洞庫鑿巖臺(tái)車無線操控裝置設(shè)計(jì)

宋世鵬，李舒

（航天工程大學(xué)士官學(xué)校，北京 102249）

鑿巖臺(tái)車是地下洞庫施工最常用的機(jī)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(nèi)空間狹窄，光線昏暗，人員與臺(tái)車運(yùn)動(dòng)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(jìn)行支護(hù)段很容易發(fā)生塌方等重大事故，同時(shí)，鑿巖過程會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，對人體健康威脅較大，且臺(tái)車鉆進(jìn)中會(huì)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(shí)噪音巨大，長期工作對人員聽力又會(huì)造成損傷，這些不利因素在一定程度上都會(huì)影響施工進(jìn)度，降低了作業(yè)效率。論文主要進(jìn)行洞庫鑿巖臺(tái)車無線操控裝置設(shè)計(jì)研究，來解決各種人員健康和安全性問題。

1 項(xiàng)目基本情況

1．1 裝置簡介

洞庫鑿巖臺(tái)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(tái)車的操控裝置進(jìn)行技術(shù)改造。主要采取優(yōu)化動(dòng)作設(shè)計(jì)，加裝遠(yuǎn)程無線機(jī)電裝置、信號(hào)傳輸裝置，采集并實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)狀態(tài)等多方位集成應(yīng)用的方法，實(shí)現(xiàn)鑿巖臺(tái)車的遠(yuǎn)程無線操控作業(yè)，以避免洞庫內(nèi)作業(yè)時(shí)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(tái)車是地下洞庫工程建設(shè)的主體裝備，主要有一體式和分體式兩種機(jī)型。一體式鑿巖臺(tái)車集成了操控室、動(dòng)力機(jī)、空壓機(jī)、電力系統(tǒng)及集塵系統(tǒng)，整合度極高，價(jià)格昂貴；分體式鑿巖臺(tái)車不具備集成性，作業(yè)時(shí)，需要與高壓氣源車、發(fā)電機(jī)組、集塵系統(tǒng)等進(jìn)行匹配連接后使用，其結(jié)構(gòu)相對簡單，價(jià)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(jī)型都需要操作人員實(shí)裝操作，不具備無線操控功能。其中，分體式機(jī)型不具備操控室，人員直接暴露在無任何防護(hù)的洞庫中，在施工中使用得更多一些；一體式機(jī)型雖然具有操控室，但其只是普通駕駛艙，不具備任何防護(hù)功能。另洞庫內(nèi)光線微弱、空間狹窄，臺(tái)車鑿巖作業(yè)時(shí)振動(dòng)、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(shè)計(jì)方案

2．1 設(shè)計(jì)思路

無線操控裝置是以現(xiàn)有裝備控制閥組為基礎(chǔ)，不改變原車液壓元件組成和位置，而是利用矢量隨動(dòng)電機(jī)進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)，將電機(jī)電控技術(shù)、無線通信技術(shù)、信號(hào)采集技術(shù)等進(jìn)行集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)臺(tái)車操控安全性和作業(yè)效率的大幅提高，并大大降低臺(tái)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(guān)鍵技術(shù)解決方案

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

（1）電動(dòng)推桿定制。電動(dòng)推桿是設(shè)計(jì)無線操控裝置的核心部件，它是實(shí)現(xiàn)手動(dòng)液壓閥桿推拉運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件。首先，測量臺(tái)車液壓閥桿的推拉位移行程和推拉力大??；其次，對電動(dòng)推桿進(jìn)行改裝，調(diào)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(qū)動(dòng)器推桿的起始位置，使其能夠?qū)崿F(xiàn)推出50mm行程，拉回50mm行程，與臺(tái)車液壓閥桿動(dòng)作相一致；再次，要推桿進(jìn)行限位改造，限定其最大伸出和縮回位置，防止電機(jī)燒毀；最后，最重要的一步是對推桿加裝電位計(jì)，實(shí)現(xiàn)推桿推拉運(yùn)動(dòng)的矢量控制。

參數(shù)選擇：電壓一般選擇直流24V（電源可由臺(tái)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(jì)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(jì)壓差信號(hào)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(shí)現(xiàn)無線操控的操作元件，需定制帶碳膜電位計(jì)的一字搖桿，根據(jù)臺(tái)車閥桿的定位、復(fù)位形式，需要定制一字復(fù)位搖桿7個(gè)、一字定位搖桿2個(gè)。

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

（3）電氣控制線路設(shè)計(jì)。裝置的電氣控制線路包括信號(hào)發(fā)射模塊、信號(hào)接收模塊和推桿驅(qū)動(dòng)模塊三部分構(gòu)成，是裝置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。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(hào)發(fā)射模塊。信號(hào)發(fā)射模塊采用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO），16.000MHz頻率，設(shè)計(jì)有16路信號(hào)傳輸通道，可實(shí)現(xiàn)臺(tái)車16個(gè)動(dòng)作信號(hào)輸出，模塊與搖桿整合為裝置的遙控器，采用獨(dú)立直流電源供電，設(shè)計(jì)電壓范圍為8.4～12V，可選用12V可充電式鋰電池進(jìn)行供電，隨著電壓降低，遙控距離會(huì)逐漸下降。

②信號(hào)接收模塊。信號(hào)接收模塊同樣采用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO），16.000MHz頻率，設(shè)計(jì)有16路信號(hào)接收通道，可實(shí)現(xiàn)臺(tái)車16個(gè)動(dòng)作信號(hào)接收，模塊與推桿驅(qū)動(dòng)電路整合為裝置的綜合控制器，采用臺(tái)車直流電源統(tǒng)一為綜合控制器供電，不再單獨(dú)設(shè)立電源，設(shè)計(jì)電壓為5V。信號(hào)發(fā)射與接收模塊需進(jìn)行16路無線信號(hào)的匹配設(shè)計(jì)。

③推桿驅(qū)動(dòng)模塊。推桿驅(qū)動(dòng)模塊主要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)推桿和信號(hào)接收模塊的橋接，進(jìn)行電位信號(hào)的輸入和推桿電位信號(hào)的反饋，并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，可對其單片機(jī)IC芯片進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。其中，點(diǎn)推桿為五線制，兩根為電源正負(fù)極，另外三根為信號(hào)線，可通過萬用表確定其中位線，如電位計(jì)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(tái)電動(dòng)推桿需配備一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路模塊，集成在綜合控制器內(nèi)。

2．3 機(jī)械連接件設(shè)計(jì)

（1）推桿連接端設(shè)計(jì)。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(zhuǎn)動(dòng)，防止固定死推桿伸縮時(shí)導(dǎo)致推桿變形損傷。連接件如圖3所示，尺寸可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整后定制。推桿與車體閥桿的連接一般采用弓形保險(xiǎn)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(shè)計(jì)。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(jìn)行打孔，信號(hào)發(fā)射模塊電路板需用螺釘固定在殼體內(nèi)，如圖5所示。

圖5 推桿缸體連接件

3 裝置主要特點(diǎn)

3．1 實(shí)現(xiàn)多技術(shù)集成應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)無線通信技術(shù)、電機(jī)矢量控制技術(shù)、機(jī)電液一體化技術(shù)的集成應(yīng)用，采用雙向反饋信號(hào)以FSK方式進(jìn)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(diǎn)，并采用變壓器降壓，內(nèi)部開關(guān)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(shí)現(xiàn)操控力自學(xué)習(xí)

通過大量人—機(jī)操控力參數(shù)測量仿真，可實(shí)現(xiàn)人—機(jī)操控力的模擬轉(zhuǎn)換，使其具有自記憶、自匹配、自學(xué)習(xí)功能，并通過高精度推桿進(jìn)行動(dòng)作輸出，使電機(jī)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)、電機(jī)零速時(shí)可以輸出額定扭矩，且可以快速地加減速，實(shí)現(xiàn)與不同操作人員手動(dòng)操作力的匹配適應(yīng)。