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)
隨著管道施工的推進(jìn),面對復(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,只能允許一臺施工設(shè)備通過,無法實(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串口通信對外部信號進(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。
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(yàn)鉆孔工況時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)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(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,造成車身前傾。一旦報(bào)警,挖掘機(jī)行走馬達(dá)控制繼電器對先導(dǎo)油液進(jìn)行控制,挖掘機(jī)就會停止工作,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)
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。
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)的萬有特性曲線進(jìn)行對照與進(jìn)行多次試驗(yàn),測得不同轉(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,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(jìn)行供電,調(diào)節(jié)合適的電流,匹配要求的流量[13]。由于臺達(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)。利用臺達(dá)PLC進(jìn)行系統(tǒng)控制,通過臺達(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。
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??刂频挠|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,對行走馬達(dá)進(jìn)行控制??刂贫嗦烽y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),避免帶來嚴(yán)重的安全事故。
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)長度與角度,得出挖掘機(jī)實(shí)時(shí)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(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,借助臂長伸出長度公式,通過簡化挖掘機(jī)的大臂模型,簡化計(jì)算,得出理論長度。通過車身長度限制條件,對挖掘機(jī)動(dòng)作進(jìn)行限制,確保行車安全。
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,選取型號為臺達(dá)AS228T-A PLC。
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)??刂乒δ芰鞒倘鐖D4所示。
圖4 鉆挖一體式挖掘機(jī)流程
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為主臂斗桿的長度;L3為主臂動(dòng)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(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
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)功能終端是長方體,相比于挖掘機(jī)鏟斗有所加長。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,計(jì)算鉆機(jī)伸出長度就顯得很重要。鉆機(jī)臂長按照公式(2)進(jìn)行計(jì)算:
LFB=L4·cosθ4+L5+cosθ5+L6·cosθ6+B1
(2)
式中:L4為副臂動(dòng)臂的長度;L5為副臂斗桿的長度;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。
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搖臂與斗桿絞點(diǎn)的力臂,m;lc為F1max對鏟斗與斗桿絞點(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。
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,有針對性地對挖掘機(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)行器控制提供信號條件,形成閉合回路控制。