劉軍，劉桓龍，柯堅(jiān)，王國(guó)志，鄧斌

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031)

針對(duì)現(xiàn)有地鐵隧道剛性懸掛接觸網(wǎng)安裝施工中錨螺栓孔鉆孔工藝機(jī)械化程度和鉆孔質(zhì)量低的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的新型鉆孔設(shè)備，其三維模型如圖1所示。

圖1 鉆孔設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該裝置的主要功能是實(shí)現(xiàn)鉆具在隧道內(nèi)鉆孔定位的機(jī)械化和自動(dòng)化，然后控制鉆具完成鉆孔作業(yè)。其結(jié)構(gòu)主要包括升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、調(diào)平機(jī)構(gòu)和XY向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)電液控制系統(tǒng)控制其運(yùn)動(dòng)。其中，升降柱機(jī)構(gòu)主要通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)的套管立柱實(shí)現(xiàn)上下直線運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，調(diào)平機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的左右自動(dòng)調(diào)平，XY向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為水平面內(nèi)的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。作者對(duì)鉆孔設(shè)備的電液控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)電信號(hào)按照作業(yè)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制。

1 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用液壓驅(qū)動(dòng)。其中X、Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì)行程為750 mm，調(diào)平機(jī)械的設(shè)計(jì)調(diào)平范圍為±15°，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)液壓缸的擺動(dòng)范圍為±120°，升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)行程為1 000 mm。各液壓缸除了能平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置外還能實(shí)現(xiàn)在預(yù)定位置的可靠鎖定。液壓控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 鉆孔設(shè)備液壓控制系統(tǒng)原理圖

如圖2，因?yàn)橐獙?duì)各執(zhí)行元件實(shí)行分別控制，所以液壓系統(tǒng)采用由多路換向閥8組成的并聯(lián)回路組成。液壓泵3輸出的油能直接進(jìn)到各換向閥8的進(jìn)油腔。各聯(lián)控制回路通過(guò)換向閥8的右位卸荷，左位進(jìn)油工作。

如圖2所示，X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓缸12.1通過(guò)兩個(gè)調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)兩級(jí)調(diào)速，方便鉆孔裝置的精確定位。為實(shí)現(xiàn)較平穩(wěn)的速度換接，兩個(gè)調(diào)速閥采用串聯(lián)連接。為使液壓缸能實(shí)現(xiàn)任意位置的可靠鎖定，在液壓回路上設(shè)計(jì)由兩個(gè)液控單向閥組成的雙向液壓鎖，同時(shí)液控單向閥還具有平衡閥的作用。Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓控制回路原理相同。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓控制回路中設(shè)計(jì)有兩個(gè)平衡閥16.1、16.2，使擺動(dòng)液壓缸的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。擺動(dòng)液壓缸17的制動(dòng)器液壓缸18為常抱閘狀態(tài)，在回路不通油時(shí)，其在彈簧力的作用下將擺動(dòng)液壓缸鎖定，當(dāng)回路進(jìn)油即電磁鐵12YA得電時(shí)，油壓克服彈簧力緩慢地將制動(dòng)器液壓缸18與擺動(dòng)液壓缸17分離，從而擺動(dòng)液壓缸能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)鉆孔設(shè)備平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)有角度傳感器，用以觀測(cè)擺動(dòng)液壓缸的旋轉(zhuǎn)角度，方便控制。

升降機(jī)構(gòu)液壓控制回路有兩個(gè)執(zhí)行元件，即控制機(jī)械鎖銷的彈簧復(fù)位液壓缸20和驅(qū)動(dòng)升降柱運(yùn)動(dòng)的液壓缸12.3。兩個(gè)執(zhí)行元件的控制回路通過(guò)行程開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)順序控制。機(jī)構(gòu)上升時(shí)，液壓回路首先將鎖死銷拔出，然后控制機(jī)構(gòu)上升。當(dāng)機(jī)構(gòu)到達(dá)預(yù)定鉆孔位置后，鎖死銷重新將機(jī)構(gòu)機(jī)械鎖定，同時(shí)液壓缸12.3通過(guò)液控單向閥22.5和蓄能器21實(shí)現(xiàn)液壓鎖定。機(jī)構(gòu)下降時(shí)，液控單向閥22.5起平衡閥作用。當(dāng)機(jī)構(gòu)下降到最低位時(shí)，機(jī)械鎖將升降機(jī)構(gòu)鎖定。在液壓缸無(wú)桿腔的進(jìn)油口還設(shè)計(jì)有防爆閥23，當(dāng)進(jìn)油管道爆裂時(shí)，管路流量突然增大，防爆閥自動(dòng)關(guān)閉，阻止液壓缸突然下落，防止安全事故的發(fā)生。

當(dāng)鉆孔裝置平臺(tái)傾斜時(shí)，不僅會(huì)影響裝置的定位精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起平臺(tái)側(cè)翻。調(diào)平機(jī)構(gòu)液壓控制回路中兩個(gè)液控單向閥22.6、22.7起雙向液壓鎖和平衡閥的作用。同時(shí)，由于液壓缸12.4是立式的，為了防止液壓缸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)由于液控單向閥的開(kāi)和關(guān)斷斷續(xù)續(xù)而引起的振動(dòng)現(xiàn)象，在回路上設(shè)計(jì)有單向節(jié)流閥，使回油路油液的流速平穩(wěn)，從而減小液壓缸的振動(dòng)。

2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)中各電磁鐵、繼電器和行程開(kāi)關(guān)的動(dòng)作順序由電控系統(tǒng)控制。電路控制系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。

圖3 電控系統(tǒng)原理圖

圖3中，YA指液壓缸電磁鐵的繼電器開(kāi)關(guān)，分常開(kāi)和常閉型。L0為總開(kāi)關(guān)指示燈。K1為各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)速度調(diào)節(jié)中的快速開(kāi)關(guān);K2為慢速開(kāi)關(guān)。其他各開(kāi)關(guān)分別成對(duì)控制某一運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸的正反向運(yùn)動(dòng)。并且各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)正反向運(yùn)動(dòng)控制開(kāi)關(guān)都設(shè)計(jì)為接通和切斷信號(hào)反向互鎖，防止誤操作。

3 無(wú)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)中各物理開(kāi)關(guān)既可以通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制又可以通過(guò)手動(dòng)控制。通過(guò)無(wú)線傳輸控制信號(hào)能解決有線傳輸布線繁瑣、束縛操作人員活動(dòng)空間且不易拆卸的問(wèn)題?；谒淼纼?nèi)環(huán)境和可靠性要求的考慮，決定采用基于DTMF編碼的遠(yuǎn)程無(wú)線控制方案。

DTMF編碼即雙音多頻信號(hào)，由一組高頻信號(hào)和一組低頻信號(hào)組成，具有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于固話、對(duì)講機(jī)等無(wú)線通信設(shè)備中，是工程用遠(yuǎn)程無(wú)線信號(hào)控制的理想選擇。

YST121-04遠(yuǎn)程無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)板是利用兩個(gè)對(duì)講機(jī)傳輸DTMF編碼信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程控制的電子控制模塊。該模塊的控制信號(hào)是一串帶有密碼的控制指令，所以其傳輸?shù)闹噶钚盘?hào)既安全又具有強(qiáng)的抗干擾能力。一塊該開(kāi)發(fā)板能控制遠(yuǎn)端4個(gè)開(kāi)關(guān)量。在此設(shè)計(jì)中采用3塊開(kāi)發(fā)板控制，各開(kāi)發(fā)板的控制指令能自定義。無(wú)線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的原理如圖4所示。

圖4 無(wú)線控制系統(tǒng)原理圖

圖4中，對(duì)講機(jī)1為本地遙控機(jī)，對(duì)講機(jī)2為遠(yuǎn)端受控機(jī)。工作時(shí)，操作人員通過(guò)對(duì)講機(jī)1發(fā)送DTMF碼指令到對(duì)講機(jī)2，對(duì)講機(jī)2將信號(hào)傳遞給YST121-04開(kāi)關(guān)板，開(kāi)發(fā)板對(duì)信號(hào)進(jìn)行確認(rèn)分析后控制相應(yīng)的繼電器開(kāi)和關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)量的控制。

該遠(yuǎn)程無(wú)線控制方案開(kāi)發(fā)成本較低。對(duì)講機(jī)選用摩托羅拉或建伍等成熟品牌以提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

在地鐵隧道內(nèi)試驗(yàn)，用一臺(tái)4 W的高功率摩托對(duì)講機(jī)進(jìn)行干擾。當(dāng)接收端與發(fā)射端位于空曠隧道內(nèi)時(shí)，在50和70 m的測(cè)試距離下都不存在干擾。當(dāng)接收端與發(fā)射端中間有設(shè)備車 (金屬屏蔽)時(shí)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 干擾測(cè)試1

當(dāng)接收端與發(fā)射端之間有鋼筋混凝土墻阻擋，即拐彎處，同時(shí)中間又有設(shè)備車 (金屬屏蔽)時(shí)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 干擾測(cè)試2

設(shè)計(jì)中的本地遙控機(jī)和遠(yuǎn)端受控機(jī)之間的距離在20 m范圍以內(nèi)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，其基本不受干擾機(jī)影響，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

完成了一種新型地鐵隧道剛性懸掛接觸網(wǎng)安裝施工中錨螺栓孔鉆孔設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及遠(yuǎn)程無(wú)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用機(jī)電液一體化的控制系統(tǒng)具有傳動(dòng)可靠、功率密度大、控制精確方便的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)理論分析和初步的實(shí)驗(yàn)，該鉆孔設(shè)備具有較高的穩(wěn)定性、可靠性和自動(dòng)化程度，為實(shí)際生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)。

［1］初長(zhǎng)紅.TY型接觸網(wǎng)作業(yè)車液壓系統(tǒng)［J］.太原科技，2002(4):39－40.

［2］李壯云.液壓元件與系統(tǒng)［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］侯云輝，劉志奇，盧菡涵，等.基于S7-200PLC技術(shù)的升降平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2013(2):41－44.

［4］成文術(shù)，楊波.基于單片機(jī)技術(shù)的機(jī)車升降平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010(4):152－156.

［5］單亞男，劉志奇，武宗才，等.接觸網(wǎng)作業(yè)車自動(dòng)控制作業(yè)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)［J］.液壓與氣動(dòng)，2011(5):58－61.

［6］張文增.基于AVR嵌入式單片機(jī)的定時(shí)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2011(1):153－154.

［7］張利平.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［8］孫驊，王業(yè)潘.新式輕巧型曲臂高空工程作業(yè)車液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(14):31－34.