隧道鑿巖機器人畢業(yè)設(shè)計

第1章 緒論4.1推進器的最大推進力的計算 18=1.555523208+300+150Sin6=7273.66N 18Fy:鑿巖機的最優(yōu)軸推力，取Fy=R=7273.66N 19=9351.372N 19 機械傳動總效率； 194.2 推進器液壓馬達的選型 194.4 前變幅液壓缸的主要參數(shù)計算 224.4.1 前變幅液壓缸的行程計算 224.4.2 前變幅液壓缸的有效面積計算 224.4.3 液壓缸的內(nèi)直徑和活塞桿的外直徑的計算 224.4.4 驗算最大承受力 234.4.5 導(dǎo)向距離計算 234.4.6 液壓缸的最大流量計算 234.5 翻轉(zhuǎn)液壓缸的參數(shù)計算3（p158） 234.5.1 回轉(zhuǎn)扭矩的計算 234.5.2 油缸推力的計算 244.5.3 翻轉(zhuǎn)液壓缸的直徑計算 254.5.4 螺旋棒參數(shù)設(shè)定 254.5.5 活塞行程的計算 254.6 伸縮缸的設(shè)計計算 254.6.1 伸縮缸內(nèi)徑和活塞桿徑的估算 251 伸縮缸內(nèi)徑估算 252 活塞桿徑的估算 254.6.2 伸縮缸有效面積計算 264.6.3 伸縮缸的流量估算 264.7 推進器補償缸的設(shè)計計算 264.7.1 補償缸內(nèi)徑和活塞桿徑的估算 261 補償缸內(nèi)徑估算 264.7.2 補償缸有效面積計算 264.7.3 補償缸的流量估算 264.8 擺角缸的設(shè)計計算 264.8.1 擺角缸內(nèi)徑和活塞桿徑的估算 261 擺角缸內(nèi)徑估算 264.8.2 擺角缸有效面積計算 264.8.3 擺角缸的流量估算 264.9 泵的主要參數(shù)計算和選型 274.9.1 泵的總流量計算 274.9.2 泵的功率計算9 274.9.3 泵的選型 274.10.1 換向閥的選型 294.10.2 溢流閥的選型 294.10.3 液壓鎖的選型 294.10.4 單向閥的選型 29第1章 緒論1.1 隧道鑿巖機器人的研究和發(fā)展隧道開挖是現(xiàn)代交通、能源、采掘、建筑等大規(guī)?；窘ㄔO(shè)中的一項難度大、耗資耗時多、勞動條件差的施工作業(yè)。根據(jù)國內(nèi)外資料顯示，堅硬巖石的巷道掘進與礦石開采主要采用鑿巖爆破法，在今后的一段較長時期內(nèi)還將會被采用。因此，鑿巖技術(shù)的發(fā)展主要是改進鑿巖設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，改善操作和安全生產(chǎn)條件。自20世紀70年代末以來，液壓鑿巖機和與之配套的液壓臺車形成了高效節(jié)能、勞動條件好的液壓鑿巖設(shè)備，在世界發(fā)達國家采掘作業(yè)中率先開始逐步取代原有的低效耗能、勞動條件十分差的手持式氣動鉆孔機具。為了將隧道開挖水平提到一個新高度，幾乎在液壓鑿巖臺車實用化的同時，國外許多廠商都將計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)引入新型液壓鑿巖設(shè)備。隨后，世界上許多發(fā)達國家都推出了具有機器人特征的半自動計算機輔助鑿巖臺車和全自動鑿巖臺車。由于這類鑿巖臺車主要用于隧道的開挖，所以它又稱為隧道鑿巖機器人。從1972年開始，挪威工程合同公司在世界上率先進行這項研究，1978年即拿出基本可實用的隧道鑿巖機器人樣機。而該國的Bever公司、電子公司、Furuholmen公司、AWV公司也參與競爭，其中Bever 公司開發(fā)的軟件最為出色，該公司開發(fā)的Bever全自動數(shù)據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)（包括專用的配套控制硬件），已為多個國家的隧道鑿巖機器人生產(chǎn)廠家所采用；日本東洋公司也早在1982年開始研制成AD系列兩臂和四臂鑿巖機器人。在世界上最早實現(xiàn)液壓鑿巖機實用化的法國Montabert公司從80 年代開始已推出六種Robofore型鑿巖機器人。美國Ingersoll-Rand公司從80年代后期也陸續(xù)推出了3GBC-CR/CC、3GC-CC/CR等隧道鑿巖機器人。在這里不得不提的是，瑞典的Atlas-Copco公司和芬蘭的Tamrock公司生產(chǎn)的液壓鑿巖設(shè)備占全球產(chǎn)量一半以上，盡管它們不是鑿巖機器人的率先研制者，但憑借自己在這個領(lǐng)域中數(shù)一數(shù)二的實力，也先后在87年和85年研制成功RobotBoom系列和Datamatic系列鑿巖機器人。德國的沙爾茨基特公司1987年也展出過具有多處理機的BW45P型鑿巖機器人。英國的Boart Robot型雙臂鑿巖機器人也在此取得了較好的應(yīng)用效果。還有重要的一點是它們的產(chǎn)品各具特點。Atlascopco公司生產(chǎn)的Rocket Boomer系列臺車，有鉆臂控制(Advanced Boom ContNl)和鉆孔過程檢測(Measure WMe Dr5mng)功能；Tamrock公司生產(chǎn)的Axera系列臺車，對鉆臂定位與鑿巖過程分別有TCAD、TDATA兩種控制方式，形成具有電子控制系統(tǒng)的常規(guī)鑿巖臺車的換代產(chǎn)品。這種先進鑿巖臺車的綜合效益在國外隧道實際施工中已得到充分展現(xiàn)。近年來在國內(nèi)重大工程中也引進數(shù)臺有計算機圖形導(dǎo)向控制功能的液壓鑿巖臺車，取得明顯經(jīng)濟、社會效益。但同時，高昂的設(shè)備價格、不適合中國的圖形操作界面與布圖方式、分居兩家的計算機控制系統(tǒng)(BEVER系統(tǒng))以及臺車本體(各臺車制造商)之間的協(xié)調(diào)性使整機的作業(yè)可靠性降低，在使用中還有其過高的易損件備件費用和較長的定貨周期等因素，限制了這種先進設(shè)備在中國的推廣。1972年冶金工業(yè)部組織中南工業(yè)大學與長沙礦冶研究院研制液壓鑿巖鉆車和液壓鑿巖機，1980年我國第一臺CGJ2Y型液壓鑿巖鉆車和YYG80型液壓鑿巖機通過了冶金部的鑒定。隨后北京科技大學、中國煤炭科學院等十個單位參與這方面的研究工作，并開發(fā)出一系列產(chǎn)品，且中南大學（即中南工業(yè)大學）承擔了以國家“863”智能機器人為主題的實用化隧道鑿巖機器人的研發(fā)任務(wù)，在純國產(chǎn)化液壓鑿巖設(shè)備的研制中成果比較突出，除CGJ2Y鉆車外，國內(nèi)第一臺用于實際生產(chǎn)的KZL120型露天液壓鉆車和配套的YYG250 重型液壓鑿巖機以及CGJS-2YB鐵路隧道半斷面鉆車都由該校研制成功。該校早在1986年就開始進行學習再現(xiàn)式鑿巖機器人的實驗室研究工作。值得指出的是，這些成果不是照搬國外技術(shù)，不但在機構(gòu)上有創(chuàng)新，而且形成了有特色的理論研究和設(shè)計方法，并在科研過程中，以可靠、經(jīng)濟、高效為目標，與湖南山河智能產(chǎn)業(yè)園合作，對臺車的本體與SUNWARD控制系統(tǒng)進行研發(fā)，并于2000年底完成整機調(diào)試。目前兩單位仍聯(lián)合開發(fā)研究，預(yù)將國產(chǎn)的隧道鑿巖機器人充分發(fā)揮其特點和優(yōu)勢，提高我國在這一領(lǐng)域的技術(shù)掌握能力和設(shè)備生產(chǎn)能力。1.2 隧道鑿巖機器人的顯著優(yōu)點1、大幅度提高爆破后斷面的精度高效率避免超挖（大于設(shè)計斷面）和欠挖（小于設(shè)計斷面）。比常規(guī)臺車可減少5%甚至15%的超挖量，僅此一項，因襯砌材料和石碴運輸量減少帶來的經(jīng)濟效益就十分可觀； 2、減少鉆孔時的移位輔助時間鑿巖機器人工作鉆臂（即機械手）的軌跡已程序化，并能預(yù)先優(yōu)化確定最短移動路線，變換新孔時間。與人工操作相比，可由3060秒減少到1030秒，可提高工效四分之一左右； 3、實現(xiàn)孔底共面控制提高爆破率每次爆破都不可能將鉆孔深度上的所有巖石崩塌下來，一般只能達到90%左右， 由于鑿巖機器人的布孔位置、鉆孔的角度、特別是各個孔的孔底的共面性等精度都大大超過了人工操作，所以爆破率可提高5%以上； 4、提高鉆進速度鑿巖機器人的自適應(yīng)鉆進系統(tǒng)可根據(jù)巖石的變化情況自動調(diào)節(jié)沖擊能量、沖擊頻率、回轉(zhuǎn)速度、推進力，并使這幾個參數(shù)達到最佳匹配，有效提高鉆孔速度，同時減少鉆頭、鉆具等較貴重配件的消耗（因地質(zhì)情況的變化，排出巖渣能力不夠等原因引起的卡鉆事故明顯降低）； 5、明顯改善勞動條件，提高勞動效率除個別的操作、監(jiān)視外，操作者免除了頻繁的操作、觀察、選擇等工作，一個人至少能同時監(jiān)控2個鉆臂（機械手）。封閉的操作室更為操作者提供了良好的工作環(huán)境；6、 降低隧道開挖成本 圖1-1 鑿巖機器人全襯套和不稱套的情況經(jīng)濟分析1盡管采用鑿巖機器人會因為設(shè)備成本、維修費用、管理費用等升高而導(dǎo)致隧道開挖成本增加，但它與超挖量和運輸量減少帶來的效益相比就微不足道了。據(jù)日本85年的資料，僅超挖量減少一項，每長1200m 隧道可節(jié)約1 億日元（相當人民幣1000萬）左右。這方面水平最高的挪威的鑿巖機器人長期使用的結(jié)果表明，其經(jīng)濟效益也確實是十分顯著的。圖1-1反映了采用隧道鑿巖機器人后每米全襯砌隧道和不襯砌實際節(jié)約的費用（美元）情況。從圖中可以看出，隧道斷面增大，全襯砌隧道節(jié)約的費用不是線性增加，而是增加得更快。圖中數(shù)據(jù)是挪威鑿巖機器人長期使用后總結(jié)出來的。該圖繪制時，綜合考慮了超挖、運輸、人工、維修、管理、資金投入等11項費用的增減?？傊_展隧道鑿巖機器人的研制的經(jīng)濟效益和社會效益，或者說其必要性是顯而易見的。1.3 基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.3.1 隧道鑿巖機器人的基本結(jié)構(gòu) 整臺隧道鑿巖機器人由液壓鑿巖機、鏈式推進器、直接定位式鉆臂(具有無誤差的液壓平移機構(gòu))、直角定位式輔助臂、伸縮式門架、行走輪系、穩(wěn)車支腿、液壓系統(tǒng)、電纜卷簡、動力箱、可升降的司機室以及高壓沖洗水、潤滑劑、補油箱組成的臺車本體，與由操作單元、傳感器組、控制器(由上、下位機構(gòu)成兩級控制結(jié)構(gòu))、監(jiān)示報警單元組成的控制系統(tǒng)構(gòu)成。另外，為保證臺車的正常使用與維修方便，配備了一個具有基本工具與維修包的移動式維修間。若根據(jù)項目的研制內(nèi)容分成軟件、硬件兩大類，則可分解如下面的表1-1所示。 表1-1 鑿巖機器人結(jié)構(gòu)1 斷面設(shè)計軟件隧道斷面形狀，炮孔布置， (離線) 孔位移動路徑的優(yōu)化及相應(yīng) 軟件數(shù)據(jù)庫的建立和繪圖 隧 機載控制軟件鉆孔過程自適應(yīng)控制，車體 道定位，坐標轉(zhuǎn)換，孔位導(dǎo)向 顯示，孔位移動控制，傳感 鑿器信號采集、分析，各種報 警信號采集、分析、處理 巖 機 斷面孔位設(shè)計硬件辦公室CAD系統(tǒng) 器 機載計算機及控制器系統(tǒng) 控制硬件 人 硬件 各種傳感器，報警裝置 推進器 機械（鉆）臂 液壓系統(tǒng) 執(zhí)行硬件動力系統(tǒng) 行走、定位、氣、水等輔助裝置 車體 車架、操作室、控制箱等 1.3.2 國內(nèi)鑿巖機器人的基本原理隧道鑿巖機器人主要完成兩個基本功能，即移位尋孔定位與鉆鑿炮孔。另外，還有裝藥、行走、穩(wěn)車、補油、收放電纜等輔助功能。我國首臺隧道鑿巖機器人已經(jīng)在2000年底整機調(diào)試成功。該設(shè)備采用門架式車體，適應(yīng)于國內(nèi)隧道的通風條件。1、技術(shù)原理鉆臂移位尋孔定位采用分配式電液比例控制，比例閥與電磁換向閥分配組合控制鉆臂的8個執(zhí)行液壓缸，實現(xiàn)空間水平變幅、前變幅單動、大臂伸縮、托架翻轉(zhuǎn)、推進補償、推進梁外擺動作；鉆鑿炮孔采用電液比例控制，實現(xiàn)鑿巖的沖擊、推進、回轉(zhuǎn)動作。 2、工作原理隧道鑿巖機器人的工作原理可分為三個部分：與常規(guī)液壓臺車一致的部分，如臺車本體的基本功能部分；適應(yīng)計算機控制系統(tǒng)而對臺車本體進行改造的部分，如液壓系統(tǒng)、傳感器安裝與操作布置；計算機控制臺車特有的部分，如SUNWARD控制系統(tǒng)。這里只講述第三部分的工作原理。為實現(xiàn)對隧道鑿巖機器人的計算機控制，首先要對作業(yè)的對象隧道斷面進行計算機輔助設(shè)計，包括斷面輪廓與斷面上的炮孔布置；設(shè)計完成的隧道斷面通過電子盤傳送至機載控制系統(tǒng)；具有感覺能力的臺車駛近斷面后用支腿調(diào)平停車，操作鉆臂使隧道激光通過推進梁上的兩個靶孔，依靠隧道激光、隧道樁號(里程)，對隧道鑿巖機器人進行車體定位，建立起鑿巖機器人坐標系與斷面坐標系的聯(lián)系，形成斷面上炮孔的位置與姿態(tài)相對于鑿巖機器人坐標系的關(guān)系；將此關(guān)系轉(zhuǎn)化為鑿巖機器人鉆臂上各關(guān)節(jié)的目標控制量，即鉆臂末端(推進器頂尖)在隧道斷面上的定位控制量；控制執(zhí)行機構(gòu)(泵、閥、缸)達到控制目標量，完成鉆臂的定位過程，快速、準確地自動找到炮孔位置(炮孔點要求)，并控制推進梁達到設(shè)計的姿態(tài)(外插角要求)；鉆臂定位完成后，轉(zhuǎn)入鑿巖過程的控制，實現(xiàn)輕沖開孔，炮深共底，自動回退，自動防卡功能；一個炮孔完成后分配下一個鉆臂定位目標控制量，直至斷面上所有炮孔鉆鑿?fù)瓿?；保存文檔信息，下載到電子盤送回辦公室進行資料處理與管理。當然，還少不了整個控制過程的中文界面團形監(jiān)控與報警、手動操作優(yōu)先權(quán)(若計算機系統(tǒng)出現(xiàn)故障，仍能進行手動操作，達到常規(guī)鑿巖臺車的功能)、系統(tǒng)故障簡單的診斷功能和自校正功能。1.4 國內(nèi)研發(fā)的鑿巖機器人顯著特點 與國外的電腦導(dǎo)向臺車相比，我國研發(fā)的隧道鑿巖機器人具有如下特點：1、門架式結(jié)構(gòu)適合我國鐵路隧道施工要求，不產(chǎn)生煙霧污染，通風條件好；門架式結(jié)構(gòu)中間可通過312型挖裝機進行裝碴。斷面爆破時臺車可不退出洞外或叉道，縮短輔助時間。 2、這種門架式結(jié)構(gòu)可以伸縮，便于大件運輸，運輸時工作臂與輔助臂和車架可以不拆卸，進行整體運輸，避免運輸時液壓管路、電纜、控制線路的斷開。當然，對于特殊情況，也可以分體運輸。 3、具有我國鐵路隧道標準數(shù)據(jù)庫的斷面設(shè)計(TUCAD)系統(tǒng)。 4、采用具有電腦導(dǎo)向功能的雙三角結(jié)構(gòu)工作臂。直角坐標結(jié)構(gòu)的工作臂由于其單缸運動控制簡單，進口的電腦導(dǎo)向臺車大都采用這種結(jié)構(gòu)。由于雙三角結(jié)構(gòu)的工作臂固有的優(yōu)點，因此本臺車采用這種雙缸復(fù)合控制定位的結(jié)構(gòu)驅(qū)動工作臂。 5、傳感器組件，不僅進行完全鋁裝密封，且傳感原理也不相同，提高了電腦導(dǎo)向系統(tǒng)中傳感器的可靠性、可維護性與實用性。 6、整機的多種工作方式，保證了工作的可靠性。臺車具有手動和電腦導(dǎo)向2種操作方式，電腦導(dǎo)向系統(tǒng)采用上、下位機結(jié)構(gòu)。上位機完成任務(wù)分配、人機交互界面、圖形導(dǎo)引顯示功能；下位機實現(xiàn)傳感器信號的采集、運動軌跡的控制功能。還需實現(xiàn)工作臂移動時，預(yù)先給定孔序的單孔自動定位與鑿巖時的單孔自動鉆孔。 7、控制系統(tǒng)與臺車本體的統(tǒng)一化設(shè)計，保證了控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與可靠性。 8、具有機載控制器完全本土化的操作界面。 9、有多重防油液污染的過濾保護裝置。自主研制的隧道鑿巖機器人與常規(guī)臺車相比不僅具有技術(shù)上的優(yōu)勢，其可靠性也進一步得到提高，SUNWARD控制系統(tǒng)與模塊化臺車本體之間結(jié)合一致，可視化圖形操作簡單，模塊式結(jié)構(gòu)維修方便，降低了隧道施工成本，是隧道鉆爆法作業(yè)施工中具有優(yōu)良性價比的大型機械設(shè)備。1.5 選題的意義和設(shè)計內(nèi)容 隧道鑿巖機器人是廣泛應(yīng)用于礦山、鐵路、公路、水電建設(shè)、市政及國防施工等工程爆破孔鉆鑿工程作業(yè)中的工程機械，且隧道鑿巖機器人在隧道開挖工程中可以帶來巨大的經(jīng)濟效益和顯著的社會效益。對這一點，在前面已作了充分闡述?？梢灶A(yù)計，隧道鑿巖機器人產(chǎn)業(yè)本身固有的特點令其今后在很長一段時間內(nèi)經(jīng)濟、社會方面的效益愈加顯著，這也是隧道鑿巖機器人的研發(fā)、設(shè)計的重大意義所在。隧道鑿巖機器人的研發(fā)、設(shè)計的主要內(nèi)容有隧道鑿巖機器人中的鑿巖機、鉆臂液壓控制系統(tǒng)、鉆臂的運動學分析和鉆臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及與之相輔的其它相關(guān)設(shè)計。此次的設(shè)計，主要是隧道鑿巖機器人鉆臂的液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計，確切的說，應(yīng)是隧道鑿巖機器人鉆臂的位姿控制的液壓控制系統(tǒng)設(shè)計。主要設(shè)計思路是首先了解于整個鑿巖機器人的鉆臂的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要特點，初步確定液壓系統(tǒng)方案，并對鉆臂進行受力分析，求出液壓元件的主要負載，選擇液壓元件以及其中重要的非標準元件進行設(shè)計，然后確定最終的液壓系統(tǒng)方案。在此設(shè)計中需完成以下工作：繪制液壓原理圖，主要液壓元件的選型，非標準液壓元件的設(shè)計等。 37第2章 液壓系統(tǒng)方案的擬定第2章 液壓系統(tǒng)方案的擬定2.1 隧道鑿巖機器人鉆臂位置液壓控制的主要部分圖2-1 隧道鑿巖機器人鉆臂結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，液壓系統(tǒng)控制的鉆臂主要部分有：鉆臂前變幅液壓缸、鉆臂后變幅液壓缸、鉆臂伸縮缸、推進器翻轉(zhuǎn)液壓缸、推進器補償液壓缸、推進器擺動液壓缸等。2.2 液壓平移的主要原理 復(fù)合坐標鉆臂結(jié)構(gòu)一般采用雙三角結(jié)構(gòu)。其工作原理有下圖2-2所示。圖2-2 雙三角結(jié)構(gòu)2當鉆臂實現(xiàn)上升或者下降時，由前、后變幅液壓缸BE、CD、FK、GH相互作用，當BE（或者CD）伸長，同時FK(或者GH)縮短就能實現(xiàn)鉆臂的舉升或者下降。當然前變幅液壓缸的伸縮長度和后變幅液壓缸的伸縮長度是要滿足一定關(guān)系的。雙三角結(jié)構(gòu)的鉆臂決定該鉆臂的液壓控制需要采用液壓平移機構(gòu)油路控制。如下圖2-3、2-4所示，圖2-3 為一種典型液壓平移機構(gòu)。其工作原理是：當鉆臂升起（或落下）角時，平移引導(dǎo)缸2的活塞被鉆臂拉出（或縮回），這時平移引導(dǎo)缸的壓力油排入仰俯角缸1中，使俯仰角缸的活塞縮回（或拉出）圖2-3 平移機構(gòu)的油路連接31-平移引導(dǎo)缸 2-俯仰角缸于是推進器、托架便能下俯（或上仰），角。在設(shè)計平移機構(gòu)時，合理的確定兩油缸的安裝位置和尺寸，就能得到，。在鉆臂升起或下降的過程中，推進器始終是保持平移運動，這就能滿足鑿巖爆破的工藝要求，操作也簡單。且該結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，重量輕，工作可靠，不需要增設(shè)其它桿件圖2-4 無平移引導(dǎo)缸的液壓平移機構(gòu)油路連接原理31、6-控制閥 2、5-液壓鎖 3-后變幅缸 4-前變幅缸結(jié)構(gòu)，只利用油缸和油管的特殊連接，便可達到平移的目的，但由于該機構(gòu)需要平移引導(dǎo)缸并且相應(yīng)的增加油管，也由于油缸安裝角度的特殊要求，使得空間結(jié)構(gòu)不好布置；而圖2-4 采用的是無平移引導(dǎo)缸的液壓平移機構(gòu)。其工作原理是液油通過控制閥、液壓鎖流入液壓缸3的無桿腔，而有桿腔的液壓出口連在液壓缸4的無桿腔。然后再回油。在此間，當液壓缸3的活塞桿向前推進時，液壓缸4的活塞也向前推進。最終實現(xiàn)兩個液壓缸活塞桿的同時推進。而且，在圖2-4中，易知液壓缸4 可以自行控制，不受到液壓缸3的限制。當然這應(yīng)用在不需要液壓平移的情況。既是說控制閥1控制液壓平移，而控制閥6可以單獨控制液壓缸4。該機構(gòu)能克服前者的缺點，只需要利用前、后變幅缸的適當比例關(guān)系，便可以達到平移的目的。其結(jié)構(gòu)更簡單，平移精度同樣準確，不足之處是液壓缸3、4必須保持嚴格的比例關(guān)系，因此油缸的結(jié)構(gòu)比較特殊。從以上分析可以看出，無平移引導(dǎo)缸的液壓平移結(jié)構(gòu)更適合雙三角結(jié)構(gòu)的鉆臂控制。故在此采用無平移引導(dǎo)缸的液壓平移機構(gòu)。2.3 平衡回路的設(shè)計圖2-5 平衡回路設(shè)計1-后變幅液壓缸 2、5-平衡閥 3、6-液壓鎖 4-前變幅液壓缸 7-三位四通閥通常平衡回路一般采用兩個液控單向閥來實現(xiàn)對液壓缸的鎖閉。其原理如上圖2-4所示。當液壓油從換向控制閥1通過液控單向閥2左閥進入液壓缸3的無桿腔，然后通過液控單向閥2右閥流至下一個油路或者回油。在此過程中，如果兩單向閥之間沒有相互控制，則油液不能回油。只有當進油路存在壓力使得回油路的單向閥打開才能實現(xiàn)通路。第二種平衡回路是由一個順序閥和一個單向閥組成平衡閥（或者是溢流閥和單向閥組成的），其主要是保持垂直放置的液壓缸不因自重而下落。由于用單向閥組成的液壓鎖在一定程度上可以制止液壓缸的下落，這只適用于油壓比較小一點的場合。因為在工作油壓比較大，只要打開單向閥，油路中的油液會立刻對對系統(tǒng)產(chǎn)生一個巨大的沖擊，這樣會損壞液壓元件，并產(chǎn)生較大的損耗。因此這不是一個理想的平衡回路。因為液壓缸的油壓比較大，而鉆臂的位置需要精確確定，因此要求平衡回路中，緩沖小，能承受大的油壓，泄漏小。因為溢流閥存在內(nèi)卸荷，所以選擇順序閥和單向閥組成的平衡閥油路。根據(jù)各種回路、液壓缸的工作要求，共同采用了以上兩種不同的平衡回路，即在采用了順序閥和單向閥后，采用了雙單向閥的液壓鎖。因此，平衡回路的原理圖由上圖2-5所示。2.4 中位換向閥的選擇因為中位換向閥主要實現(xiàn)對各個液壓缸的工進、工退以及停止工作的控制。在鉆臂控制系統(tǒng)中，僅要求對油路的工進、工退和卸荷，故只要采用三位四通電磁換向閥就可以實現(xiàn)此功能，并可采用電磁控制。見上圖2-5。但為了能夠讓油缸的油液在工作時能夠不卸荷，保證油缸的定位功能，因此三位四通換向閥的中位改為K型中位機能的三位四通電磁換向閥。2.5 液壓系統(tǒng)方案的確定2.5.1 擬定方案根據(jù)以上各個環(huán)節(jié)的確定，因此可以擬出以下幾種液壓系統(tǒng)方案。第一種方案：油路中采用液壓鎖，并且在進油路上設(shè)置調(diào)節(jié)閥以便控制有缸回油的速度，以防液壓元件受到?jīng)_擊。此種方案適用于雙三角結(jié)構(gòu)的鉆臂控制。見下圖2-6。第二種方案：采用了由順序閥和液控單向閥組成的平衡閥，并且在進出油路上安上雙液控單向閥，以實現(xiàn)對液壓元件的保護。此種方案也適用于雙三角結(jié)構(gòu)的鉆臂控制。見下圖2-7。第三種方案：此種方案是根據(jù)鉆臂控制方法為直角坐標鉆臂而設(shè)計的。其采用的油缸的數(shù)目比較少，而且其進出油路只用了液壓鎖進行控制，使液壓元件避免受到壓力沖擊。見下圖2-8。2.5.2 幾種液壓方案的比較選擇首先，由于鉆臂的控制機制不同，在實現(xiàn)鉆臂的控制中，雙三角的鉆臂控制機構(gòu)顯然具有更廣泛的應(yīng)用。即雙三角的鉆臂控制機構(gòu)比直角坐標鉆臂控制機構(gòu)更具有優(yōu)越性。盡管直角坐標系鉆臂控制機構(gòu)的液壓原理更為簡單，但直角坐標系的鉆臂結(jié)構(gòu)會使液壓控制系統(tǒng)的油缸增多，最大的缺點是產(chǎn)生較大的鑿巖盲區(qū)。而雙三角的鉆臂控制系統(tǒng)則克服了直角坐標系的缺點，不僅能減小鑿巖盲區(qū)，而且可以鉆鑿正面孔，兩側(cè)任意方向的鉆孔以及垂直向上的錨桿孔和采礦用孔。故選擇了雙三角結(jié)構(gòu)鉆臂控制方式的液壓方案。在雙三角結(jié)構(gòu)鉆臂控制方式的液壓系統(tǒng)方案中，第一種方案中使用了節(jié)流閥作為液壓缸速度調(diào)節(jié)。由于本液壓系統(tǒng)屬于高壓系統(tǒng)，若采用節(jié)流閥，不僅泄漏較大，會產(chǎn)生巨大的損耗，而且節(jié)流閥會限制液壓缸的快速定位。若僅適用液壓鎖控制油路的通和閉，則當液壓鎖打開的那一刻，巨大的液壓沖擊就會沖擊電磁閥，導(dǎo)致電磁閥的損壞。第二種方案則是在液壓鎖作用的油路上添加平衡閥。無論是進油或者處油，只有當油液壓力大于平衡閥的內(nèi)定的壓力時，平衡閥才會通油，這樣不僅僅降低油路的沖擊壓力，而且可以適當?shù)臏p輕液壓鎖的工作壓力。圖2-6 第一種液壓系統(tǒng)方案1-后變幅液壓缸 2-前變幅液壓缸 3-鉆臂伸縮缸 4-推進器翻轉(zhuǎn)缸 5-推進器補償缸 6-濾油器 7-壓力計 8-節(jié)流閥 9-液壓鎖 10-溢流閥 11-推進器擺角缸因此，在這幾種方案比較理想的是第二種液壓系統(tǒng)方案。圖2-8 第三種液壓系統(tǒng)方案1-支臂缸 2-仰俯角缸 3-擺臂缸 4-擺角缸 5補償缸 6-濾油器7-壓力計 8-節(jié)流閥 9-單向閥 10-液壓鎖 11-溢流閥圖2-7 第二種液壓系統(tǒng)方案1-后變幅液壓缸 2-前變幅液壓缸 3-鉆臂伸縮缸 4-推進器補償缸 5-推進器翻轉(zhuǎn)液壓缸 6-推進器擺角缸 7-濾油器 8-平衡閥 9-壓力計 10-液壓鎖 11-溢流閥 12-電磁換向閥 第3章 系統(tǒng)受力分析第3章 系統(tǒng)受力分析鉆臂在位姿定位過程中，各個液壓缸所要承受的力是不同的，而其中在雙三角鉆臂結(jié)構(gòu)中，后變幅液壓缸不僅僅要確保鉆臂的位姿定位的準確，而且還要支撐鑿巖機工作時推進器所受到推進器工作面的反作用力以及鉆臂各部分給予的重力和力矩。易知，在鉆臂各個液壓缸負載中，后變幅液壓缸所承受的力最大。下面對后變幅液壓缸進行受力分析。圖3-1 仰角45時的受力分析已知鉆臂在工作的過程中最大仰角為45，最大俯角為30，因此主要對鉆臂在仰角45、水平0和俯角30時的極限位置進行受力分析。因鉆臂工作時要承受推進力的反作用力，因此應(yīng)該把推進力納入計算范圍內(nèi)。已知最大推進力為9351N。但相對于鉆臂的自重，推進力的反作用反而很小。故進行受力分析時可以不計。如下圖3-1、3-2、3-3所示，均為后變幅液壓缸在極限位置時的受力分析簡圖。圖中CD為支臂的支座上的鉸接點、AB則是鉆臂上的鉸接點，G點為支臂與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的連接點，K為翻轉(zhuǎn)機構(gòu)在推進架上的支撐點。E、F為后、前變幅液壓缸在鉆臂體上的鉸接點。其中CD、AB為液壓缸在鉆臂支座上的鉸接點，E、F是液壓缸在鉆臂體上的鉸接點。G為支臂與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的連接點，O為整鉆臂體的重心，H為鉆臂后半部分的重心點，I、J為托架頭尾的幾何位置。圖3-3 0時的受力情況由圖3-1、3-2、3-3中的受力分析簡圖和平面任意力系平衡條件易知當鉆臂在水平狀態(tài)下F液受力最大。在此需說明的一點是，當鉆臂在打最大斷面炮孔時，即鉆臂在仰鑿或者俯鑿時，鉆臂的受力也很大。然而，由于鑿巖機器人在某些情況下需要打孔的斷面比其最大炮孔斷要小很多，這時鉆臂不需仰鑿或者俯鑿。故可知鉆臂水平鑿時后變幅液壓缸的受力比仰或者俯鑿的受力更大。由鉆臂的運動學分析和結(jié)構(gòu)分析6知：圖3-2 俯角30時的力分析CB=5700mm，AG=880mm，又估算CD=410mm，CE=1640mm，F(xiàn)B=1093mm，AB=274mm，AG=885mm，AH=2/3AG=590mm，現(xiàn)各受力點對C點取力矩，則 （3-1）式中GB鉆臂總重（包括鉆臂體、支臂缸、前后變幅缸、托架、擺角缸）；GT推進器總重（包括導(dǎo)軌、推進缸、托釬器、滑板、補償缸、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)等）；F液為后變幅液壓缸等效在與鉆臂體同一個縱面的受力；rB、rZ、r液分別為鉆臂體、推進器和F液對A點的距離。估算GB=1100kg，GT=1000kg，又由圖3-3易知在水平狀態(tài)下r液=394mm。而rB=2850mm、rZ=6290mm。由平面任意力系平衡條件易知 （3-2）則將以上數(shù)值代入式（3-1）、（3-2）得F液=234428.93N由于這個數(shù)值是指后變幅液壓缸在與鉆臂體在同一縱面下的力值。故每一個后變幅液壓缸的值則需要將這個值等效在實際的液壓缸所在的平面，即在圖3-3中F液所在的位置的垂直紙面的平面上。又因鉆臂有左右擺動的極限位置，此種雙三角結(jié)構(gòu)情況下，由幾何知識易知當后變幅液壓缸一個伸長一個縮短的狀態(tài)時，伸長的液壓缸承受的力最大，亦可算出后變幅液壓缸最大受力為127893.58N。第4章 液壓元件的選型和計算第4章 液壓元件的選型和計算4.1推進器的最大推進力的計算1鑿巖機的選型根據(jù)鑿巖機工作指標要求：高頻率、高扭矩、高沖擊能的標準選擇如下技術(shù)參數(shù)的鑿巖機 摘自中國工業(yè)網(wǎng)站：/business/product_main.asp：型號：YYG150ME 鑿孔直徑：38115mm 工作壓力：25MPa輸出功率：15kW 沖擊能：24350J 沖擊頻率：4060Hz沖擊流量：90L/min 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速：0300r/min 回轉(zhuǎn)扭矩：5001000Nm回轉(zhuǎn)流量：64.8L/min 外觀尺寸：1002mm240mm225mm重量：150kg 廠家：沈陽鑿巖機機械股份有限公司2推進器最大推進力的計算3(p141) （41）(1)鑿巖機的最優(yōu)軸向推力的計算4（p69） （42）式中，f指的是沖擊設(shè)備的沖擊頻率；f =55Hze指的是沖擊設(shè)備的沖擊能；e=320Jmk指的沖擊設(shè)備的活塞質(zhì)量；由沖擊能e、活塞質(zhì)量mk、活塞速度v的關(guān)系是則根據(jù)經(jīng)驗，取鑿巖機的沖擊速度=8m/s指的是附加軸向力（用以克服機械摩擦和氣體反沖產(chǎn)生的力）對導(dǎo)軌式載巖機取值為200400N。在此取300N。G為鑿巖機和釬桿的重量。G=150kg為炮孔傾角，取經(jīng)驗值=6則= =1.555523208+300+150Sin6=7273.66N(2) 推進器最大推進力的計算3(p141)（4-1）中kb：備用系數(shù)， =1.11.3。取 =1.2;Fy:鑿巖機的最優(yōu)軸推力，取Fy=R=7273.66N其余同上。則推進器的最大推進力為=1.2(7273.66+1509.8sin6+1509.80.25cos6)=9351.372N3 推進器液壓馬達的最大力矩計算圖4-1 液壓馬達鏈條式推進器31鏈條松緊調(diào)節(jié)器 2液壓馬達 3導(dǎo)軌 4推進器腔體5滑板 6鏈條 7導(dǎo)向鏈輪已知推進器的工作原理是液壓馬達鏈條式，其結(jié)構(gòu)原理圖如下圖4-1所示。則液壓馬達的功率可按下式計算 (4-3)式中Rmax最大軸推力，N； 機械傳動總效率；v 鑿巖機推進速度，；式中d為主動鏈輪直徑，m；n主動鏈輪轉(zhuǎn)速，。則有=9351.327 N; 估算=0.90; =23m,取=2.5m故25.976kW在推進器內(nèi)，估算主鏈輪直徑為200mm,則液壓馬達的最大扭矩為935.1372Nm。4.2 推進器液壓馬達的選型因為在隧道鑿巖機器人工作過程中會出現(xiàn)卡釬現(xiàn)象，這會導(dǎo)致推進液壓馬達承受的扭矩急劇加大，但是液壓馬達的轉(zhuǎn)速卻很小，故選取低速大扭矩液壓馬達。根據(jù)如下表1的液壓馬達適用工況與適用范圍，選取軸向柱塞馬達。表4-1 各種液壓馬達的適用工況與應(yīng)用范圍5馬達類型主要特性適用范圍齒輪馬達負載轉(zhuǎn)矩不大，速度平穩(wěn)性要求不高，噪聲限制不嚴鉆床，通風設(shè)備葉片馬達負載轉(zhuǎn)矩不大，噪聲要求小磨床回轉(zhuǎn)工作臺，機床操縱機構(gòu)擺線馬達負載速度中等，體積要求小塑料機械、煤礦機械、挖掘機行走機械軸向柱塞馬達負載大，有變速要求，負載轉(zhuǎn)矩較小，低速平穩(wěn)性要求高起重機、絞車、鏟車、內(nèi)燃機車、數(shù)控機床球塞馬達負載轉(zhuǎn)矩較大，速度中等塑料機床，行走機械等內(nèi)曲線徑向馬達負載轉(zhuǎn)矩很大，轉(zhuǎn)速低，平穩(wěn)性高的場合挖掘機、拖拉機、起重機、采煤機等參考下表2的一些數(shù)據(jù)和內(nèi)容，選取型號為QJM系列的液壓馬達。表4-2液壓馬達產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)概覽5型號額定壓力最小轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)速額定扭矩廠家柱塞馬達JM系列1016512506363004218713昆山液壓件廠1JMD16104002016140471430太原礦山機械廠1JM-F20100500200400068.616010太原礦山機械廠NJM1625121000.85403892114480沈陽工廠液壓件廠QJM102018001001600021542183寧波液壓馬達廠QKM10201600400450084010490寧波液壓馬達廠則，參考下表4-3QJM型通孔液壓馬達技術(shù)參數(shù)以及前面估算的液壓馬達的最大扭矩及其工況，選取型號為2QJM 21-0.5T65通孔的軸向柱塞馬達。性能如下：排量：0.248L/rev 額定壓力：16MPa尖峰壓力：31.5MPa 轉(zhuǎn)速范圍：2400r/min 最大輸出轉(zhuǎn)矩：1175Nm 通孔直徑：65mm廠家：寧波甬源（旋球）液壓馬達有限公司（即原寧波液壓馬達廠）另外由設(shè)計手冊軟件版2.0得知該液壓馬達的重量為45kg.型 號排量(L/rev)壓力（MPa）轉(zhuǎn)速范圍r/min額定輸出扭矩 Nm通孔直徑（mm）額定尖峰1QJM01-0.1T400.110168-800148401QJM01-0.16T400.16310168-6302411QJM01-0.2T400.20310168-5003001QJM11-0.32T500.31710165-500469501QJM11-0.4T500.40410165-4004981QJM11-0.5T500.510165-3207342QJM21-0.32T650.317,0.1591631.52-630751652QJM21-0.5T650.496,0.2481631.52-40011752QJM21-0.63T650.664,0.3321631.52-32015722QJM21-1.0T651.01,0.50510162-25014952QJM21-1.25T651.354,0.67710162-20020042QJM32-0.63T750.635,0.3182031.51-5001880752QJM32-1.0T751.06,0.532031.51-40031382QJM32-1.25T751.30,0.652031.52-32038332QJM32-2.0T752.03,1.0216252-20048072QJM32-2.5T752.71,1.3610161-1604011表4-3 QJM型通孔液壓馬達技術(shù)參數(shù)注：此表摘于/tkmd.htm4.3液壓系統(tǒng)壓力的確定由于本液壓系統(tǒng)是液壓鑿巖機器人中的一部分液壓系統(tǒng)，而液壓鑿巖機器人的液壓系統(tǒng)是利用高壓的液壓系統(tǒng)進行主要工作的，因此，確定本液壓系統(tǒng)是高壓系統(tǒng)，其系統(tǒng)壓力（即工作壓力）初步確定為20MPa，后下一章后變幅液壓缸的設(shè)計中也算得系統(tǒng)的壓力為20MPa。4.4 前變幅液壓缸的主要參數(shù)計算4.4.1 前變幅液壓缸的行程計算由上一章可知前變幅液壓缸在等效在鉆臂體縱切面的最長為1301mm，最短為985mm。因此由幾何知識得知當前變幅液壓缸在45仰角和45水平擺動的極限位置時液壓缸的最長為1413.89mm,取其近似值為1414mm。而當前變幅液壓缸在俯角30和45水平擺動的極限位置時液壓缸的最短為879.17mm，也取其近似值為879mm。因此可知液壓缸的行程為S=1414mm-879mm=535mm。4.4.2 前變幅液壓缸的有效面積計算1 雙三角機構(gòu)的幾何關(guān)系由于在雙三角鉆臂結(jié)構(gòu)中，前、后變幅液壓缸必須滿足一定的關(guān)系才能實現(xiàn)雙三角的液壓平移。其中必須要滿足的是每時每刻前、后臂幅液壓缸的長度與鉸座所形成的三角形要相似，此相似比已經(jīng)估算為2/3；2 液壓缸的伸縮速度比因為時刻保持相似，前、后變幅液壓缸的伸縮量也必須滿足相似條件，由幾何關(guān)系易證明其伸縮速度比也為2/3即 （4-4）3液壓缸的流量關(guān)系另外，由于液壓平移的油路中可以看出，后變幅液壓缸的輸出的油液全部輸入前變幅液壓缸中，即前、后變幅液壓缸的流量比值為1。即 （4-5）4液壓缸有效面積計算由有 （4-6）則1816432=122464.4.3 液壓缸的內(nèi)直徑和活塞桿的外直徑的計算由于前變幅液壓缸的安裝方式為液壓缸安在支座上，活塞桿安裝在鉆臂體上。因此其有效工作面積為無桿腔的有效面積。無桿腔的有效面積為 （4-7）故可算得前變幅液壓缸的內(nèi)直徑為124.90mm，圓整為125mm。另外由表311 液壓缸參數(shù)的綜合應(yīng)用得知，當系統(tǒng)壓力為大于20MPa時，其油缸往復(fù)運動時的速度比為=2。而由式（53）有因此由上式得。則可得D=124.90mm，圓整后得D=124mm。易得d=91.91mm,圓整d=90mm。因?qū)嶋H中的液壓缸的有效面積比理論值大，故取前變幅液壓缸內(nèi)直徑為125mm，活塞桿的外直徑為95mm。其有效面積為=12265.63。4.4.4 驗算最大承受力其最大承受力為=12265.63200.85=208515.71N。此值比后變幅液壓缸的最大負載127893.58N還大，因此能滿足結(jié)構(gòu)受力要求。4.4.5 導(dǎo)向距離計算由表311易知后變幅液壓缸的導(dǎo)向距離H80mm。因此次設(shè)計未能進行前變幅液壓缸的設(shè)計，故此不計。4.4.6 液壓缸的最大流量計算由于后液壓缸活塞推進最大速度為=2.5m/min，則前液壓缸活塞的最大速度為2.523=1.67m/min由流量計算公式有=12265.631.67m/min=340.71mL/s。4.5 翻轉(zhuǎn)液壓缸的參數(shù)計算3（p158）4.5.1 回轉(zhuǎn)扭矩的計算當推進器回轉(zhuǎn)到90時，回轉(zhuǎn)油缸受力最大，如下圖1所示。其阻力矩為： （4-8）式中推進器總重（包括導(dǎo)軌、推進缸、托釬器、滑板、補償缸、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)等）；推進器總重心到回轉(zhuǎn)油缸中心的的最大力臂?；剞D(zhuǎn)扭矩 （4-9）式中 載荷不均勻系數(shù)，取=1.41.6。取K=1.5。圖4-2 翻轉(zhuǎn)液壓缸受力計算示意圖3則由式（59）、（510）有 （4-10）已知=1000kg, =885mm，=1.5，代入（511）得=1.510009.80.885=13009.5 Nm4.5.2 油缸推力的計算設(shè)油缸推力為，則 （4-11）式中螺旋升角；摩擦角，；螺旋牙形夾角之半；螺旋副摩擦角系數(shù)； 螺旋棒螺紋中徑； 機械傳動效率。由式（512）有 （4-12）設(shè)計此傳動副為梯形螺紋傳動，其牙形角為30,則=15。選擇材料副為鋼和鋼，則=0.11（參考新編機械設(shè)計手冊東北大學出版社）,則易求得=6.5。估取14，估取0.9。（參考機械設(shè)計手冊軟件版）取250mm。將以上數(shù)據(jù)代入式（513）易得=1200967.32 N。4.5.3 翻轉(zhuǎn)液壓缸的直徑計算因為 （4-13）式中油缸效率，=0.90.98；油缸工作壓力。已知=20。代入式（514）易求得D=348.4mm，圓整為350mm。4.5.4 螺旋棒參數(shù)設(shè)定設(shè)螺旋中徑為250mm，可由機械設(shè)計手冊查得：當螺紋中徑為250mm時，螺紋的公稱直徑為270mm，螺距為40mm，小徑為228mm，假設(shè)螺紋頭數(shù)=4，則由螺旋棒的導(dǎo)程公式 （4-14）易求得=160mm。4.5.5 活塞行程的計算活塞行程 （4-15）式中螺旋棒的導(dǎo)程。 推進器所需要的回轉(zhuǎn)角度。設(shè)計推進器所需要回轉(zhuǎn)角度為270，則得=120mm。4.6 伸縮缸的設(shè)計計算4.6.1 伸縮缸內(nèi)徑和活塞桿徑的估算1 伸縮缸內(nèi)徑估算由鉆臂的幾何結(jié)構(gòu)和運動學分析假設(shè)鉆臂的伸縮缸內(nèi)徑為140mm。2 活塞桿徑的估算由于在大于20MPa高壓系統(tǒng)中，液壓缸的往復(fù)運動速比=2，即有D=21/2d的關(guān)系。D為液壓缸內(nèi)徑，d為活塞桿直徑。已知D=140mm,則易知活塞桿直徑為100mm（圓整值）。4.6.2 伸縮缸有效面積計算由于伸縮缸的安裝方式為活塞桿安裝在下位，則易知其有效面積為A=(D2-d2)/4=3.14(1402-1002)/4=7536mm2。4.6.3 伸縮缸的流量估算設(shè)伸縮缸的最大伸長速度為Vmax=2.5m/s，則伸縮缸的最大流量為Qmax=AVmax=753610-62.5/60=31410-6m3/s=314mL/s。4.7 推進器補償缸的設(shè)計計算4.7.1 補償缸內(nèi)徑和活塞桿徑的估算1 補償缸內(nèi)徑估算由推進器的幾何結(jié)構(gòu)假設(shè)推進器補償缸內(nèi)徑為70mm。2 活塞桿徑的估算由于在大于20MPa高壓系統(tǒng)中，液壓缸的往復(fù)運動速比=2，即有D=21/2d的關(guān)系。D為液壓缸內(nèi)徑，d為活塞桿直徑。已知D=70mm,則易知活塞桿直徑為50mm（圓整值）。4.7.2 補償缸有效面積計算其有效面積為A=D2/4=3.147024=3846.5mm2。4.7.3 補償缸的流量估算設(shè)補償缸的最大伸長速度為Vmax=2.5m/s，則補償缸的最大流量為Qmax=AVmax=3846.510-62.5/60=16010-6m3/s=160.271mL/s。4.8 擺角缸的設(shè)計計算4.8.1 擺角缸內(nèi)徑和活塞桿徑的估算1 擺角缸內(nèi)徑估算