鉆挖一體式挖掘機設計及研究

單根立,劉小強,李濱,劉朋

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

0 前言

隨著管道施工的推進，面對復雜多變的地形，只有單獨一種挖掘機很難完成挖掘作業[1]。為了適應管道施工的要求，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。為了節省施工成本以及解決施工道路狹窄，只能允許一臺施工設備通過，無法實現多種功能快速換裝的問題。設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。

根據普通挖掘機的機械結構與中石油項目要求，設計了一臺能實現2種功能的鉆挖一體式挖掘機，可以實現挖掘與鉆孔快速切換,并設計多功能臺進行試驗[7]。設備通過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，數據返回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備液壓壓力與流量的參數匹配。

1 鉆挖一體式挖掘機結構與工作原理

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2種功能,主臂挖掘，副臂鉆孔。主臂挖掘時，副臂收回充當配重;副臂鉆孔時，主臂收回充當配重。通過中間繼電器切換主、副臂動作。溢流閥根據不同功能調節所需壓力。轉速傳感器采集發動機轉速，根據發動機萬有特性曲線，不同轉矩對應不同的轉速。經過多次試驗鉆孔工況時，發動機不同轉速對應變量泵的斜盤傾角，最終調節出要求的流量。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°。主臂和副臂旋轉關節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主要由先導比例減壓閥、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]。

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

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框圖

表1 鉆挖一體式挖掘機技術參數

2 液壓與電氣系統設計

根據廠家提出的設計要求和改造后挖掘機液壓系統的壓力、流量匹配的特點設計液壓系統，在流量控制方面進行液壓油路的設計，實現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：轉速傳感器采集鉆挖一體式挖掘機發動機轉速，通過與此發動機的萬有特性曲線進行對照與進行多次試驗，測得不同轉矩下最節能時的發動機轉速，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節器控制電路進行供電，調節合適的電流，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)。

技術特點：液壓回路中的流量由發動機轉速與變量柱塞泵協調配合進行調節。利用臺達PLC進行系統控制，通過臺達DOP觸摸屏按鍵進行手動調節。采用粗調與微調結合的方法，實時調節發動機轉速與柱塞泵的斜盤傾角，最終滿足不同終端作業的工作要求。

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，多路換向閥先導油液是挖掘機先導液壓泵輸入流量。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油液進而控制行走馬達主油路的壓力、流量。控制的觸發條件是挖掘機車身傾斜角度值。當傾斜角度超過規定值時，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，當前作業立刻停止。理論要求滿載狀態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

技術特點：采用閉環控制，傳感器采集角度數據，根據角度的大小，對行走馬達進行控制。控制多路閥先導油液的通斷，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，使得挖掘機在處于危險時保持安全狀態，等待人工進行干預，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、鏟斗回轉軸處安裝角度傳感器，通過傳感器采集角度值，經過換算得出關節長度與角度，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，超過該數值，挖掘機觸摸屏報警，挖掘機停止工作，需要人工干預接觸報警。

技術特點：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 控制系統設計

3.1 PLC選型與I/O口的分配

根據鉆挖一體式挖掘機工作原理，各個傳感器元件與執行器件之間屬于典型的閉環控制。為了確保各個執行器采集數據的準確，挖掘機執行動作時安全、操作與調試的自動控制，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I/O口分配

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

3.2 控制系統流程設計

為了方便鉆挖一體式挖掘機的操作與調試，利用觸摸屏設計了用戶界面。用戶按下啟動按鈕，PLC按照設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據，觸摸屏選擇調試按鈕，進行調試，根據用戶需要進行功能選擇，設置相應的參數。控制功能流程如圖4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、鏟斗旋轉軸旋轉角度不宜過大。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構與坐標空間示意

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，對基本參數進行設定。經過查詢資料，油缸活塞直徑為190 mm。

為了簡單計算，忽略鏟斗與負載的質量，并且忽略各個構件質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,挖掘機設計符合要求。

5 結論

根據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，使該自動化設備按照廠方的要求安全高效工作；利用多桿機構模型計算力的大小符合要求，為執行器控制提供信號條件，形成閉合回路控制。