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基于凿岩台车机械臂液压控制系统的设计优化分析

发表时间：2021/3/26 来源：《电力设备》2020年第32期作者：邬畏

[导读] 【摘要】本文主要研究当前凿岩台车机械臂液压控制系统相关问题，凿岩台车作为现代化隧道工程施工设备能够有效提升开凿炮眼定位的准确性，对传统人工开凿炮眼的操作方式有效代替，进而使隧道施工环境得到有效改善并降低的施工成本。

        （安百拓(南京)建筑矿山设备有限公司）
        【摘要】本文主要研究当前凿岩台车机械臂液压控制系统相关问题，凿岩台车作为现代化隧道工程施工设备能够有效提升开凿炮眼定位的准确性，对传统人工开凿炮眼的操作方式有效代替，进而使隧道施工环境得到有效改善并降低的施工成本。凿岩台车的多个机械臂具有很强的自由度，操作时可以控制机械臂各个关节的运动。文章主要分析了凿岩台车机械臂和液压系统，以期为凿岩台车机械臂液压控制系统的优化设计提供助力。
        【关键词】凿岩台车；液压系统；运动控制
        1.凿岩台车机械臂分析
        1.1凿岩台车工作原理
        随着社会经济科技的迅猛发展，当前城市化建设对隧道施工建设的需求不断提升，现代隧道施工过程中，凿岩车已经成为钻凿炮眼施工中比较重要的设备。在具体钻凿隧道过程中，凿岩台车的机械臂部分、推进梁以及凿岩钻机。在实际应用的过程当中由凿岩钻机开凿炮眼，机械臂的主要作用在于准确定位炮眼，可以说机械臂石凿岩台车的重要结构之一，机械臂液压控制的质量和水平直接影响着凿岩台车的作业质量。为了使凿岩台车在施工操作过程中具有更高的灵活性，机械臂在设计环节重点关注了结构设计，采用多关节的连接形式提升机械臂使用时的自由度，从而应对不同隧道作业情况下的需求。在狭小的隧道中凿岩台车能够完成不同类型炮眼的钻凿工作。而随着隧道开凿技术的深入发展，凿岩台车在作业时所携带的机械臂数量也不断提升，一辆凿岩台车通常搭载多个机械臂以满足工期需求，目前三机械臂的凿岩台车应用最为广泛。

        图 1钻凿炮眼作业流程图
        在作业时首先将凿岩台车移动到与施工断面最接近的位置，停车之后开启四周的支腿并利用激光设备进行凿岩台车定位。图一所示为钻凿炮眼作业流程。施工时首先通过设计软件确定施工断面炮眼位置的布置情况，并生成炮眼布置图。之后凿壁台车的车载计算机系统对炮眼布置图进行计算和分析，从而对机械臂不同关节运动有效控制，明确机械臂于炮眼的位置。施工人员需要实时关注凿壁台车的现场机械臂工作情况，管理人员可以通过对信息的反馈及时调整机械臂针对的炮眼位置。为了对隧道断面炮眼定位的准确度、精度有效保证，施工人员需要平稳精确的控制机械臂各个关节的运动。
        1.2模型结构
        在施工的过程中为了有效提升凿壁工作效率，保证隧道开凿施工质量，凿壁台车经常会装载多个机械臂共同作业，这些机械臂的控制方式是相同的。当前隧道开采过程中最为常用的机械臂结构为双三角十字铰型结构，这种机械臂结构紧凑，因此能够很好的控制机械臂的运动形式，在施工过程中能够进行平行移动，并且具有比较快的移动速度，移动时具有比较好的稳定性，因此能够有效提升炮眼定位的准确性。推进梁、后壁、延伸缸、前臂等部件是机械臂的主要组成部分。后臂的左右支臂液压油缸能够调节机械臂上下左右运动，完成摆动或俯仰的运动轨迹。借助中臂的延伸缸，能够开展伸缩运动，缩短、伸长机械臂等。前臂的翻转液压马达能够对梁上凿岩机以及钎杆之间的角度有效调整。对开凿炮眼角度的需求有效满足，提升凿壁台车机械臂的适应性。凿壁台车作为大型隧道施工机械设备，在施工的过程中一旦车体定位后不能进行二次移动，必须借助机械臂各个关节的运动调整钻凿炮眼角度。同时，施工人员需要控制机械臂，对凿岩台车的工作效率提升。在进行开凿施工时，摆动俯仰功能、转动功能以及伸缩功能是机械臂的主要功能，这些动作与液压油缸的控制和液压系统有着非常密切的联系。
        2.液压系统分析
        2.1动力元件
        在运作机械臂液压系统运行的过程中，整个系统的动力由液压油泵提供。液压油泵是系统动力元件部分，其能够转化电机提供的机械能量为动能供给系统不同部分。针对不同的隧道开凿环境并结合液压油泵的运作原理，对液压油泵不同结构、功能有效设计，包括柱塞泵、齿轮泵以及叶片泵。结合液压油泵能否调节单位时间内排出的液压油将液压油泵分为定量泵和变量泵两种类型。
        2.2控制元件
        在液压系统中，为了提升对调节管路中液压油的有效控制，会选择不同类型的液压阀元件作为控制元件提升系统整体控制能力。针对不同情况下对液压系统的控制需求，将这些液压阀控制元件分为压力可调型、流量可调型和方向可控型等，而根据控制阀的不同调节方式也可以将液压阀分为多种控制类型。当前隧道开凿过程中常用的液压系统主要为三位四通电磁转向阀，如图所示为三位四通电磁换向阀的内部结构。

        图 2三位四通电磁换向阀的内部结构
        2.3执行元件
        在液压系统工作时，驱动设备需要借助系统的执行元件，即是液压马达、液压油缸。借助执行元件，能够转化液压油泵中液压为机械能量，对设备动力有效保障。相关工作人员可以将设备运行需求为基础，与液压有的作用有效结合，对输出力转矩、速度以及转速有效调整，从而保证凿岩台车机械臂的直线往返运动、回转运动。
        2.4辅助元件
        对于完整的液压系统而言，需要结合控制元件、动力元件以及执行元件，同时还需要结合借助不同容积的油管、油箱、密封圈以及过滤器等辅助元件。在液压系统中主要由液压油来实现能量的传递，但由于复杂的工作环境所造成的温度、压力、气泡等影响因素的改变，液压油如果被污染也会严重影响系统中元件的寿命，因此需要配备多个辅助元件对液压油进行过滤和保护，保障凿岩台车机械臂使用的稳定性和安全性。
        3.基于凿岩台车机械臂液压控制系统的优化设计
        与现阶段凿岩台车机械臂工况、液压系统运行原理相结合，对变频器配合定量泵加液压油缸的变频调速控制方案有效设计，由于机械臂在运动过程中需要通过液压系统进行频繁的启停，因此整个运动状态经常会对液压油缸产生冲击性，为了提升机械臂运动的平稳性和准确性，需要通过平稳控制的方案提升机械臂的定位机构精度。借助变频器，能够对电机运行速度有效调节，控制压泵的排量，进一步对液压油缸伸缩运行状态、运行速度调整。与传统阀控方式比较，上述调控对机械臂的实际运动状态重视，借助动态调节机械臂运行状态，对液压泵的输出能量有效优化，促进能量直接作用于负载，对系统能量利用率、运行效率有效提升。此外，其也能够保护机械臂的机械结构，对液压油缸形成控制准确性有效提升，使机械臂的炮眼定位精度大幅提升。
        4.小结
        综上所述，在进行岩石隧道施工开采的过程中如果采用人工开爆破的方法，不仅难以达到开凿炮眼的施工标准，也很难保障施工质量和效率，恶劣的施工环境也对工人的身体健康造成伤害。利用凿岩台车进行隧道工程施工是我国现代化隧道施工建设发展的需要，基于此对凿岩台车机械臂液压控制系统进行优化分析是非常必要的。针对其中存在的不足，相关的工作人员仍要加强相应的研究。
        【参考文献】
        [1]顾波.基于DSP的液压挖掘机机械臂操控系统设计[D].河北:燕山大学,2009.
        [2]鲁佛文.基于AMESim的液压机械悬臂控制动态仿真研究[J].机电信息,2019,(26):4-6.