái)?shù)據(jù)，觸摸屏選擇調(diào)試按鈕，進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)用戶需要進(jìn)行功能選擇，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。控制功能流程如圖4所示。

圖4 鉆挖一體式挖掘機(jī)流程

4 鉆挖一體式挖掘機(jī)理論計(jì)算

4.1 主臂挖掘伸出長(zhǎng)度計(jì)算

鉆挖一體式挖掘機(jī)主臂進(jìn)行挖掘，采用的是SY重工原車的挖掘機(jī)。為了防止挖掘機(jī)挖掘時(shí)向前傾覆，主臂的動(dòng)臂、斗桿、鏟斗旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度不宜過大。如圖5所示，標(biāo)注的角度是與水平線的夾角。具體臂長(zhǎng)按照公式(1)進(jìn)行計(jì)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(zhǎng)度；L3為主臂動(dòng)臂的長(zhǎng)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(dòng)臂與水平線夾角。

圖5 鉆挖一體式挖掘機(jī)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)與坐標(biāo)空間示意

4.2 副臂鉆孔機(jī)伸出長(zhǎng)度計(jì)算

鉆挖一體式挖掘機(jī)副臂采用專用的液壓鉆機(jī)機(jī)械臂，強(qiáng)度滿足鉆削的要求。由于鉆機(jī)功能終端是長(zhǎng)方體，相比于挖掘機(jī)鏟斗有所加長(zhǎng)。當(dāng)主臂收回、副臂鉆機(jī)工作時(shí)，車身有向前傾覆的趨勢(shì)，計(jì)算鉆機(jī)伸出長(zhǎng)度就顯得很重要。鉆機(jī)臂長(zhǎng)按照公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

LFB=L4·cosθ4+L5+cosθ5+L6·cosθ6+B1

(2)

式中：L4為副臂動(dòng)臂的長(zhǎng)度；L5為副臂斗桿的長(zhǎng)度；L6為副臂鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸到鉆機(jī)尖部的距離；θ4為副臂動(dòng)臂與水平線夾角；θ5為副臂斗桿與水平線夾角；θ6為鉆機(jī)機(jī)身與水平線夾角。

4.3 主臂挖掘機(jī)力的計(jì)算

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

為了簡(jiǎn)單計(jì)算，忽略鏟斗與負(fù)載的質(zhì)量，并且忽略各個(gè)構(gòu)件質(zhì)量與機(jī)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(duì)搖臂與斗桿絞點(diǎn)的力臂，m；lc為F1max對(duì)鏟斗與斗桿絞點(diǎn)的力臂，m；F1max為鏟斗設(shè)計(jì)最大挖掘力,N。

通過鏟斗油缸計(jì)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(jìn)過驗(yàn)算Fd1>Fd,挖掘機(jī)設(shè)計(jì)符合要求。

5 結(jié)論

根據(jù)改造后的鉆挖一體式挖掘機(jī)控制要求，通過合理選擇傳感器元件，有針對(duì)性地對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行控制，解決了鉆機(jī)終端與挖掘共存時(shí)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(duì)挖掘機(jī)車身角度、動(dòng)臂角度進(jìn)行采集，閉合控制回路保證挖掘機(jī)的工作與行駛安全，解決了挖掘機(jī)改造過程中人為不可控的難題；利用可編程程序控制器進(jìn)行控制，使該自動(dòng)化設(shè)備按照廠方的要求安全高效工作；利用多桿機(jī)構(gòu)模型計(jì)算力的大小符合要求，為執(zhí)行器控制提供信號(hào)條件，形成閉合回路控制。