三道莊露天礦SW系列挖掘機(jī)遠(yuǎn)程遙控改造及應(yīng)用

三道莊露天礦SW系列挖掘機(jī)遠(yuǎn)程遙控改造及應(yīng)用杜紅波;張超;賈寶珊【摘要】洛鉬集團(tuán)三道莊露天礦工作環(huán)境十分特殊,露天采場(chǎng)下有面積達(dá)120萬m2,體積達(dá)1800萬m3的采空區(qū).為應(yīng)對(duì)采空區(qū)對(duì)工作人員帶來的潛在威脅，礦山公司對(duì)SW系列挖掘機(jī)進(jìn)行了遠(yuǎn)程遙控改造.在完全不改動(dòng)挖掘機(jī)本身液壓操控系統(tǒng)的情況下，在挖掘機(jī)原有的操控手柄和腳踏板上，各增加一個(gè)小型的伺月服系統(tǒng)，直接驅(qū)動(dòng)手柄和腳踏的動(dòng)作.該伺月服系統(tǒng)，采用模擬量控制，在接收到遠(yuǎn)程控制信號(hào)后，可以精準(zhǔn)地將遠(yuǎn)程控制信號(hào)還原成手柄和腳踏的位移量和速度值,從而控制挖掘機(jī)的各種動(dòng)作.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，遠(yuǎn)程遙控挖掘機(jī)工作狀況良好,可以精準(zhǔn)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(shù)的研發(fā)成功將大大提高挖掘機(jī)的使用范圍，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值.【期刊名稱】《采礦技術(shù)》【年(卷)，期】2018(018)005【總頁數(shù)】3頁(P92-94)【關(guān)鍵詞】露天開采;采空區(qū);挖掘機(jī);遠(yuǎn)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(tuán)股份有限公司,河南洛陽市471500;洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司,河南洛陽市471500;洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)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(shè)中的重要設(shè)備，挖掘機(jī)在工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)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(jī)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(yàn)和判斷力，目測(cè)并同時(shí)操縱幾個(gè)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(dòng)強(qiáng)度大，在進(jìn)行挖掘操作時(shí)，操作者需要在視覺和聽覺的基礎(chǔ)上，依靠經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行推理以對(duì)挖掘過程進(jìn)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(qiáng)烈的震動(dòng)、噪音和灰塵，有時(shí)甚至面臨塌方、輻射、爆炸以及化學(xué)物等威脅，嚴(yán)重危及工作者的身心健康乃至生命。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，挖掘機(jī)機(jī)器人化是未來的發(fā)展方向，而無線遙控技術(shù)在其中占有十分重要的地位［1-2］。洛鉬集團(tuán)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(chǎng)下有面積達(dá)120萬m2,空區(qū)體積達(dá)1800萬m3的采空區(qū)［3-4］。由于采空區(qū)受到長時(shí)間暴露以及爆破震動(dòng)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(fù)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(huì)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(yán)重威脅露天開采人員和設(shè)備的大采空區(qū)［5-6］。雖然采用了各種監(jiān)測(cè)手段,能探明采空區(qū)的位置，但實(shí)際開采時(shí),如果采用傳統(tǒng)設(shè)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(tái)階1402水平南部發(fā)生塌陷事故,1臺(tái)挖掘機(jī)塌入地下采空區(qū)內(nèi);2012年5月,1臺(tái)潛孔鉆機(jī)在采場(chǎng)作業(yè)期間因臺(tái)階塌陷被埋等［7-11］。為了消除安全隱患，實(shí)施遙控操作挖掘機(jī)的研發(fā)，該技術(shù)的研發(fā)成功將大大擴(kuò)大挖掘機(jī)的使用范圍，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值［12-13］。1SW系列挖掘機(jī)遠(yuǎn)程遙控改造1.1挖掘機(jī)遠(yuǎn)程遙控原理及改造技術(shù)在完全不改動(dòng)挖掘機(jī)本身液壓操控系統(tǒng)的情況下，在挖掘機(jī)原有的操控手柄和腳踏板上,各增加1個(gè)小型的伺月服系統(tǒng),直接驅(qū)動(dòng)手柄和腳踏的動(dòng)作。該伺月服系統(tǒng),采用模擬量控制，在接收到遠(yuǎn)程控制信號(hào)后，可以精準(zhǔn)地將遠(yuǎn)程控制信號(hào)，還原成手柄和腳踏的位移量和速度值從而控制挖掘機(jī)的各種動(dòng)作。挖掘機(jī)遠(yuǎn)程操控原理如圖1所示。本系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是不改變?cè)型诰驒C(jī)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(jī)改造成遠(yuǎn)程控制挖掘機(jī)。針對(duì)已投入使用的挖掘機(jī)，由于改造成本低，改造工作量小，極易推廣使用。挖掘機(jī)遠(yuǎn)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(jī)左手柄上,右手柄伺服控制系統(tǒng)②安裝在挖掘機(jī)右手柄上，左腳踏伺服控制系統(tǒng)③安裝在挖掘機(jī)左腳踏上,右腳踏伺服控制系統(tǒng)④安裝在挖掘機(jī)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(jī)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(jī)左右腳踏相聯(lián)。圖1挖掘機(jī)遠(yuǎn)程操作遙控原理圖2挖掘機(jī)遠(yuǎn)程遙控操控1.2遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)挖掘機(jī)遠(yuǎn)程遙控主要通過以下5個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：手柄操控系統(tǒng)、腳踏操控系統(tǒng)、動(dòng)力控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。手柄操控系統(tǒng)：在挖掘機(jī)的操控手柄上，增加1套伺服電機(jī)，通過齒輪將電機(jī)和手柄聯(lián)接。遠(yuǎn)程控制端，在操控手柄下面設(shè)置1個(gè)電位器，當(dāng)遠(yuǎn)程操控手柄電位器時(shí)，電位模擬量通過4G網(wǎng)絡(luò)傳送給挖機(jī)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(jī)的坐標(biāo)位移，此坐標(biāo)位移量與遠(yuǎn)程端的操控手柄一致。通過以上方法，完成挖掘機(jī)的左手柄/右手柄動(dòng)作。手柄遙控系統(tǒng)如圖3所示。腳踏操控系統(tǒng)：在挖掘機(jī)的前進(jìn)/后退腳踏上，裝配1個(gè)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器傳動(dòng)，分別與左腳踏和右腳踏轉(zhuǎn)動(dòng)軸相聯(lián)。遠(yuǎn)程控制端，在操控手柄下面設(shè)置1個(gè)電位器，當(dāng)遠(yuǎn)程操控手柄電位器時(shí)，電位模擬量通過4G網(wǎng)絡(luò)傳送給挖機(jī)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(jī)的角位移，此角位移量與遠(yuǎn)程端的操控手柄一致。通過以上方法，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)前進(jìn)/后退動(dòng)作。圖3手柄遙控系統(tǒng)圖4腳踏操控系統(tǒng)動(dòng)力控制系統(tǒng)：在發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)。在遠(yuǎn)程控制端油門旋鈕下面設(shè)置1個(gè)電位器，當(dāng)人工轉(zhuǎn)動(dòng)電位器時(shí)，電位模擬量通過4G網(wǎng)絡(luò)傳送給挖掘機(jī)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(jī)的角位移,此角位移量與遠(yuǎn)程端的油門旋鈕角度一致。通過以上方法，完成挖掘機(jī)的遠(yuǎn)程油門加減過程。另外，在挖掘機(jī)的點(diǎn)火開關(guān)和熄火開關(guān)電路上，各并聯(lián)1個(gè)繼電器，此繼電器由中央處理器驅(qū)動(dòng)，分別遠(yuǎn)程控制挖機(jī)的點(diǎn)火/熄火動(dòng)作。輔助系統(tǒng)：在挖掘機(jī)上設(shè)置了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器，這些信號(hào)統(tǒng)一實(shí)時(shí)反饋給中央處理器，中央處理器同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)值分別控制各系統(tǒng),進(jìn)行報(bào)警/限速或緊急停車處理。遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)：遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)如圖5所示,包括以下功能。點(diǎn)火：非自鎖點(diǎn)動(dòng)按鈕；熄火：非自鎖點(diǎn)動(dòng)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(jī)第一時(shí)間做出反應(yīng)，并復(fù)位到預(yù)設(shè)狀態(tài);斗桿挖掘/卸載：自復(fù)位手柄電位器,電阻值0~10Q；左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)：自復(fù)位手柄電位器,電阻值0~10Q；鏟斗挖掘/卸載:自復(fù)位手柄電位器,電阻值0~10Q;大臂上升/下降：自復(fù)位手柄電位器,電阻值0~10Q;高低速切換開關(guān)：兩位自保持選擇開關(guān)。圖5遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)1.3無線傳輸性能指標(biāo)(1)無線通訊指標(biāo)。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(jī)指標(biāo)。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(shí)間：大于8h。⑶接收機(jī)指標(biāo)。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(chǎng)應(yīng)用效果探討2016年3月三道莊露天礦試驗(yàn)改造了2臺(tái)挖掘機(jī)，為滿足2017年空區(qū)作業(yè)需求,2017年又改造完成1臺(tái)遙控挖掘機(jī)。遠(yuǎn)程遙控挖掘機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作情況如圖6所示。項(xiàng)目研發(fā)成功后，通過無人挖掘機(jī)、無人鉆機(jī)、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(jià)以200元估算，新增產(chǎn)值1.64億元。同時(shí),通過對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)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(xiǎn)。圖6遠(yuǎn)程遙控挖掘機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)3結(jié)論洛鉬集團(tuán)三道莊露天采場(chǎng)下具有面積達(dá)120萬m2,空區(qū)體積達(dá)1800萬m3的采空區(qū)。為應(yīng)對(duì)采空區(qū)對(duì)工作人員帶來的潛在威脅，礦山公司對(duì)SW系列挖掘機(jī)進(jìn)行了遠(yuǎn)程遙控改造。在完全不改動(dòng)挖掘機(jī)本身液壓操控系統(tǒng)的情況下，在挖掘機(jī)原有的操控手柄和腳踏板上，各增加一個(gè)小型的伺月服系統(tǒng)，直接驅(qū)動(dòng)手柄和腳踏的動(dòng)作。該伺月服系統(tǒng)采用模擬量控制，在接收到遠(yuǎn)程控制信號(hào)后，可以精準(zhǔn)地將遠(yuǎn)程控制信號(hào)還原成手柄和腳踏的位移量和速度值從而控制挖掘機(jī)的各種動(dòng)作。通過無人挖掘機(jī)、無人鉆機(jī)、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(shí)極大地保障了工作人員的人身安全。該改造項(xiàng)目獲得2017年度中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】翟延華.挖掘機(jī)遙控操作系統(tǒng)的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué),2008.馮雨萌.基于電液比例技術(shù)的液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)研究[D].長沙：中南大學(xué),2010.王春毅，彭府華.洛鉬露天礦復(fù)雜采空區(qū)治理一體化技術(shù)應(yīng)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(xué),2007.徐榮軍，穆永慶,張承濤.探測(cè)掃描與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在洛鉬集團(tuán)露天礦的應(yīng)用[J].采礦技術(shù),2010,10(5):83-84.高建敏.洛鉬集團(tuán)采空區(qū)治理的技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)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(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性研究[D].中南大學(xué),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(shù)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].