简述液压挖掘机智能化设计探究

曹右可

山重建机有限公司

简述液压挖掘机智能化设计探究

曹右可

山重建机有限公司

挖掘机作为各种土木工程不可或缺的机械工具，其智能化方面的探究不但可以提升挖掘机的工作效率，从很大程度上也能保障操作人员的人身安全，具有重大的科研意义。

液压挖掘机；智能化设计；矩阵系统

前言

液压挖掘机是用来挖掘岩石工程的主要机械。它是用铲斗上的斗齿切屑土石，将其装进斗里面，提升铲斗，接着旋转工作臂至卸土点卸土，再回转至挖掘点进行下一次挖掘的。最为核心的是需要操作员对其进行手柄和行走操纵杆来实现挖掘动作。然而，操作效率的有效提升和操作人员的有着密切的关系，这需要强度巨大的工作力度和控制精准度。

1 液压挖掘机的组成

如图1所示，液压挖掘机主要由工作装置、液压系统、行走装置、控制系统、回转装置、回转平台、动力装置和电气系统。根据不同的工作设备，液压挖掘机可以配备起重、装载、钻孔、正铲、反铲以及其他不同的装置，依次完成起重、装载、钻探、开挖等工作。

如图2所示，整个手臂反铲工作装置，用于挖掘停机面下面的各种砂石，主要由铲斗、连杆、摇杆， 铲斗油缸、斗杆、斗杆油缸、动臂和动臂油缸等部工况等其他类似装置，整个结构简单，重量轻。反铲铲斗的形状和大小与工作相关的对象，一个挖掘机铲斗可配备各种结构。

图2 整体动臂反铲式工作装置的组成

2 液压挖掘机智能控制系统设计

构建的智能挖掘机主要有4种模式：

(1)常规模式常规模式下操作人员可以通过操作电手柄、电脚踏板来控制挖掘机；

(2)遥控模式遥控模式下操作人员可通过遥控装置进行遥控操作，且可利用远程监控系统实现远程操作；

(3)智能控制，以减少智能控制在实际操作的复杂性程度为目标。首先，考虑操作模型应是图形输入模型，依照系统的工作要求，进入预期的作业模式。智能挖掘机基于需求模型、智能路径规划工作。在工作的过程中，实际的工作路径不断与规划路径和修改的需求，然后根据需求模型挖掘。

首先，操作员可以使用电手柄，通过专用电动油门PLC控制器，电液比例阀组和继电器发出指令。电动油门控制发动机转速和功率调整泵和电机。根据柴油发动机的外特性曲线我们可以知道，柴油机接近恒扭矩调节，其输出功率与转速的发生了改变了。油门开度增减，柴油机输出功率随之增加或减少。由于输出转矩基本不变，柴油机速度也相应的增加或减少，也就是说，不同的油门开度对应不同的柴油发动机转速。因此，系统增加了速度传感器监测柴油机的油门和力量变化。液压系统可分为定量系统和变量系统。定量系统是指系统与负载流不会改变，这取决于节流调速。

其次，操作员也可以实施远程遥控。遥控操作主要是利用摄像机把相关的现场图像传输到远程监控计算机上，根据计算机操作员反映情况，使用远程控制手柄PLC控制挖掘机操作命令。挖掘机工作环境通常是脏乱差，夏季的阳光照射猛烈，加上操作环境伴随危险，在挖拆除建筑物时被废墟掩埋的情况时有发生下。通过远程控制操作，操作者可以坐在舒适的办公室工作，在危险的工作环境下可以保证操作员的人身安全。

第三，操作员可以输入的预期提前挖掘模型，和液压挖掘机。在这个过程中，关键是液压挖掘机智能定位和测距。定位技术方面，目前主要的定位技术有GPS、AFLT、A—GPS等，定位精度高的为GPS、A—GPS技术，但其定位精度最高也在10 m左右，完全不能满足智能挖掘机作业需要。

3 压挖掘机三维立体智能视觉矩阵系统设计

首先假定一个测距传感器组是由A5×5。共有25个传感器探头，水平方向和垂直方向探测器间距是1米，面积范围距离传感器探测距离总共4米长和4米宽，区域为16平方米。在这个范围内每一个距离传感器可以测量对应点之间的距离和距离传感器，使测量距离矩阵是B5×5。除了红外传感器可以测量每点温度，温度矩阵设置C5×5，每一点有两种类型的识别特征距离和温度， 此时每个点有两种标识特征——距离和温度，设标识特征的种类数为N，则可见N越大，越能更清楚地标识该点。

4 液压挖掘机智能装载设计

反铲鹅颈型液压挖掘机主要用于建筑行业， 在挖掘后，考虑的问题是怎么样让材料运输到重型卡车上。液压挖掘机一般会旋转约90。材料将被发送到重型卡车，因为前面的传感器组直接到前面，在挖掘机的过程中旋转会产生一个更大的视角。距离测量传感器组添加到4组， 且固定于回转装置与行走部固定位置，这样的距离测量传感器组不旋转旋转平台和工作设备一齐转动，且具有4个方向的视野。

液压挖掘机在从前方转到卡车装料侧时，测距传感器组1和测距传感器组2或3会进行信息交流对接，实现工作状态实时跟踪。智能液压挖掘机在卸料前必须先确定重型卡车的位置，首先，在重型卡车车厢边缘安装一条标识带。在水平方向卡车标识带若未进入智能挖掘机工作范围，可通过液压挖掘机自动调整位置使其进入视觉范围，当然调整距离是有限的，若需远距离调整则需要调整重型卡车位置。

液压挖掘机在从前面转到卡车装料侧的时候，测距传感器组1、组2或组3实现信息的交流对接，以此实现实时跟踪的工作状态。智能液压挖掘机必须首先确定卸货前重型卡车的位置。在水平方向上，如果卡车的标记不能进入智能挖掘机相关的工作范围，液压挖掘机可以自动调整位置的可视距离，当然，调整的距离具有局限性。

5 液压挖掘机智能防倾覆设计

液压挖掘机和公路行驶汽车相比，行驶状况会更加麻烦且繁杂 ，上坡和下坡的角度后会更加大，从而大大增加侧翻的概率。有必要研究如何防止液压挖掘机在工作过程中侧翻。智能液压挖掘机有常规模式、遥控模式、智能控制3种模式，利用常规模式和远程模式，操作人员将根据前面的路况，简单的确定出液压挖掘机有没有发生侧翻，并且通常不带液压挖掘机极限位置发生侧翻的可能性，但是不同的智能控制模式，在人没有参与的控制之下，这时液压挖掘机是否会发生倾覆只能靠液压挖掘机自身智能判断控制。

通过科学的分析和研究，液压挖掘机的侧翻条件已有了相关结论。当液压挖掘机工作装置的工作方向平行于液压挖掘机履带架，液压挖掘机的最大下坡角是450(斜率45，已是很大)。如果在这个时候和地面摩擦可以确保液压挖掘机在坡面静止， 整机重心G只要在L长度范围内，只要液压挖掘机的L长度范围内不会翻转，如图10所示，这是最大的坡度，而重心在L和G的区域内 ，并且远离边界，只要摩擦力度够大发生侧翻的几率微乎其微。