陳軍印, 管培鵬, 張 勇

(1.徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221004； 2.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004；3.徐工集團(tuán)高端工程機(jī)械智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221004)

0 引 言

當(dāng)前，針對一些自然災(zāi)害的搶險救援，如地震廢墟清理、堰塞湖疏導(dǎo)、山體滑坡道路疏通、各類災(zāi)害救援現(xiàn)場清障等主要依靠挖掘機(jī)、裝載機(jī)、起重機(jī)等工程機(jī)械完成，在搶險救援過程中，工程機(jī)械發(fā)揮著越來越重要的作用，但仍然存在著作業(yè)功能單一、技術(shù)水平低和作業(yè)機(jī)具互換性差等突出問題，導(dǎo)致救援過程中需要不同工程機(jī)械輪流作業(yè)，極大地降低了救援效率[1-3]。

隨著工程機(jī)械行業(yè)及其相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的通用工程機(jī)械在環(huán)境適應(yīng)性、工作靈活性和功能多樣性上得到了大幅度提升，一種配備挖掘臂和多種作業(yè)機(jī)具的多功能搶險救援車為上述問題的解決提供了新思路，通過更換挖掘臂前端的作業(yè)機(jī)具，可以實(shí)現(xiàn)挖掘、破碎、剪切、抓取、切割、松土、鉆削、銑刨和起重等多種功能[4]，面對災(zāi)害現(xiàn)場不同的作業(yè)狀況，通過快速更換作業(yè)機(jī)具，大大提高了搶險救援的效率。

為了高效、簡便、安全可靠地實(shí)現(xiàn)挖掘臂上不同作業(yè)機(jī)具之間的快速更換，應(yīng)用于作業(yè)機(jī)具連接的快換裝置成為世界各國都在不斷研究的重點(diǎn)，傳統(tǒng)的手動型和半自動型快換裝置已經(jīng)得到普及和應(yīng)用，但其安全性、自動化程度和工作效率上仍然存在許多不足，全自動型快換裝置作為近幾年新興的技術(shù)，在國外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，此裝置在確保安全性和可靠性的同時，大大提高了作業(yè)機(jī)具的更換效率。筆者主要針對搶險救援車全自動快換裝置中的一些關(guān)鍵技術(shù)展開分析，為全自動快換裝置的國產(chǎn)化研究提供一定的技術(shù)參考。

1 全自動快換裝置的簡介

所謂全自動快換裝置，是一端安裝在挖掘臂斗桿和連桿上，另一端可與各種作業(yè)機(jī)具進(jìn)行機(jī)械、液壓或電氣連接的裝置，此裝置的“全自動”主要體現(xiàn)在僅需一人在操縱室操作手柄和按鈕，即可實(shí)現(xiàn)快換裝置與作業(yè)機(jī)具的機(jī)械連接、液壓連接和電氣連接，相比傳統(tǒng)的手動型和半自動型快換裝置，省去了人工手動操作機(jī)械連接機(jī)構(gòu)、人工手動拔插安全銷、人工手動拔插液壓快速接頭和電氣快速接頭等需要人為參與的環(huán)節(jié)。

全自動快換裝置的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：①可同時實(shí)現(xiàn)機(jī)械、液壓和電氣連接，在保證可靠性的同時，極大地提高了工作效率；②最大程度的減少了人工介入的環(huán)節(jié)，降低了出錯率，簡化了操作流程，節(jié)約了人工成本；③把存在安全隱患的人工操作環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到了具有安全防護(hù)的操縱室中，提高了安全性。

目前，全自動快換裝置的關(guān)鍵技術(shù)主要掌握在歐美國家的一些企業(yè)中，例如德國Liebherr的LIKUFIX系統(tǒng)、瑞典Oil Quick的OQ系列、美國CAT的CWAC系列和德國Lehnhoff的Variolock系統(tǒng)等全自動快換裝置，如圖1所示。不同的全自動快換裝置，在本體結(jié)構(gòu)、機(jī)械連接、安全鎖緊、液壓和電氣連接上各有異同，但在實(shí)現(xiàn)“全自動”方面具有相似的性能。

圖1 四種不同的全自動快換裝置

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

全自動快換裝置的技術(shù)含量相對較高，涉及了機(jī)、電、液與控制技術(shù)等。面對各種復(fù)雜的作業(yè)內(nèi)容，一臺全自動快換裝置可與各種統(tǒng)一接口形式的作業(yè)機(jī)具相連接，如挖斗、液壓剪、破碎錘、巖石鋸、抓手、篩分斗、液壓夯、銑刨頭等作業(yè)機(jī)具，在這里可把全自動快換裝置視為上耦合件，作業(yè)機(jī)具上的統(tǒng)一接口結(jié)構(gòu)視為下耦合件，全自動快換裝置與作業(yè)機(jī)具的連接過程就轉(zhuǎn)換為上下耦合件進(jìn)行機(jī)、電、液耦合的過程，下面主要針對上耦合件和下耦合件中的關(guān)鍵技術(shù)展開分析。

2.1 機(jī)械連接和鎖緊技術(shù)

上耦合件與下耦合件進(jìn)行連接時，首先需要解決的關(guān)鍵問題就是機(jī)械連接和安全鎖緊，特別是要確保作業(yè)過程中的安全可靠性。最早的手動型快換裝置通過手動操縱連接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接和鎖緊，只能解決無需人工拆卸和裝配銷軸的機(jī)械連接問題；隨著快換裝置的不斷發(fā)展和迭代，出現(xiàn)了液壓缸代替手工驅(qū)動機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的半自動快換裝置，安全鎖緊上有些通過手動拔插安全銷來實(shí)現(xiàn)，有些采用獨(dú)立的機(jī)械結(jié)構(gòu)確保閉鎖機(jī)構(gòu)始終完全閉合[5]；全自動快換裝置的機(jī)械連接和鎖緊結(jié)構(gòu)必須要與快速接頭(液壓和電氣)的自動連接相適應(yīng)，需要考慮安裝空間、連接形式和鎖緊機(jī)構(gòu)等問題。

分析對比LIKUFIX系統(tǒng)、OQ系列、CWAC系列及Variolock系統(tǒng)，上耦合件與下耦合件進(jìn)行機(jī)械連接和鎖緊時，共經(jīng)歷了三個過程，每個過程的異同如表1所列，OQ系列全自動快換裝置的三個過程如圖2所示。

表1 不同全自動快換裝置的機(jī)械連接過程

圖2 OQ系列全自動快換裝置的工作過程

大部分全自動快換裝置在進(jìn)行機(jī)械連接和鎖緊時，首先需要完成第一連接點(diǎn)的連接，即過程1，這個過程與手動型和半自動型快換裝置類似，需要操縱挖掘臂運(yùn)動，找到第一銷軸的連接點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)連接；在進(jìn)行第二連接點(diǎn)連接前，上耦合件在挖掘臂的帶動下，必須運(yùn)動到與下耦合件耦合的正確位置，即過程2，此過程通常有機(jī)械限位結(jié)構(gòu)確保上耦合件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的終止位置；最后通過油缸驅(qū)動機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)第二連接點(diǎn)處的機(jī)械連接和鎖緊，即過程3；這里的機(jī)械裝置常見的有插銷結(jié)構(gòu)、楔形結(jié)構(gòu)和錐銷配合結(jié)構(gòu)，如圖3所示，三種機(jī)械裝置在實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)自鎖的同時，可在運(yùn)動方向上安裝防松彈簧，如圖4所示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械雙重保護(hù)，而在液壓驅(qū)動方面，可通過液壓鎖等液壓技術(shù)保證液壓缸持續(xù)提供可靠的驅(qū)動力，這樣在機(jī)械和液壓上同時確保了工作過程中的安全可靠性。

圖3 兩種常見的機(jī)械連接和鎖緊裝置

圖4 防松彈簧在楔形鎖緊結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

2.2 快速接頭及其精準(zhǔn)連接技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)全自動快換裝置與各種作業(yè)機(jī)具的液壓連接和電氣連接，需要解決兩個方面的關(guān)鍵問題：①什么樣的液壓快速接頭和電氣插頭可以用于自動精準(zhǔn)連接；②如何在全自動快換裝置上實(shí)現(xiàn)多個快速接頭的精準(zhǔn)連接。下面主要針對以上兩個問題中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳述，其中電氣插頭用于實(shí)現(xiàn)電氣連接的技術(shù)與液壓快速接頭的部分技術(shù)類似，這里不做詳細(xì)分析。

2.2.1 可用于自動精準(zhǔn)連接的快速接頭

隨著液壓接頭技術(shù)的不斷發(fā)展，快速接頭可滿足的壓力和流量等技術(shù)參數(shù)也在不斷提升。中低壓的ISO7241快速接頭在公稱通徑為20 mm時，可實(shí)現(xiàn)最大工作壓力25 MPa，額定流量可達(dá)到70 L/min[6]，在進(jìn)行公母接頭的接通和斷開試驗(yàn)時，可滿足10000次的循環(huán)拔插[7]；中高壓的ISO16028快速接頭在ISO7241快速接頭的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了技術(shù)革新，在滿足大流量的同時，最大工作壓力可達(dá)到31.5 MPa，公母接頭的接通和斷開循環(huán)次數(shù)提高到了1 000 000次，極大地提高了工作可靠性[8]。目前，國外許多知名的快速接頭生產(chǎn)廠商都能夠生產(chǎn)制造滿足并優(yōu)于ISO16028標(biāo)準(zhǔn)的快速接頭，如美國PARKER公司的FE和FF系列、德國STAUFF公司的FH和FF系列、意大利Faster公司的FSH和FFH系列以及瑞典CJEN公司的X64系列和X65系列。

在用于自動精準(zhǔn)連接的快速接頭技術(shù)研究方面，國內(nèi)湯志東[9]等提出了將國產(chǎn)ISO16028快速接頭用于自動精準(zhǔn)連接的簡便解決途徑，將用于手動鎖緊和連接時使用的鎖緊套和鎖緊鋼球拆除，把公母接頭的鎖緊問題轉(zhuǎn)變?yōu)橹雇藛栴}，分析了實(shí)現(xiàn)自動對接的6個關(guān)鍵技術(shù)問題，對此類快速接頭用于自動連接的國產(chǎn)化研究提供了理論依據(jù)。國外在此類接頭的技術(shù)研究上較為領(lǐng)先，并廣泛應(yīng)用于采取手動方式實(shí)現(xiàn)多個快速接頭同時精準(zhǔn)連接的場合。如Faster公司生產(chǎn)的多路同步連接系列產(chǎn)品、CJEN公司生產(chǎn)的Multi-X系列多路連接板等，如圖5所示。此類多路同步連接產(chǎn)品中的快速接頭均符合ISO16028技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可在接頭帶壓的情況下實(shí)現(xiàn)平面快速連接，在安裝有電氣插頭的情況下，采用相似的技術(shù)，同時可實(shí)現(xiàn)電氣插頭的快速連接。為了滿足全自動快換裝置生產(chǎn)廠商對快速接頭的特殊需求，CJEN公司專門研制了ADX系列液壓平面自動連接接頭，此接頭轉(zhuǎn)為定制自動對接解決方案而設(shè)計，ADX系列快速公接頭和快速母接頭進(jìn)行連接時，可容許軸向和徑向兩個方向上較大的不對中誤差，從而實(shí)現(xiàn)自動找正對準(zhǔn)連接，如圖6所示，此類接頭已經(jīng)在許多全自動快換裝置上得到應(yīng)用，如Liebherr的LIKUFIX系統(tǒng)。

圖5 多路同步連接產(chǎn)品 圖6 ADX快速接頭

2.2.2 多個快速接頭的自動精準(zhǔn)連接技術(shù)

多個快速接頭的手動精準(zhǔn)連接技術(shù)在上述的多路同步連接產(chǎn)品上已經(jīng)應(yīng)用成熟，如圖7所示。

圖7 多路同步連接產(chǎn)品構(gòu)成

主要組成部分包括快速接頭、安裝平板、導(dǎo)向銷、安全鎖、手柄和防塵蓋等，在使用過程中，首先通過導(dǎo)向銷和手柄上的滑槽機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)公接頭和母接頭的準(zhǔn)確定位，然后利用杠桿原理手動實(shí)現(xiàn)公接頭和母接頭連接到位，最后通過安全鎖實(shí)現(xiàn)機(jī)械完全鎖緊。為了實(shí)現(xiàn)全自動快換裝置的自動精準(zhǔn)連接，需要將多路同步連接產(chǎn)品中的導(dǎo)向銷技術(shù)、滑槽機(jī)構(gòu)和安全鎖緊等幾個方面的技術(shù)運(yùn)用到全自動快換裝置的整體結(jié)構(gòu)中，并通過其它自動化的技術(shù)代替手動實(shí)現(xiàn)公母接頭的連接和安全鎖緊。

分析目前技術(shù)相對成熟的全自動快換裝置，在實(shí)現(xiàn)自動精準(zhǔn)連接方面的技術(shù)各有差異。OQ系列全自動快換裝置產(chǎn)品，通過兩個雙作用單活塞桿液壓缸的驅(qū)動和導(dǎo)向銷的導(dǎo)向，在同一水平方向上同時實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接和快速接頭連接，這個過程在上述機(jī)械連接和鎖緊的過程3中實(shí)現(xiàn)，液壓缸可提供足夠大的止退力確保機(jī)械活動爪和液壓接頭不會松脫，同時在正向末端設(shè)置有緩沖結(jié)構(gòu)，避免了對快速接頭的沖擊，如圖8所示，國內(nèi)湯志東[10]等對OQ系列的精準(zhǔn)對接技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，根據(jù)空中加油機(jī)對接和深海潛器對接都采用的精準(zhǔn)對接策略——測量、調(diào)姿和最后固定，提出了數(shù)字量和模擬量測量條件下的精準(zhǔn)對接理論。

圖8 OQ系列的自動精準(zhǔn)連接技術(shù)

德國Liebherr的LIKUFIX系統(tǒng)在快速接頭自動精準(zhǔn)連接技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上另辟蹊徑，如圖9所示，下耦合件中的快速接頭固定板采用柔性安裝方式[11]，通過四個壓縮彈簧可以調(diào)節(jié)公母快速接頭耦合過程中六個自由度方向上的偏差，在導(dǎo)向銷的導(dǎo)向作用下，最終實(shí)現(xiàn)快速接頭的準(zhǔn)確連接，這個過程在上述機(jī)械連接和鎖緊的過程2中實(shí)現(xiàn)。德國Lehnhoff的Variolock系統(tǒng)同樣通過兩個安裝板分別固定多個公接頭和多個母接頭，如圖10所示，S-block柔性的固定在全自動快換裝置上，A-block直接安裝到作業(yè)機(jī)具上，快速接頭的連接過程與LIKUFIX系統(tǒng)相似，均是在上述機(jī)械連接和鎖緊的過程2中實(shí)現(xiàn)，連接過程中S-block可以在短導(dǎo)向銷的作用下自動找正與A-block正確的連接位置。

圖9 LIKUFIX系統(tǒng) 圖10 Variolock系統(tǒng)

多個快速接頭的自動精準(zhǔn)連接可總結(jié)為以下三個方面的關(guān)鍵問題：①快速接頭的固定和安裝，將多個快速接頭同時固定到一個安裝板上，可采用螺紋連接或卡簧固定等連接方式，各個接頭安裝位置之間需要有較高的位置度要求；②導(dǎo)向銷的導(dǎo)向，在公母接頭實(shí)現(xiàn)連接前，導(dǎo)向銷和銷孔首先接觸并完成一段配合，從而可實(shí)現(xiàn)公接頭安裝板和母接頭安裝板的自動找正 ，在這里需要考慮導(dǎo)向銷的配合長度及相對于快速接頭的安裝位置度要求；③快速接頭安裝板的柔性連接技術(shù)，為了實(shí)現(xiàn)公母接頭連接時自動找正連接位置，將其中一個安裝板采用柔性固定方式，在導(dǎo)向銷的輔助下即可完成自動找正，此技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)自動精準(zhǔn)連接具有重大意義。

2.3 快速接頭的防塵控污技術(shù)

全自動快換裝置在與作業(yè)機(jī)具連接過程中，快速接頭不可避免的需要暴露出來，由于作業(yè)環(huán)境中的污染源較多，特別是粉塵等一些粘附性的細(xì)小顆粒，使得接頭端部容易受到污染，如果不采取防護(hù)措施，使用一段時間后，快速接頭就不容易實(shí)現(xiàn)自動連接，因此快速接頭的防塵控污技術(shù)也比較關(guān)鍵。

OQ系列快換裝置采用翻蓋式防塵控污技術(shù)，把防塵蓋的翻轉(zhuǎn)開合運(yùn)動通過機(jī)械結(jié)構(gòu)集成到公母快速接頭的連接過程中，并可實(shí)現(xiàn)在公母接頭連接之前，同步打開防塵蓋，在公母接頭斷開之后，同步關(guān)閉防塵蓋，如圖11所示，防塵蓋和母接頭安裝板一起運(yùn)動，通過頂桿實(shí)現(xiàn)機(jī)械翻轉(zhuǎn)。CAT的CWAC系列產(chǎn)品在公接頭和母接頭兩個部位均采用了防塵控污技術(shù)，如圖12所示，上耦合件采用滑動防塵蓋，下耦合件采用翻轉(zhuǎn)防塵蓋，使用過程中，防塵蓋與上下耦合件的耦合運(yùn)動進(jìn)行聯(lián)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動打開和關(guān)閉，可全面有效的控制污染物，在不使用時保護(hù)快速接頭，確保全自動快換裝置長期使用的可靠性能。

圖11 OQ系列 圖12 CWAC系列

為了實(shí)現(xiàn)快速接頭的全面防塵控污，必須做到公母接頭連接時自動打開防塵蓋，公母接頭斷開時自動關(guān)閉防塵蓋，這里的自動打開和自動關(guān)閉過程需通過機(jī)械結(jié)構(gòu)集成到上下耦合件的耦合過程中，比如在上耦合件與下耦合件進(jìn)行連接時，自動打開防塵蓋的過程在上述機(jī)械連接和鎖緊的過程2中實(shí)現(xiàn)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)防塵蓋動作的聯(lián)動，這樣不僅能實(shí)現(xiàn)對快速接頭全面有效的防護(hù)，還節(jié)省了其它可能的動力源來實(shí)現(xiàn)防塵蓋的運(yùn)動。

2.4 機(jī)具自動識別和故障監(jiān)測技術(shù)

全自動快換裝置可匹配多種作業(yè)機(jī)具，不同作業(yè)機(jī)具適用的工況條件、作業(yè)內(nèi)容和工作范圍等各有不同，在實(shí)現(xiàn)多種機(jī)具連接的同時，要面對不同的復(fù)雜作業(yè)環(huán)境，因此對快換裝置換裝作業(yè)機(jī)具時的系統(tǒng)判斷準(zhǔn)確性和作業(yè)過程中的可靠性提出了更高的要求。

目前較為成熟的技術(shù)主要包括作業(yè)機(jī)具自動識別技術(shù)和作業(yè)過程故障監(jiān)測技術(shù)。面對比較復(fù)雜的作業(yè)工況，有時候需要同時使用多個作業(yè)機(jī)具不斷切換，每次換裝新的作業(yè)機(jī)具后，通過作業(yè)機(jī)具自動識別技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)自動判斷全自動快換裝置上連接的作業(yè)機(jī)具類型，同時自動匹配工作模式、工作范圍等，確保每種作業(yè)機(jī)具使用的正確性。為了確保工作過程中的連接可靠性和使用安全性，全自動快換裝置的故障監(jiān)測技術(shù)尤為重要，通過故障監(jiān)測技術(shù)可以實(shí)時監(jiān)測快換裝置和作業(yè)機(jī)具的連接狀態(tài)，并及時判斷實(shí)際作業(yè)過程中外界載荷等因素引起的快換裝置和作業(yè)機(jī)具連接松脫，確保工作過程的可靠性和安全性。

如圖13所示，Liebherr的LIKUFIX系統(tǒng)在安裝快速接頭的安裝塊上設(shè)有傳感器，通過上耦合件和下耦合件上相應(yīng)位置的傳感器判斷作業(yè)機(jī)具類型和連接耦合狀態(tài)。

圖13 LIKUFIX機(jī)具識別和故障監(jiān)測技術(shù)

3 總結(jié)和展望

目前全自動快換裝置在歐美一些國家的使用非常廣泛，挖掘機(jī)上的裝機(jī)率相對也很高，與此同時，其他帶作業(yè)機(jī)具的工程機(jī)械裝備其相關(guān)全自動快換技術(shù)也在不斷進(jìn)步，如叉車、裝載機(jī)等，將全自動快換技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械作業(yè)機(jī)具的快速更換，大大提高了工程機(jī)械裝備的作業(yè)效率，節(jié)省了人工成本，使傳統(tǒng)工程機(jī)械裝備更好的在搶險救援過程中發(fā)揮重要作用。同時全自動快換技術(shù)不僅僅應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域，同樣可以滲透到機(jī)床行業(yè)、汽車行業(yè)、航空航天航海等領(lǐng)域，利用全自動快換技術(shù)可以輕松解決機(jī)、電、液的精準(zhǔn)對接問題[12]。

隨著傳感器技術(shù)、機(jī)器視覺、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等的不斷發(fā)展，未來全自動快換技術(shù)將朝著智能化、模塊化和高可靠性的方向不斷發(fā)展和進(jìn)步。在更換作業(yè)機(jī)具時甚至無需人工操作工作臂，在一定范圍內(nèi)，上耦合件可自動尋找并識別下耦合件，然后進(jìn)行自動連接，這樣就省去了上述機(jī)械連接和鎖緊的過程1，實(shí)現(xiàn)真正意義的“全自動”，同時在作業(yè)過程中的信息收集功能、任意工況時作業(yè)機(jī)具的自動選擇和匹配功能、全自動快換裝置的遠(yuǎn)程遙控功能等也將成為未來的發(fā)展和研究方向。