宋世鵬，李舒

（航天工程大學士官學校，北京 102249）

鑿巖臺車是地下洞庫施工最常用的機械，但其施工中面臨的事故隱患也是最突出的。因坑道、洞庫內空間狹窄，光線昏暗，人員與臺車運動部件（如履帶、鉆臂、鉆具等）產(chǎn)生直接接觸，且施工過程中，洞庫未進行支護段很容易發(fā)生塌方等重大事故，同時，鑿巖過程會產(chǎn)生大量粉塵，對人體健康威脅較大，且臺車鉆進中會產(chǎn)生大量巖石碎渣，從鉆頭部位呈喇叭口狀向外飛濺，對人體造成擊打，人員安全沒有保障，作業(yè)時噪音巨大，長期工作對人員聽力又會造成損傷，這些不利因素在一定程度上都會影響施工進度，降低了作業(yè)效率。論文主要進行洞庫鑿巖臺車無線操控裝置設計研究，來解決各種人員健康和安全性問題。

1 項目基本情況

1．1 裝置簡介

洞庫鑿巖臺車無線操控裝置主要針對地下洞庫鑿巖作業(yè)過程存在的安全隱患問題，對鑿巖臺車的操控裝置進行技術改造。主要采取優(yōu)化動作設計，加裝遠程無線機電裝置、信號傳輸裝置，采集并實時監(jiān)控作業(yè)狀態(tài)等多方位集成應用的方法，實現(xiàn)鑿巖臺車的遠程無線操控作業(yè)，以避免洞庫內作業(yè)時可能發(fā)生的洞庫塌方、人員誤操作等重大安全事故。

1．2 研究背景

洞庫鑿巖臺車是地下洞庫工程建設的主體裝備，主要有一體式和分體式兩種機型。一體式鑿巖臺車集成了操控室、動力機、空壓機、電力系統(tǒng)及集塵系統(tǒng)，整合度極高，價格昂貴；分體式鑿巖臺車不具備集成性，作業(yè)時，需要與高壓氣源車、發(fā)電機組、集塵系統(tǒng)等進行匹配連接后使用，其結構相對簡單，價格低廉，在各類施工中配備數(shù)量較大，使用非常廣泛。

上述兩種機型都需要操作人員實裝操作，不具備無線操控功能。其中，分體式機型不具備操控室，人員直接暴露在無任何防護的洞庫中，在施工中使用得更多一些；一體式機型雖然具有操控室，但其只是普通駕駛艙，不具備任何防護功能。另洞庫內光線微弱、空間狹窄，臺車鑿巖作業(yè)時振動、噪音較大，極易發(fā)生塌方事故，事故一旦發(fā)生，對人員和裝備來說，基本都是致命性的毀傷。

2 裝置設計方案

2．1 設計思路

無線操控裝置是以現(xiàn)有裝備控制閥組為基礎，不改變原車液壓元件組成和位置，而是利用矢量隨動電機進行裝置設計，將電機電控技術、無線通信技術、信號采集技術等進行集成應用，實現(xiàn)臺車操控安全性和作業(yè)效率的大幅提高，并大大降低臺車的改造成本。裝置組成如圖1所示。

圖1 無線操控裝置組成圖

2．2 關鍵技術解決方案

本文主要針對國產(chǎn)XX型鑿巖臺車液壓閥組進行無線操控裝置設計。XX型鑿巖臺車手動液壓閥組主要包括履帶行走液壓閥2個、鑿巖作業(yè)裝置液壓閥7個，另含啟動按鈕1個、棘輪油門控制1個，共計11個動作。其中，液壓閥桿有兩種動作形式，分別是一字彈簧復位式和一字鋼球定位式，均為雙向行程控制；啟動按鈕為點動控制；齒輪油門為雙向棘輪定位。

（1）電動推桿定制。電動推桿是設計無線操控裝置的核心部件，它是實現(xiàn)手動液壓閥桿推拉運動的執(zhí)行元件。首先，測量臺車液壓閥桿的推拉位移行程和推拉力大小；其次，對電動推桿進行改裝，調整其位移行程范圍，如由0～100mm改為-50～50mm的行程范圍，也就是改變驅動器推桿的起始位置，使其能夠實現(xiàn)推出50mm行程，拉回50mm行程，與臺車液壓閥桿動作相一致；再次，要推桿進行限位改造，限定其最大伸出和縮回位置，防止電機燒毀；最后，最重要的一步是對推桿加裝電位計，實現(xiàn)推桿推拉運動的矢量控制。

參數(shù)選擇：電壓一般選擇直流24V（電源可由臺車24V蓄電池供電）、行程100mm、伸縮速度32mm/s、推拉力120N；推桿類型要選擇電位計推桿，也就是五線制推桿，其中兩根為直流電源線，其余三根為電位計壓差信號線；工作溫度范圍為-20～75℃，如冬季北方施工，可更換-40℃的防凍油。

（2）控制搖桿定制?？刂茡u桿是實現(xiàn)無線操控的操作元件，需定制帶碳膜電位計的一字搖桿，根據(jù)臺車閥桿的定位、復位形式，需要定制一字復位搖桿7個、一字定位搖桿2個。

參數(shù)選擇：電壓5V；阻值10KΩ；軌道運行角度50°；功耗0.25W；推拉壽命不低于30萬次；獨立線性±1.0%；三線制。

（3）電氣控制線路設計。裝置的電氣控制線路包括信號發(fā)射模塊、信號接收模塊和推桿驅動模塊三部分構成，是裝置設計的難點。裝置的電氣控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 無線操控裝置電氣控制系統(tǒng)示意圖

①信號發(fā)射模塊。信號發(fā)射模塊采用溫度補償晶體振蕩器（TCXO），16.000MHz頻率，設計有16路信號傳輸通道，可實現(xiàn)臺車16個動作信號輸出，模塊與搖桿整合為裝置的遙控器，采用獨立直流電源供電，設計電壓范圍為8.4～12V，可選用12V可充電式鋰電池進行供電，隨著電壓降低，遙控距離會逐漸下降。

②信號接收模塊。信號接收模塊同樣采用溫度補償晶體振蕩器（TCXO），16.000MHz頻率，設計有16路信號接收通道，可實現(xiàn)臺車16個動作信號接收，模塊與推桿驅動電路整合為裝置的綜合控制器，采用臺車直流電源統(tǒng)一為綜合控制器供電，不再單獨設立電源，設計電壓為5V。信號發(fā)射與接收模塊需進行16路無線信號的匹配設計。

③推桿驅動模塊。推桿驅動模塊主要實現(xiàn)電動推桿和信號接收模塊的橋接，進行電位信號的輸入和推桿電位信號的反饋，并進行驅動的穩(wěn)壓設計，可對其單片機IC芯片進行編程設計。其中，點推桿為五線制，兩根為電源正負極，另外三根為信號線，可通過萬用表確定其中位線，如電位計阻值為10kΩ，那么，中位線與其它兩根之間的阻值均為5kΩ左右。每臺電動推桿需配備一個獨立的驅動電路模塊，集成在綜合控制器內。

2．3 機械連接件設計

（1）推桿連接端設計。推桿缸體與車體的連接一般采取小型銷軸支架連接，需保證推桿缸體可繞銷軸轉動，防止固定死推桿伸縮時導致推桿變形損傷。連接件如圖3所示，尺寸可根據(jù)需要進行調整后定制。推桿與車體閥桿的連接一般采用弓形保險卸扣連接，如圖4所示，將弓形卸扣套在閥桿上，要保證較小的曠量。

圖3 推桿缸體連接件

圖4 推桿連接件

（2）遙控器殼體設計。遙控器殼體一般采用鋁合金板制作，盡量縮小其體積尺寸，根據(jù)搖桿安裝尺寸大小，對面板進行打孔，信號發(fā)射模塊電路板需用螺釘固定在殼體內，如圖5所示。

圖5 推桿缸體連接件

3 裝置主要特點

3．1 實現(xiàn)多技術集成應用

實現(xiàn)無線通信技術、電機矢量控制技術、機電液一體化技術的集成應用，采用雙向反饋信號以FSK方式進行收發(fā)，通信方式比較成熟，具有高靈敏度加密無線通信特點，并采用變壓器降壓，內部開關電源能有效過濾出電源雜波使接收器工作更穩(wěn)定可靠。

3．2 實現(xiàn)操控力自學習

通過大量人—機操控力參數(shù)測量仿真，可實現(xiàn)人—機操控力的模擬轉換，使其具有自記憶、自匹配、自學習功能，并通過高精度推桿進行動作輸出，使電機在整個頻率范圍內運轉、電機零速時可以輸出額定扭矩，且可以快速地加減速，實現(xiàn)與不同操作人員手動操作力的匹配適應。