王克虎，滿國(guó)祥，王浩

(1.河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心，石家莊 050018；2.河北石探機(jī)械制造有限公司，石家莊 050018)

0 引言

近年來(lái)，隨著各地環(huán)保力度不斷加強(qiáng)，不僅僅需要對(duì)空氣進(jìn)行檢測(cè)，確定空氣中的有害氣體成分，地下水和地下土的污染程度也越發(fā)受到關(guān)注。地下水與地下土的污染檢測(cè)過(guò)程比較復(fù)雜，檢測(cè)工序比較繁瑣，因此急需一種專(zhuān)業(yè)化較強(qiáng)的地下水(土)調(diào)查采樣設(shè)備。

1 采樣機(jī)概述

本文介紹的是一種多功能土壤地下水調(diào)查采樣機(jī)，該設(shè)備采用履帶底盤(pán)的移動(dòng)方式。履帶底盤(pán)越障能力、地形適應(yīng)能力強(qiáng)，可原地轉(zhuǎn)彎，可以大幅減少路況對(duì)載重車(chē)輛的限制，因此可以適用于各種復(fù)雜地形。鉆機(jī)具有以下幾個(gè)主要功能：整體設(shè)備的履帶移動(dòng)、后托架起落、桅桿地腳伸縮、桅桿起落、動(dòng)力頭工作、卷?yè)P(yáng)桅桿升降、液壓卷?yè)P(yáng)工作等。圖1為多功能土壤地下水調(diào)查采樣機(jī)整體示意圖。

圖1 多功能土壤地下水調(diào)查采樣機(jī)整體示意圖

本設(shè)備的具體工作步驟為：第一步，通過(guò)履帶移動(dòng)，將設(shè)備移動(dòng)至需要取樣工作的點(diǎn)位；第二步，后托架液壓缸工作，使得整個(gè)設(shè)備處于水平穩(wěn)定狀態(tài)；第三步，桅桿升起，直至與地面垂直，桅桿地腳液壓缸工作，使桅桿處于穩(wěn)定狀態(tài)；第四步，動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆桿開(kāi)始取樣工作。取樣完成后，先通過(guò)卷?yè)P(yáng)桅桿的上升帶動(dòng)，再由液壓卷?yè)P(yáng)工作帶動(dòng)鉆桿離開(kāi)地面，將待檢土樣或者水樣取出后，進(jìn)行樣品的流轉(zhuǎn)和檢測(cè)。

對(duì)于地下水(土)的取樣調(diào)查工作，目前主要以人工作業(yè)為主，但是這種操作存在很多問(wèn)題，主要是效率低、速度慢、鉆桿下沉位置不準(zhǔn)確、污染外源增多、取樣不方便、安全可靠性差等，從而影響整體工作進(jìn)程和取樣結(jié)果。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程控制技術(shù)已經(jīng)滲透到工程施工的眾多工序中，極大地改變了傳統(tǒng)的施工方式，提高了工程機(jī)械的自動(dòng)化水平與生產(chǎn)效率。因此，研發(fā)多功能土壤地下水調(diào)查采樣機(jī)具有重要意義。

多功能土壤地下水調(diào)查采樣機(jī)設(shè)備主要由機(jī)械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)組成。通過(guò)研究，確定以?xún)?nèi)裝式PLC作為控制系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)的可操作性及安全性[1]。該設(shè)備采用7英寸顯示屏進(jìn)行狀態(tài)顯示和報(bào)警提示，可以匯總并顯示設(shè)備工作時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)采用遠(yuǎn)程遙控器控制履帶行走和后托架的工作，在方便操作的同時(shí)增加了安全性。本文主要對(duì)電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)進(jìn)行介紹和說(shuō)明。

2 液壓控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)設(shè)備的工作流程和機(jī)構(gòu)工作原理的分析，設(shè)計(jì)了液壓控制系統(tǒng)。其液壓控制回路如圖2所示，由油箱、吸油過(guò)濾器、電機(jī)、葉片泵、三位四通換向閥、單向節(jié)流閥、液控單向閥、液壓缸等組成[2]。液壓缸的換向通過(guò)三位四通換向閥控制，其中為了保證液壓缸的推進(jìn)速度恒定平穩(wěn)運(yùn)行，采用單向節(jié)流閥來(lái)控制液壓缸的伸縮速度[3]。

1.油箱；2.吸油過(guò)濾器；3.電機(jī)；4.葉片泵；5.三位四通換向閥；6.單向節(jié)流閥；7.液控單向閥；8.后托架液壓缸；9.卷?yè)P(yáng)桅桿伸縮液壓缸；10.桅桿左右調(diào)節(jié)液壓缸；11.動(dòng)力頭平移液壓缸；12.桅桿伸縮液壓缸；13.桅桿地腳伸縮液壓缸；14.桅桿起落液壓缸。

2.1 液壓系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)壓力值。鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)是負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，單聯(lián)變量泵，有兩路負(fù)載敏感多路閥，兩路系統(tǒng)壓力坐標(biāo)在多路閥的M口提取壓力值。

液壓油溫度。液壓油溫傳感器坐標(biāo)點(diǎn)液壓油箱。

液壓油溫度控制。油溫上升至 50 ℃(閉合)→驅(qū)動(dòng)液壓冷卻風(fēng)扇；油溫下降到 30 ℃(斷開(kāi))液壓冷卻風(fēng)扇停止。

過(guò)濾報(bào)警。①吸油濾芯(發(fā)訊開(kāi)關(guān))；②回油濾芯(發(fā)訊開(kāi)關(guān))；③高壓濾芯(發(fā)訊開(kāi)關(guān))。

液壓與電氣對(duì)接的詳細(xì)要求如表1所示。

表1 液壓與電氣對(duì)接表

2.2 液壓系統(tǒng)構(gòu)成

液壓系統(tǒng)主要包括：系統(tǒng)壓力A組多路閥、系統(tǒng)壓力B組多路閥、液壓油溫傳感器、吸油過(guò)濾器(壓力開(kāi)關(guān))、回油過(guò)濾器(壓力開(kāi)關(guān))、高壓過(guò)濾器(壓力開(kāi)關(guān))[4-5]。具體說(shuō)明如表2所示。

表2 液壓系統(tǒng)說(shuō)明表

3 控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的總體方案

整機(jī)電氣及線路與部件配合，電氣系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、控制器、鉆機(jī)操作面板、無(wú)線遙控裝置、閥門(mén)IO控制模塊、傳感器及顯示器等幾個(gè)單元。系統(tǒng)采用了先進(jìn)的CAN總線可編程序控制器、圖形顯示控制器等，成為一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、可編程序控制、虛擬儀表、總線傳輸、故障診斷一體的智能控制系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU將機(jī)身上的所有傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)線纜傳輸給可編程序控制器，而可編程序控制器與顯示儀表則通過(guò)CANBus通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[6]。

本設(shè)備的履帶行走(前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn))的控制，由手持遙控遠(yuǎn)程操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。內(nèi)裝式PLC主要完成機(jī)械輔助動(dòng)作(后托架起落、桅桿地腳伸縮、桅桿起落、卷?yè)P(yáng)桅桿升降)的順序控制及開(kāi)關(guān)量控制工作[7]。各路傳感器對(duì)整體設(shè)備的壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將信號(hào)反饋至顯示屏。工作人員可通過(guò)顯示屏了解和掌握設(shè)備的工作狀態(tài)和各項(xiàng)重要參數(shù)，從而提高設(shè)備的使用壽命，保證設(shè)備操作與使用的安全性。設(shè)備內(nèi)裝式PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 內(nèi)裝式PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

操作人員通過(guò)操作面板或遙控發(fā)射機(jī)上的按鈕發(fā)出指令，傳感器檢測(cè)機(jī)器的工作參數(shù)和極限參數(shù)，可編程序控制器對(duì)指令信號(hào)和傳感器信號(hào)進(jìn)行放大、連鎖及邏輯運(yùn)算，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器(電磁閥)，完成包括發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)控與故障診斷、鉆機(jī)行走、鉆機(jī)沖擊旋轉(zhuǎn)、各種傳感器故障自診斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)運(yùn)行的各種狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)綀D形顯示控制器，完成沖擊、虛擬儀表等功能，并且可以通過(guò)顯示器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定與系統(tǒng)標(biāo)定[8]。CAN總線控制發(fā)動(dòng)機(jī)部分、液壓系統(tǒng)部分、鉆機(jī)面板燈光部分、無(wú)線遙控部分、彩屏顯示部分共5部分。其中采樣機(jī)整機(jī)線束控制結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4。

圖4 采樣機(jī)整車(chē)線束控制結(jié)構(gòu)圖

3.2 面板部分的總體方案

3.2.1 采樣機(jī)控制面板

采樣機(jī)控制面板包括：顯示屏、燈光、急停開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)和油門(mén)控制等部分。采樣機(jī)控制面板功能示意如表3所示。

表3 采樣機(jī)控制面板功能示意表

3.2.2 彩色顯示屏

選擇7英寸彩色顯示屏，可以方便查閱各項(xiàng)參數(shù)和工作時(shí)報(bào)警提示狀態(tài)，同時(shí)自帶密碼開(kāi)機(jī)和遠(yuǎn)程傳輸功能。彩色顯示屏的主要功能示意如表4所示。

表4 屏幕功能示意表

3.2.3 行走系統(tǒng)

行走系統(tǒng)的控制分為左行走無(wú)級(jí)變速控制和右行走無(wú)級(jí)變速控制，具體內(nèi)容如表5所示。

表5 行走系統(tǒng)示意表

4 發(fā)動(dòng)機(jī)部分

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)選型

發(fā)動(dòng)機(jī)選擇符合國(guó)家第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)的74 kW 康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①機(jī)組品質(zhì)優(yōu)良，性能卓越；②機(jī)組自身的振動(dòng)及噪聲在同類(lèi)產(chǎn)品中處于較低水平，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)采用SAE標(biāo)準(zhǔn)連接，能保證極高的同軸度，進(jìn)而使得機(jī)組自身振動(dòng)極低，單振幅度小于0.3 mm；③一體化結(jié)構(gòu)，便于用戶使用、安裝，外形更加美觀，機(jī)組為槽鋼一體化結(jié)構(gòu)，內(nèi)置有高效減振裝置，可吸收機(jī)組絕大部分的振動(dòng)，使得機(jī)組的安裝極為簡(jiǎn)便，只需一平整水泥平臺(tái)或具有足夠載重的地板，將機(jī)組置于其上，不用擔(dān)心機(jī)組振動(dòng)傳至墻體和地基，該減振裝置還可有效地隔絕外部振動(dòng)對(duì)機(jī)組的影響，確保達(dá)到機(jī)組抗地震的要求；④機(jī)組的使用經(jīng)濟(jì)性較好，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,燃油油耗及機(jī)油油耗遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 2820.1—2009)；⑤配套件及配套技術(shù)資料齊全，使得用戶安裝、使用更加簡(jiǎn)便。

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU插頭B-94針腳接線如表6所示。

表6 ECU插頭針腳接線示意表

表6(續(xù))

4.2 相關(guān)電器插件

電器插件主要包括診斷接口、R232、預(yù)熱繼電器、燃油含水器、啟動(dòng)繼電器、啟動(dòng)馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、快速撥扭、前后燈。具體電器插件的型號(hào)如表7所示。

表7 電器插件的型號(hào)示意表

5 遙控發(fā)射機(jī)面板指令及功能

遙控發(fā)射機(jī)的主要功能包括：履帶方向調(diào)節(jié)、履帶行走速度調(diào)節(jié)、柴油機(jī)啟動(dòng)、柴油機(jī)油門(mén)調(diào)節(jié)、后托架上下控制。遙控器具體面板指令及功能分布如表8所示。

電控系統(tǒng)接口型號(hào)類(lèi)型包括：模擬量、開(kāi)關(guān)量、IO點(diǎn)數(shù)、CAN、RS232匯總等。

表8 遙控器面板指令及功能分布表

6 結(jié)語(yǔ)

多功能土壤地下水調(diào)查采樣機(jī)的整機(jī)電氣控制系統(tǒng)，采用CAN總線控制，主要部件有控制器、14型閥門(mén)IO控制器、ECU發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)線遙控發(fā)射/接收器、顯示屏、整車(chē)線束等，另外還有翹板開(kāi)關(guān)、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、油門(mén)旋鈕開(kāi)關(guān)、傳感器等。鉆機(jī)在轉(zhuǎn)場(chǎng)的過(guò)程中，主要以遙控控制行走、轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，有快慢速選擇。鉆機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)工作的過(guò)程中，主要以操作液壓手柄控制各種動(dòng)作，操作更靈活、效率更高、準(zhǔn)確率更高，對(duì)操作工人技術(shù)水平要求低，為企業(yè)節(jié)約成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景[9]。