凿岩台车液压臂平动精度问题分析

于鹏

[摘要]：凿岩台车液压臂平动精度关系到隧道开挖时超欠挖的量的控制，如果凿岩台车液压臂结构设计不合理，则液压臂平动时精度较差，开挖隧道边孔时推进梁外插角无法控制，隧道超欠挖难以控制，施工精度无法保证，且施工成本随之增加。

[关键词]：液压臂；平动精度；外插角；超欠挖控制

隧道凿岩台车以其钻进速度快、钻进精度高、施工安全有保障等优点正逐步取代人工手风钻司钻的方式，据统计，一旦人工手风钻工人月工资高于9000元，则凿岩台车在使用成本、施工效率、施工安全性等方面全面占优势。因此，根据目前我国国情，劳动力已经出现了缺口，随着社会经济发展，缺口将进一步增大，施工单位用人成本也将进一步增加，所以，隧道凿岩台车在未来矿山法施工的隧道项目中必将受到青睐。隧道凿岩台车的最大优点是可获得很精准的隧道轮廓、减少超欠挖，从而节省衬砌所需的混凝土，大幅降低隧道开挖的成本。但是如果凿岩台车液压臂结构设计不合理、臂定位液压系统与液压臂结构不匹配，则可能导致液压臂平动精度差，开挖隧道边孔时推进梁外插角无法控制，隧道超欠挖难以控制，施工精度无法保证，且施工成本随之增加。

1、存在问题描述

如图1所示是我公司设计研发的一款新型液压臂，该型液压臂具有臂筒体刚度高、竖直面内挠度小、定位迅速等优点。但是在厂内做打钻试验时发现钻头入岩位置与钻头出岩位置沿钻杆延长线方向存在偏移，并且该偏移量已经超出隧道施工能够接受范围。

2、存在问题分析

凿岩台车在司钻时，由于钻头在钻进过程中受到岩石等外界因素以及凿岩机等内在因素的综合影响，所以钻头入岩位置与钻头出岩位置沿钻杆延长线方向存在偏移，但是一般偏移量可控，数值很小，基本分布于与钻杆延长线成±0.5°的锥形体内。厂内试验时，发现偏移量已经明显超出±0.5°的锥形体范围。

针对以上问题，首先通过做空载试验排除岩石等外界因素的干扰，通过做空载试验，发现液压臂平动精度在空载运动时已经出现了较大偏差。平动精度较差，有可能是液压臂上三角结构设计不合理、不精确造成的，也有可能是臂定位液压系统（如油缸活塞杆和平衡阀内泄等）造成的，以上两点都可能让液压臂上下三角油缸不按照设计比例伸缩，最终反映到液压臂上就是平动过程中推进梁前后点位移不同，这将导致在司钻时推进梁是倾斜着顶在掌子面上的，所以钻出来的孔是倾斜的。

3、平动精度测试过程

针对以上分析，通过如下试验来检测液压臂平动精度以及油缸内泄。

试验一：如图1所示，点M1位于推进梁尾端底平面，点M2位于推进梁前端底平面，点M3位于翻转油缸前部底端。点M1与点M2的距离为L。点N1、点N2、点N3是处于水平面的大地测量基准点。

试验过程：液压臂下摆35度，正中校正水平，然后将液压臂上摆至水平，然后再往左摆动45度，然后摆至右45度。

根据表1，绘制图2，经测量，液压臂左摆45°时与初始状态的夹角为0.18°（推进梁前端往内扣），液压臂摆至右45°时与初始状态夹角3.61°（推进梁前端往内扣）。

试验二：油缸内泄检测：如图3所示，在双三角臂定位系统中，左（右）上部油缸和右（左）下部油缸通过串联实现关联动作，上部油缸的无杆腔与下部油缸的有杆腔串联，液压臂平动时，上下部油缸可按比例伸缩，一旦出现内泄，则上下部油缸伸缩比例变化，液压臂平动就不在精准了。

试验过程：油缸缩短到极限行程，然后从有杆腔进油口打压，观察无杆腔进油口泄漏量。

4、试验结果分析

分析以上试验结果可知，内泄是造成液压臂平动精度差的一大因素，液压臂上下三角油缸更换了平衡阀和缸内密封；

设计人员重新模拟了双三角机构设计尺寸，发现双三角机构的相似比为0.64-0.66之间，而上下油缸的相似比为0.6375，这两者之间存在较大误差；于是又重新模拟设计了双三角机构，将双三角机构的相似比调整到0.6374-0.6378之间，精度大幅提高。

5、结论

隧道凿岩台车液压臂是一个多关节、多自由度、多机构耦合的综合体，双三角液压臂采用极坐标臂定位系统，相比较于直角坐标臂定位系统，其定位精准迅速、优势明显，但是如何将上三角臂定位系统这一理论转化为实际产品却是非常复杂的，要成功研制一款液压臂，既要求双三角机构设计精准，又要求臂定位液壓系统与双三角机构完美匹配，二者其一出现问题，就会出现诸如液压臂平动精度达不到设计要求、液压臂下降时抖动、液压系统压力过高等一系列问题。总的来说，要想研发出一款液压臂，既要知道其中的重点难点，又要掌握科学合理的设计方法，只有这样才能少走弯路。

参考文献

[1]王恒升，何清华，薛云.三角钻臂的运动控制研究[J].同济大学学报.2006，34（5）.

[2]陈世涛.直接定位双三角支撑钻臂运动轨迹的计算机仿真[J].凿岩机械气动工具.1999，（3）.

[3]何清华，王恒升，邓春萍.双三角钻臂的定位控制及仿真[J].中南大学学报. 2006，37（4）.

[4]李川，阎天俊.双三角式液压钻臂平动机构分析[J].凿岩机械气动工具.1999，（3）.