大型挖掘机转场遥控装置设计

大型挖掘机转场遥控装置设计

刘宇，刘天成，席苏亮，王景良，王瑜

（江苏海事职业技术学院，江苏 南京 211100）

文章需要注明：江苏省大学生创新创业训练计划省级项目，课题编号：202112679006Y

摘 要：本文采用LORA无线遥控技术和电液比例技术，设计了挖掘机转场遥控装置，有效解决了传统转场方式存在巨大视觉盲区的问题，使挖掘机上下平板车变得更安全、更方便、更快捷，不仅保障了挖掘机的安全，还可以避免人员伤亡事故发生，减少经济损失。

关键词：挖掘机；转场；无线遥控；电液比例

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挖掘机是工程建设中应用最广泛的机械之一，它作为工程建设中的重要装备，在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用[1]。它在施工工地间转场作业，需通过大型平板车转运，而挖掘机上下平板车时是将平板车车厢尾部的活动斜坡放下，由驾驶员驾驶挖掘机直接开上平板车。这一过程看似简单，实则充满危险，由于驾驶挖掘机时存在着巨大的视觉盲区，驶上平板车的过程完全依靠驾驶员的经验和胆识，对驾驶员的驾驶技术和心理素质都是极大的考验，虽有地面人员协助指挥，但仍然经常有挖掘机翻落导致机械受损、人员伤亡的事故发生。中央财经委员会第十一次会议召开，研究全面加强基础设施建设问题，基础设施是经济社会发展的重要支撑，受全球疫情的影响，全面加强基础设施建设，对保障国家安全，畅通国内大循环、促进国内国际双循环，扩大内需，推动高质量发展具有重大意义。

挖掘机转场时发生侧翻事故产生的经济损失主要可以分成吊车费用、钢结构与发动机损伤维修、油液损失和人员伤亡四方面。以自重45吨的挖掘机为例，如果转场作业时发生侧翻事故，需要最大起重能力为150吨的吊车起吊，起吊费用每次约1万元。挖掘机转场作业时发动机在运转，若此时发生侧翻事故，会对发动机造成损伤，同时钢结构件也会造成一定程度的损坏，维修一次费用约10万元。挖掘机使用的油液有机油和液压油，挖掘机发生侧翻事故时会导致油液泄漏，自重45吨的挖掘机需机油60升，价值约1500元，需液压油400升，价值约7000元。若在侧翻事故中存在人员伤亡，损失将是一个无法估量的数目。因此，做好大型挖掘机转场安全工作不仅能够提高生产效率、经济效益，还具有保障生命财产安全的重要意义。

1总体设计思路

通过无线遥控装置完成转场作业，即用无线遥控方式控制挖掘机的行走机构。挖掘机的行走机构是通过静压传动，由左右两个液压马达带动左右驱动轮实现行走。与普通货车底盘的机械传动相比，挖掘机是一个纯液压的传动系统，具有结构简单、部件少、布置方便等巨大优势，驾驶员通过操控手动换向阀的操纵手柄，使控制油液（也称先导油）通往液动换向阀，液动换向阀控制主油泵的动力油通往双向变量液压马达，并控制马达的正反转和快慢速，驱动左右轮实现行走。手动换向阀的液压原理如图1所示，图中P为先导控制油进油口，T为先导控制油回油口，①为右行走马达后退，②为右行走马达前进，③为左行走马达前进，④为左行走马达后退。驾驶员通过操纵手动换向阀的手柄可驾驶挖掘机前进、后退、转弯作业。

图1 手动换向阀的液压原理图

挖掘机行走液压系统采用液压先导控制模式，目前行业内以无线遥控方式代替原手动换向阀控制，大多采用电液比例控制技术，通过内部控制电路，按输入电压呈线性比例来控制输出电流，对液压阀进行比例控制，以实现与原手动操纵同样的控制功能[2-3]。

2行走机构液压系统升级

为了使挖掘机能通过原操纵手柄和无线遥控2种方式控制其行走机构，需对原挖掘机行走机构液压系统进行升级。在挖掘机原操纵手柄的手动换向阀下分别并联两个三位四通电磁换向阀，在驾驶员不操纵手柄时，可通过电磁阀实现对先导控制油的控制。在三位四通电磁换向阀先导控制油出口各串联一个电磁比例节流阀，通过控制先导控制油流量实现对挖掘机行走速度的调节。液压油路升级后工作原理如图2所示。当左侧三位四通电磁换向阀左端电磁铁通电时，先导控制油P通往电磁比例节流阀，经流量控制再通往③，④通往T，回油，挖掘机左行走马达前进；当左侧三位四通电磁换向阀右端电磁铁通电时，先导控制油P通往电磁比例节流阀，经流量控制再通往④，③通往T，回油，左行走马达后退；当右侧三位四通电磁换向阀左端电磁铁通电时，先导控制油P通往电磁比例节流阀，经流量控制再通往②，①通往T，回油，挖掘机右行走马达前进；当右侧三位四通电磁换向阀右端电磁铁通电时，先导控制油P通往电磁比例节流阀，经流量控制再通往①，②通往T，回油，挖掘机右行走马达后退。该方案能精确调节先导油流量在0—35L/min范围内变化，且先导油流量变化均匀，挖掘机运行速度平稳。

图2升级后液压油路工作原理图

无线遥控和原手动控制两种方式的液压油路不相互独立，为了杜绝安全隐患，在先导控制油与三位四通电磁换向阀之间加装两位两通手动换向阀，在完成遥控操纵后，将并联的电磁阀控制油路切断，防止误操作遥控器导致挖掘机意外行走而引发事故。考虑到安装等因素，将升级的液压油路做成液压模块直接并联在挖掘机原手动换向阀的各油口，该液压模块中包括电磁换向阀，这样在不操纵手动换向阀时，只需控制电磁换向阀动作，便能控制行走马达运转；该液压模块中装有两位两通手动换向阀，当挖掘机转场作业时，通过两位两通手动换向阀使该液压模块与原行走液压子系统的液压油路接通，可通过无线遥控控制电磁换向阀动作；当挖掘机正常工作时，通过两位两通手动换向阀将该液压模块与原行走液压子系统的液压油路断开，此时，只有原液压油路工作。

3无线遥控系统

3.1系统总体方案设计

无线遥控系统采用LORA无线遥控技术，由无线遥控器和驱动模块组成[4]。操作人员操纵无线遥控器手柄，控制单元接收信号，经A/D转换后输入无线射频发送单元，发射信号；无线射频接收单元接收信号，通过控制单元处理，控制液压模块中的电磁阀动作，控制挖掘机行走，其系统框图如图3所示。挖掘机的行走速度由遥控手柄的开度调节，左侧遥控手柄控制挖掘机左侧行车马达正反转，右侧遥控手柄控制挖掘机右侧行车马达正反转，两个手柄同时操作时，可控制挖掘机转向。

图3 无线遥控系统框图

3.2遥控系统设计

3.2.1无线遥控器设计

遥控器主要由控制单元、遥控信号发生单元、无线射频单元、电源构成。选用PIC16F1828单片机作为控制核心,该单片机增加了中断功能，指令周期可达到200ns，带A/D转换，内部E2PROM数据存储器，双时钟工作，PWM输出。通过调节遥控电位器实现对挖掘机行走速度和方向的控制。遥控器电路设计如图4所示。FR、RR为控制挖掘机前进、后退的遥控电位器，遥控器中间为停止位，上下为两个方向的速度调节，其模拟信号接入单片机，经A/D转换后再发送到射频模块E33-433T13D输出，PROTECT为挖掘机动作保护开关，只有开关接通挖掘机才能通过遥控器控制动作，其信号经单片机送给射频模块输出，LED_M1、LED_M2为遥控方向指示灯。

图4 遥控器主控电路设计图

3.2.2驱动电路设计

驱动板主要由单片机基本工作单元、电磁调节阀电压输出单元、无线射频接收单元、电源等构成，驱动板的电路设计如图5所示。单片机PIC16F1828接受无线射频信号，经过数据解析，取得挖掘机方向、速度及保护信号，再通过单片机的CCP1~CCP4的4个PWM调节端口将脉宽调制电压信号送到信号放大电路，分别控制挖掘机的4个电磁比例节流阀和2个三位四通电磁换向阀，从而控制挖掘机的运行方向及速度；接受的保护信号通过单片机的RC2口控制继电器RELAY，其触点控制电源电路，以防止误操作，到达保护目的。

图5 驱动板主控电路设计图

3.3现场测试

为了验证遥控装置的可行性及可靠性，进行了场地测试，将升级的液压模块安装在挖掘机驾驶室下方，如图6所示，挖掘机驾驶室下方有足够的安装空间。在测试前，先将液压模块的P口和T口分别用三通阀并联到挖掘机原手动换向阀的P口和T口，并测试油管及阀组的密封性；由于先导油为低压控制油，压力为7MPa，因此,无需耐压试验,可直接使用普通液压油管连接，只需保证其密封性良好。遥控信号采用电压控制，遥控距离实测最远可达500m。遥控操纵场地实测，人机分离，使用遥控器能操控比例电磁阀实现对先导油的流量控制，从而控制液动阀的流量，液动阀控制动力油驱动行走马达并控制马达转速，实测挖掘机转场时行驶速度最大可达到2.5km/h，并且速度在0-2.5km/h内可调节。按下无线遥控器上急停按钮，电磁阀断油响应时间小于0.1秒，可实现挖机行走马达的急停。

图6 液压模块安装位置

4结论

在大型挖掘机转场作业时，使用无线遥控装置可实现人机分离，一方面解决了驾驶员在挖掘机上操作存在视觉盲区大的问题，另一方面保障了驾驶员的人生安全，能有效避免人员伤亡事故发生，减少经济损失。遥控装置有保护开关，当挖掘机正常工作时，可将遥控装置关闭，不影响挖掘机正常工作，同时避免出现误操作。该遥控装置不仅适用于20吨以上的大型挖掘机，还适用于旋挖钻机，具有极大的推广价值和意义。

参考文献

[1]温时豪. 基于无线通信的电动挖掘机远程遥控及监测系统设计[D].华侨大学,2020.

[2]刘洪亮,皮华峰,凡创.基于dsPIC6014A的总线型液压比例电磁阀控制器设计[J].长江大学学报(自科版),2015,12(16):39-42

[3]刘荣华.无线遥控挖掘机电液控制系统研究[J].机床与液压,2016,44(16):124-127.

[4]王天祥.液压挖掘机升级无线遥控系统研究[J].木工机床,2020(02):28-30.