单根立,刘小强,李滨,刘朋

(1.河北科技大学机械工程学院,河北石家庄 050018；2.河北华北石油工程建设有限公司,河北沧州 061000)

0 前言

随着管道施工的推进，面对复杂多变的地形，只有单独一种挖掘机很难完成挖掘作业[1]。为了适应管道施工的要求，中石油提出要研制一款双臂挖掘机。普通挖掘机需要搭配钻孔机[2-5]进行作业。为了节省施工成本以及解决施工道路狭窄，只能允许一台施工设备通过，无法实现多种功能快速换装的问题。设计了一款钻挖一体式挖掘机，满足挖掘与钻孔2种功能[6]。普通挖掘机在车身平衡、液压控制、电气控制等方面都比较成熟。改造后的挖掘机车身在刚度方面，改变了原有挖掘机的刚度；主副臂的布置方面，也改变了整个车身的平衡重心；改造后的电气控制上，也提出了新的要求。

根据普通挖掘机的机械结构与中石油项目要求，设计了一台能实现2种功能的钻挖一体式挖掘机，可以实现挖掘与钻孔快速切换,并设计多功能台进行试验[7]。设备通过PLC控制[8]连接外部传感器采用RS485串口通信对外部信号进行采集，数据返回PLC进行处理。通过模拟量输出模块控制油门[9]的大小、变量柱塞泵的斜盘倾角[10]，最终输出厂方要求的施工设备液压压力与流量的参数匹配。

1 钻挖一体式挖掘机结构与工作原理

钻挖一体式挖掘机电气元件布局如图1所示，其工作原理为：一台挖掘机实现2种功能,主臂挖掘，副臂钻孔。主臂挖掘时，副臂收回充当配重;副臂钻孔时，主臂收回充当配重。通过中间继电器切换主、副臂动作。溢流阀根据不同功能调节所需压力。转速传感器采集发动机转速，根据发动机万有特性曲线，不同转矩对应不同的转速。经过多次试验钻孔工况时，发动机不同转速对应变量泵的斜盘倾角，最终调节出要求的流量。挖掘机车身上安装倾角传感器，实时采集车身的倾斜角度，满载状态下纵向爬坡能力20°，横向最大抗倾覆能力10°。主臂和副臂旋转关节处安装了角度传感器，实时采集动臂斗杆、铲斗或者钻头的旋转角度，避免主臂(副臂)伸出太长，造成车身前倾。一旦报警，挖掘机行走马达控制继电器对先导油液进行控制，挖掘机就会停止工作，只能向后移动不能前进。

改造后的钻挖一体式挖掘机电液控制系统主要由先导比例减压阀、阀控液压缸、PLC控制器、终端压力传感器、流量变送器、倾角传感器、角度传感器以及比例放大器等组成[11-12]。

系统分为数字和模拟两部分，通过RS485串口通信传感器与模拟量输出模块D/A转换器构成混合系统。图2所示为钻挖一体式挖掘机电液控制系统框图。表1给出了钻挖一体式挖掘机的技术参数。

图1 钻挖一体式挖掘机电气元件布局

图2 钻挖一体式挖掘机电液控制系统框图

表1 钻挖一体式挖掘机技术参数

2 液压与电气系统设计

根据厂家提出的设计要求和改造后挖掘机液压系统的压力、流量匹配的特点设计液压系统，在流量控制方面进行液压油路的设计，实现挖掘与钻孔终端正常工作。保证挖掘机在重载和轻载工况条件下，满足钻孔时小压力、大流量的要求。系统主要由三部分组成：压力、流量控制电液回路，行走马达电液回路，车身平衡电气控制回路。

2.1 压力、流量控制电液回路

工作原理：转速传感器采集钻挖一体式挖掘机发动机转速，通过与此发动机的万有特性曲线进行对照与进行多次试验，测得不同转矩下最节能时的发动机转速，通过流量传感器返回的流量值与要求的流量值进行比对，利用 PLC的模拟量输出模块对变量柱塞泵的比例插装阀调节器控制电路进行供电，调节合适的电流，匹配要求的流量[13]。由于台达PLC只能提供0～20 mA的电流或者0～10 V的电压，需要配合比例功率放大器，将电流进行放大，从而控制油门(0～10 V)和泵的斜盘(0～750 mA)。

技术特点：液压回路中的流量由发动机转速与变量柱塞泵协调配合进行调节。利用台达PLC进行系统控制，通过台达DOP触摸屏按键进行手动调节。采用粗调与微调结合的方法，实时调节发动机转速与柱塞泵的斜盘倾角，最终满足不同终端作业的工作要求。

2.2 行走马达电控液压回路

液压原理如图3所示，其工作原理：行走马达由挖掘机多路阀来控制，多路换向阀先导油液是挖掘机先导液压泵输入流量。若要控制行走马达：一是可以控制主泵与副泵合流后的液压油；二是控制多路换向阀先导油液。考虑控制过程压力和流量较大，最终通过控制多路阀先导油液进而控制行走马达主油路的压力、流量。控制的触发条件是挖掘机车身倾斜角度值。当倾斜角度超过规定值时，PLC通过中间继电器控制行走马达，使得挖掘机不能再向前行走，触摸屏界面报警，当前作业立刻停止。理论要求满载状态下纵向最大爬坡能力20°，横向最大抗颠覆能力10°。

图3 液压原理

技术特点：采用闭环控制，传感器采集角度数据，根据角度的大小，对行走马达进行控制。控制多路阀先导油液的通断，减少控制主油路时压力高、流量大的难度。行走马达进出油口独立控制，有效控制挖掘机的姿态，使得挖掘机在处于危险时保持安全状态，等待人工进行干预，避免带来严重的安全事故。

2.3 车身平衡电气控制

工作原理：在挖掘机主、副臂的动臂、斗杆、铲斗回转轴处安装角度传感器，通过传感器采集角度值，经过换算得出关节长度与角度，得出挖掘机实时车身长度。要求车身总长度不能超过16 700 mm，超过该数值，挖掘机触摸屏报警，挖掘机停止工作，需要人工干预接触报警。

技术特点：通过PLC RS485串口通信传感器，实时采集挖掘机的动臂斗杆角度，借助臂长伸出长度公式，通过简化挖掘机的大臂模型，简化计算，得出理论长度。通过车身长度限制条件，对挖掘机动作进行限制，确保行车安全。

3 控制系统设计

3.1 PLC选型与I/O口的分配

根据钻挖一体式挖掘机工作原理，各个传感器元件与执行器件之间属于典型的闭环控制。为了确保各个执行器采集数据的准确，挖掘机执行动作时安全、操作与调试的自动控制，采用PLC作为控制元件。通过对钻挖一体式挖掘机液压控制系统进行分析，它共包括输入口4个，输出口9个，RS458串口通信传感器9个，2组模拟量输出模块接口。I/O分配表如表2所示。

表2 钻挖一体式挖掘机控制系统I/O口分配

根据挖掘机控制系统要求的I/O口数量以及挖掘机配套传感器的技术要求，选取型号为台达AS228T-A PLC。

3.2 控制系统流程设计

为了方便钻挖一体式挖掘机的操作与调试，利用触摸屏设计了用户界面。用户按下启动按钮，PLC按照设计要求开始运行程序。PLC通过RS485串口通信传感器通信传回数据，触摸屏选择调试按钮，进行调试，根据用户需要进行功能选择，设置相应的参数。控制功能流程如图4所示。

图4 钻挖一体式挖掘机流程

4 钻挖一体式挖掘机理论计算

4.1 主臂挖掘伸出长度计算

钻挖一体式挖掘机主臂进行挖掘，采用的是SY重工原车的挖掘机。为了防止挖掘机挖掘时向前倾覆，主臂的动臂、斗杆、铲斗旋转轴旋转角度不宜过大。如图5所示，标注的角度是与水平线的夹角。具体臂长按照公式(1)进行计算：

LzB=L3·cosθ3+L2·cosθ2+L1·cosθ1+A1

(1)

式中：L1为主臂铲斗的旋转轴到铲斗尖的距离；L2为主臂斗杆的长度；L3为主臂动臂的长度；θ1为铲斗轴与水平线夹角；θ2为主臂斗杆与水平线夹角；θ3为主臂动臂与水平线夹角。

图5 钻挖一体式挖掘机机械臂结构与坐标空间示意

4.2 副臂钻孔机伸出长度计算

钻挖一体式挖掘机副臂采用专用的液压钻机机械臂，强度满足钻削的要求。由于钻机功能终端是长方体，相比于挖掘机铲斗有所加长。当主臂收回、副臂钻机工作时，车身有向前倾覆的趋势，计算钻机伸出长度就显得很重要。钻机臂长按照公式(2)进行计算：

LFB=L4·cosθ4+L5+cosθ5+L6·cosθ6+B1

(2)

式中：L4为副臂动臂的长度；L5为副臂斗杆的长度；L6为副臂钻机的旋转轴到钻机尖部的距离；θ4为副臂动臂与水平线夹角；θ5为副臂斗杆与水平线夹角；θ6为钻机机身与水平线夹角。

4.3 主臂挖掘机力的计算

为了进一步计算钻挖一体式挖掘机，主臂铲斗油缸的推力，对基本参数进行设定。经过查询资料，油缸活塞直径为190 mm。

为了简单计算，忽略铲斗与负载的质量，并且忽略各个构件质量与机械效率的影响，铲斗油缸作用力用公式(3)表示：

(3)

式中：l1为铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆绞点的力臂，m；lc为F1max对铲斗与斗杆绞点的力臂，m；F1max为铲斗设计最大挖掘力,N。

通过铲斗油缸计算铲斗油缸的作用力：

Fd1=p·A

(4)

式中：p为系统压力为25 MPa；A为铲斗油缸活塞面积。进过验算Fd1>Fd,挖掘机设计符合要求。

5 结论

根据改造后的钻挖一体式挖掘机控制要求，通过合理选择传感器元件，有针对性地对挖掘机进行控制，解决了钻机终端与挖掘共存时液压系统压力与流量要求不同的难题；通过RS485串口通信通信模块对挖掘机车身角度、动臂角度进行采集，闭合控制回路保证挖掘机的工作与行驶安全，解决了挖掘机改造过程中人为不可控的难题；利用可编程程序控制器进行控制，使该自动化设备按照厂方的要求安全高效工作；利用多杆机构模型计算力的大小符合要求，为执行器控制提供信号条件，形成闭合回路控制。