鑿巖臺(tái)車液壓臂平動(dòng)精度問題分析

于鵬

[摘要]：鑿巖臺(tái)車液壓臂平動(dòng)精度關(guān)系到隧道開挖時(shí)超欠挖的量的控制，如果鑿巖臺(tái)車液壓臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，則液壓臂平動(dòng)時(shí)精度較差，開挖隧道邊孔時(shí)推進(jìn)梁外插角無法控制，隧道超欠挖難以控制，施工精度無法保證，且施工成本隨之增加。

[關(guān)鍵詞]：液壓臂；平動(dòng)精度；外插角；超欠挖控制

隧道鑿巖臺(tái)車以其鉆進(jìn)速度快、鉆進(jìn)精度高、施工安全有保障等優(yōu)點(diǎn)正逐步取代人工手風(fēng)鉆司鉆的方式，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一旦人工手風(fēng)鉆工人月工資高于9000元，則鑿巖臺(tái)車在使用成本、施工效率、施工安全性等方面全面占優(yōu)勢(shì)。因此，根據(jù)目前我國國情，勞動(dòng)力已經(jīng)出現(xiàn)了缺口，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，缺口將進(jìn)一步增大，施工單位用人成本也將進(jìn)一步增加，所以，隧道鑿巖臺(tái)車在未來礦山法施工的隧道項(xiàng)目中必將受到青睞。隧道鑿巖臺(tái)車的最大優(yōu)點(diǎn)是可獲得很精準(zhǔn)的隧道輪廓、減少超欠挖，從而節(jié)省襯砌所需的混凝土，大幅降低隧道開挖的成本。但是如果鑿巖臺(tái)車液壓臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、臂定位液壓系統(tǒng)與液壓臂結(jié)構(gòu)不匹配，則可能導(dǎo)致液壓臂平動(dòng)精度差，開挖隧道邊孔時(shí)推進(jìn)梁外插角無法控制，隧道超欠挖難以控制，施工精度無法保證，且施工成本隨之增加。

1、存在問題描述

如圖1所示是我公司設(shè)計(jì)研發(fā)的一款新型液壓臂，該型液壓臂具有臂筒體剛度高、豎直面內(nèi)撓度小、定位迅速等優(yōu)點(diǎn)。但是在廠內(nèi)做打鉆試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆頭入巖位置與鉆頭出巖位置沿鉆桿延長(zhǎng)線方向存在偏移，并且該偏移量已經(jīng)超出隧道施工能夠接受范圍。

2、存在問題分析

鑿巖臺(tái)車在司鉆時(shí)，由于鉆頭在鉆進(jìn)過程中受到巖石等外界因素以及鑿巖機(jī)等內(nèi)在因素的綜合影響，所以鉆頭入巖位置與鉆頭出巖位置沿鉆桿延長(zhǎng)線方向存在偏移，但是一般偏移量可控，數(shù)值很小，基本分布于與鉆桿延長(zhǎng)線成±0.5°的錐形體內(nèi)。廠內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)偏移量已經(jīng)明顯超出±0.5°的錐形體范圍。

針對(duì)以上問題，首先通過做空載試驗(yàn)排除巖石等外界因素的干擾，通過做空載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)液壓臂平動(dòng)精度在空載運(yùn)動(dòng)時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了較大偏差。平動(dòng)精度較差，有可能是液壓臂上三角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、不精確造成的，也有可能是臂定位液壓系統(tǒng)（如油缸活塞桿和平衡閥內(nèi)泄等）造成的，以上兩點(diǎn)都可能讓液壓臂上下三角油缸不按照設(shè)計(jì)比例伸縮，最終反映到液壓臂上就是平動(dòng)過程中推進(jìn)梁前后點(diǎn)位移不同，這將導(dǎo)致在司鉆時(shí)推進(jìn)梁是傾斜著頂在掌子面上的，所以鉆出來的孔是傾斜的。

3、平動(dòng)精度測(cè)試過程

針對(duì)以上分析，通過如下試驗(yàn)來檢測(cè)液壓臂平動(dòng)精度以及油缸內(nèi)泄。

試驗(yàn)一：如圖1所示，點(diǎn)M1位于推進(jìn)梁尾端底平面，點(diǎn)M2位于推進(jìn)梁前端底平面，點(diǎn)M3位于翻轉(zhuǎn)油缸前部底端。點(diǎn)M1與點(diǎn)M2的距離為L(zhǎng)。點(diǎn)N1、點(diǎn)N2、點(diǎn)N3是處于水平面的大地測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)。

試驗(yàn)過程：液壓臂下擺35度，正中校正水平，然后將液壓臂上擺至水平，然后再往左擺動(dòng)45度，然后擺至右45度。

根據(jù)表1，繪制圖2，經(jīng)測(cè)量，液壓臂左擺45°時(shí)與初始狀態(tài)的夾角為0.18°（推進(jìn)梁前端往內(nèi)扣），液壓臂擺至右45°時(shí)與初始狀態(tài)夾角3.61°（推進(jìn)梁前端往內(nèi)扣）。

試驗(yàn)二：油缸內(nèi)泄檢測(cè)：如圖3所示，在雙三角臂定位系統(tǒng)中，左（右）上部油缸和右（左）下部油缸通過串聯(lián)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)動(dòng)作，上部油缸的無桿腔與下部油缸的有桿腔串聯(lián)，液壓臂平動(dòng)時(shí)，上下部油缸可按比例伸縮，一旦出現(xiàn)內(nèi)泄，則上下部油缸伸縮比例變化，液壓臂平動(dòng)就不在精準(zhǔn)了。

試驗(yàn)過程：油缸縮短到極限行程，然后從有桿腔進(jìn)油口打壓，觀察無桿腔進(jìn)油口泄漏量。

4、試驗(yàn)結(jié)果分析

分析以上試驗(yàn)結(jié)果可知，內(nèi)泄是造成液壓臂平動(dòng)精度差的一大因素，液壓臂上下三角油缸更換了平衡閥和缸內(nèi)密封；

設(shè)計(jì)人員重新模擬了雙三角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸，發(fā)現(xiàn)雙三角機(jī)構(gòu)的相似比為0.64-0.66之間，而上下油缸的相似比為0.6375，這兩者之間存在較大誤差；于是又重新模擬設(shè)計(jì)了雙三角機(jī)構(gòu)，將雙三角機(jī)構(gòu)的相似比調(diào)整到0.6374-0.6378之間，精度大幅提高。

5、結(jié)論

隧道鑿巖臺(tái)車液壓臂是一個(gè)多關(guān)節(jié)、多自由度、多機(jī)構(gòu)耦合的綜合體，雙三角液壓臂采用極坐標(biāo)臂定位系統(tǒng)，相比較于直角坐標(biāo)臂定位系統(tǒng)，其定位精準(zhǔn)迅速、優(yōu)勢(shì)明顯，但是如何將上三角臂定位系統(tǒng)這一理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品卻是非常復(fù)雜的，要成功研制一款液壓臂，既要求雙三角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)精準(zhǔn)，又要求臂定位液壓系統(tǒng)與雙三角機(jī)構(gòu)完美匹配，二者其一出現(xiàn)問題，就會(huì)出現(xiàn)諸如液壓臂平動(dòng)精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、液壓臂下降時(shí)抖動(dòng)、液壓系統(tǒng)壓力過高等一系列問題。總的來說，要想研發(fā)出一款液壓臂，既要知道其中的重點(diǎn)難點(diǎn)，又要掌握科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法，只有這樣才能少走彎路。

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