三道莊露天礦SW系列挖掘機遠程遙控改造及應用

三道莊露天礦SW系列挖掘機遠程遙控改造及應用杜紅波;張超;賈寶珊【摘要】洛鉬集團三道莊露天礦工作環(huán)境十分特殊,露天采場下有面積達120萬m2,體積達1800萬m3的采空區(qū).為應對采空區(qū)對工作人員帶來的潛在威脅，礦山公司對SW系列挖掘機進行了遠程遙控改造.在完全不改動挖掘機本身液壓操控系統(tǒng)的情況下，在挖掘機原有的操控手柄和腳踏板上，各增加一個小型的伺月服系統(tǒng)，直接驅(qū)動手柄和腳踏的動作.該伺月服系統(tǒng)，采用模擬量控制，在接收到遠程控制信號后，可以精準地將遠程控制信號還原成手柄和腳踏的位移量和速度值,從而控制挖掘機的各種動作.現(xiàn)場應用結(jié)果表明，遠程遙控挖掘機工作狀況良好,可以精準完成工作循環(huán)中的提升、推壓、回轉(zhuǎn)等協(xié)調(diào)操作，該技術的研發(fā)成功將大大提高挖掘機的使用范圍，具有重要的現(xiàn)實意義和推廣價值.【期刊名稱】《采礦技術》【年(卷)，期】2018(018)005【總頁數(shù)】3頁(P92-94)【關鍵詞】露天開采;采空區(qū);挖掘機;遠程遙控【作者】杜紅波;張超;賈寶珊【作者單位】洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司,河南洛陽市471500;洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司,河南洛陽市471500;洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司,河南洛陽市471500【正文語種】中文0引言作為工程建設中的重要設備，挖掘機在工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利水電、礦山采掘以及軍事工程等施工中起著極為重要的作用。國內(nèi)現(xiàn)有的挖掘機基本上采用人工操作方式，要求駕駛員具有較高的駕駛水平，例如平整作業(yè)要保證作業(yè)精度，需要操作者具有足夠的經(jīng)驗和判斷力，目測并同時操縱幾個手柄才能完成工作循環(huán)中的提升、推壓、回轉(zhuǎn)等協(xié)調(diào)操作。作業(yè)的勞動強度大，在進行挖掘操作時，操作者需要在視覺和聽覺的基礎上，依靠經(jīng)驗知識進行推理以對挖掘過程進行控制和監(jiān)視，體力和腦力消耗極大;另外,工作環(huán)境惡劣,常常伴有強烈的震動、噪音和灰塵，有時甚至面臨塌方、輻射、爆炸以及化學物等威脅，嚴重危及工作者的身心健康乃至生命。隨著科學技術的快速發(fā)展，挖掘機機器人化是未來的發(fā)展方向，而無線遙控技術在其中占有十分重要的地位［1-2］。洛鉬集團三道莊露天礦有將近50年的生產(chǎn)歷史，礦山工作環(huán)境十分特殊，露天采場下有面積達120萬m2,空區(qū)體積達1800萬m3的采空區(qū)［3-4］。由于采空區(qū)受到長時間暴露以及爆破震動的影響，采空區(qū)的位置與界線均發(fā)生了改變。原來小空區(qū)可能已經(jīng)因塌落堆積已不復存在,但大多數(shù)空區(qū)，因原有的礦柱受到剝落與破壞,小采空區(qū)會變成大采空區(qū)。民采多層空區(qū)也可能上下連成一片,成為嚴重威脅露天開采人員和設備的大采空區(qū)［5-6］。雖然采用了各種監(jiān)測手段,能探明采空區(qū)的位置，但實際開采時,如果采用傳統(tǒng)設備,萬一發(fā)生塌陷，有可能發(fā)生重大的人員傷亡事故，如2007年9月8日，在露天臺階1402水平南部發(fā)生塌陷事故,1臺挖掘機塌入地下采空區(qū)內(nèi);2012年5月,1臺潛孔鉆機在采場作業(yè)期間因臺階塌陷被埋等［7-11］。為了消除安全隱患，實施遙控操作挖掘機的研發(fā)，該技術的研發(fā)成功將大大擴大挖掘機的使用范圍，具有重要的現(xiàn)實意義和推廣價值［12-13］。1SW系列挖掘機遠程遙控改造1.1挖掘機遠程遙控原理及改造技術在完全不改動挖掘機本身液壓操控系統(tǒng)的情況下，在挖掘機原有的操控手柄和腳踏板上,各增加1個小型的伺月服系統(tǒng),直接驅(qū)動手柄和腳踏的動作。該伺月服系統(tǒng),采用模擬量控制，在接收到遠程控制信號后，可以精準地將遠程控制信號，還原成手柄和腳踏的位移量和速度值從而控制挖掘機的各種動作。挖掘機遠程操控原理如圖1所示。本系統(tǒng)的最大特點是不改變原有挖掘機自身的控制系統(tǒng)，只需增加1套此專利涉及的系統(tǒng)，即可將傳統(tǒng)挖掘機改造成遠程控制挖掘機。針對已投入使用的挖掘機，由于改造成本低，改造工作量小，極易推廣使用。挖掘機遠程遙控操控器如圖2所示。圖2電左手柄伺服控制系統(tǒng)①安裝在挖掘機左手柄上,右手柄伺服控制系統(tǒng)②安裝在挖掘機右手柄上，左腳踏伺服控制系統(tǒng)③安裝在挖掘機左腳踏上,右腳踏伺服控制系統(tǒng)④安裝在挖掘機右腳踏上。左右手柄伺服控制系統(tǒng)①、②通過手柄拔叉⑤分別與挖掘機左右手柄相連;左右腳踏伺月服系統(tǒng)③、④通過腳踏聯(lián)軸器⑥分別與挖掘機左右腳踏相聯(lián)。圖1挖掘機遠程操作遙控原理圖2挖掘機遠程遙控操控1.2遠程遙控系統(tǒng)挖掘機遠程遙控主要通過以下5個系統(tǒng)實現(xiàn)：手柄操控系統(tǒng)、腳踏操控系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、遠程操控系統(tǒng)。手柄操控系統(tǒng)：在挖掘機的操控手柄上，增加1套伺服電機，通過齒輪將電機和手柄聯(lián)接。遠程控制端，在操控手柄下面設置1個電位器，當遠程操控手柄電位器時，電位模擬量通過4G網(wǎng)絡傳送給挖機上的中央處理器，中央處理器將電位模擬量還原成伺服電機的坐標位移，此坐標位移量與遠程端的操控手柄一致。通過以上方法，完成挖掘機的左手柄/右手柄動作。手柄遙控系統(tǒng)如圖3所示。腳踏操控系統(tǒng)：在挖掘機的前進/后退腳踏上，裝配1個伺服電機，伺服電機通過聯(lián)軸器傳動，分別與左腳踏和右腳踏轉(zhuǎn)動軸相聯(lián)。遠程控制端，在操控手柄下面設置1個電位器，當遠程操控手柄電位器時，電位模擬量通過4G網(wǎng)絡傳送給挖機上的中央處理器，中央處理器將電位模擬量還原成伺服電機的角位移，此角位移量與遠程端的操控手柄一致。通過以上方法，實現(xiàn)挖掘機前進/后退動作。圖3手柄遙控系統(tǒng)圖4腳踏操控系統(tǒng)動力控制系統(tǒng)：在發(fā)動機的油門拉線上，并聯(lián)1根油門拉線，此油門拉線由油門伺服電機驅(qū)動。在遠程控制端油門旋鈕下面設置1個電位器，當人工轉(zhuǎn)動電位器時，電位模擬量通過4G網(wǎng)絡傳送給挖掘機上的中央處理器，中央處理器將電位模擬量還原成伺服電機的角位移,此角位移量與遠程端的油門旋鈕角度一致。通過以上方法，完成挖掘機的遠程油門加減過程。另外，在挖掘機的點火開關和熄火開關電路上，各并聯(lián)1個繼電器，此繼電器由中央處理器驅(qū)動，分別遠程控制挖機的點火/熄火動作。輔助系統(tǒng)：在挖掘機上設置了發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器，發(fā)動機水溫傳感器，發(fā)動機機油壓力傳感器，這些信號統(tǒng)一實時反饋給中央處理器，中央處理器同時根據(jù)監(jiān)測值分別控制各系統(tǒng),進行報警/限速或緊急停車處理。遠程操控系統(tǒng)：遠程操控系統(tǒng)如圖5所示,包括以下功能。點火：非自鎖點動按鈕；熄火：非自鎖點動按鈕;油門：自保持模擬量旋鈕;急停按鍵：緊急停止遙控器工作，并使接收機第一時間做出反應，并復位到預設狀態(tài);斗桿挖掘/卸載：自復位手柄電位器,電阻值0~10Q；左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)：自復位手柄電位器,電阻值0~10Q；鏟斗挖掘/卸載:自復位手柄電位器,電阻值0~10Q;大臂上升/下降：自復位手柄電位器,電阻值0~10Q;高低速切換開關：兩位自保持選擇開關。圖5遠程操控系統(tǒng)1.3無線傳輸性能指標(1)無線通訊指標。頻率：430-446MHz;通訊距離：大于1000m(目視距離);頻道間隔：250kHz;頻道數(shù)：64；調(diào)制方式：GFSK。(2)發(fā)射機指標。發(fā)射功率：10mW;天線阻抗：50Q；使用溫度：-20^~+70^;防水性：IP65；電源：鎳氫電池組7.2V/1650mA;T作時間：大于8h。⑶接收機指標。接收靈敏度：-110dbm;天線阻抗：50Q;使用溫度：-201~+70°C;耐沖擊：50G;防水性：IP65;電源：DC9-24V(極限：8~32V)。2現(xiàn)場應用效果探討2016年3月三道莊露天礦試驗改造了2臺挖掘機，為滿足2017年空區(qū)作業(yè)需求,2017年又改造完成1臺遙控挖掘機。遠程遙控挖掘機現(xiàn)場工作情況如圖6所示。項目研發(fā)成功后，通過無人挖掘機、無人鉆機、無人駕駛汽車的高效作業(yè)，與2015年相比，多回收殘礦82萬t,礦石單價以200元估算，新增產(chǎn)值1.64億元。同時,通過對挖掘機進行遠程遙控，保障了工作人員的人身安全，降低了空區(qū)塌陷的潛在危險。圖6遠程遙控挖掘機現(xiàn)場作業(yè)3結(jié)論洛鉬集團三道莊露天采場下具有面積達120萬m2,空區(qū)體積達1800萬m3的采空區(qū)。為應對采空區(qū)對工作人員帶來的潛在威脅，礦山公司對SW系列挖掘機進行了遠程遙控改造。在完全不改動挖掘機本身液壓操控系統(tǒng)的情況下，在挖掘機原有的操控手柄和腳踏板上，各增加一個小型的伺月服系統(tǒng)，直接驅(qū)動手柄和腳踏的動作。該伺月服系統(tǒng)采用模擬量控制，在接收到遠程控制信號后，可以精準地將遠程控制信號還原成手柄和腳踏的位移量和速度值從而控制挖掘機的各種動作。通過無人挖掘機、無人鉆機、無人駕駛汽車的高效作業(yè)，公司新增產(chǎn)值1.64億元，同時極大地保障了工作人員的人身安全。該改造項目獲得2017年度中國有色金屬工業(yè)科學技術一等獎。參考文獻：【相關文獻】翟延華.挖掘機遙控操作系統(tǒng)的研究[D].蘭州：蘭州理工大學,2008.馮雨萌.基于電液比例技術的液壓挖掘機控制系統(tǒng)研究[D].長沙：中南大學,2010.王春毅，彭府華.洛鉬露天礦復雜采空區(qū)治理一體化技術應用[J].金屬礦山,2015,44(5):66-71.牛建光.洛陽鉬礦采空區(qū)的穩(wěn)定性仿真分析與研究[D].長春：吉林大學,2007.徐榮軍，穆永慶,張承濤.探測掃描與監(jiān)測系統(tǒng)在洛鉬集團露天礦的應用[J].采礦技術,2010,10(5):83-84.高建敏.洛鉬集團采空區(qū)治理的技術創(chuàng)新與實踐[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2010(6):86-89.薛濤.基于突變理論的露天礦復雜采空區(qū)穩(wěn)定性研究[D].中南大學,2012.麥尚德，王洛鋒,李迎峰，等.用深孔爆破成井次品礦充填技術治理采空區(qū)[J].金屬礦山,2012,41(5):27-31.牛建光.洛陽鉬礦采空區(qū)的穩(wěn)定性仿真分析與研究[D].