洞库凿岩台车无线操控装置设计

宋世鹏，李舒

（航天工程大学士官学校，北京 102249）

凿岩台车是地下洞库施工最常用的机械，但其施工中面临的事故隐患也是最突出的。因坑道、洞库内空间狭窄，光线昏暗，人员与台车运动部件（如履带、钻臂、钻具等）产生直接接触，且施工过程中，洞库未进行支护段很容易发生塌方等重大事故，同时，凿岩过程会产生大量粉尘，对人体健康威胁较大，且台车钻进中会产生大量岩石碎渣，从钻头部位呈喇叭口状向外飞溅，对人体造成击打，人员安全没有保障，作业时噪音巨大，长期工作对人员听力又会造成损伤，这些不利因素在一定程度上都会影响施工进度，降低了作业效率。论文主要进行洞库凿岩台车无线操控装置设计研究，来解决各种人员健康和安全性问题。

1 项目基本情况

1．1 装置简介

洞库凿岩台车无线操控装置主要针对地下洞库凿岩作业过程存在的安全隐患问题，对凿岩台车的操控装置进行技术改造。主要采取优化动作设计，加装远程无线机电装置、信号传输装置，采集并实时监控作业状态等多方位集成应用的方法，实现凿岩台车的远程无线操控作业，以避免洞库内作业时可能发生的洞库塌方、人员误操作等重大安全事故。

1．2 研究背景

洞库凿岩台车是地下洞库工程建设的主体装备，主要有一体式和分体式两种机型。一体式凿岩台车集成了操控室、动力机、空压机、电力系统及集尘系统，整合度极高，价格昂贵；分体式凿岩台车不具备集成性，作业时，需要与高压气源车、发电机组、集尘系统等进行匹配连接后使用，其结构相对简单，价格低廉，在各类施工中配备数量较大，使用非常广泛。

上述两种机型都需要操作人员实装操作，不具备无线操控功能。其中，分体式机型不具备操控室，人员直接暴露在无任何防护的洞库中，在施工中使用得更多一些；一体式机型虽然具有操控室，但其只是普通驾驶舱，不具备任何防护功能。另洞库内光线微弱、空间狭窄，台车凿岩作业时振动、噪音较大，极易发生塌方事故，事故一旦发生，对人员和装备来说，基本都是致命性的毁伤。

2 装置设计方案

2．1 设计思路

无线操控装置是以现有装备控制阀组为基础，不改变原车液压元件组成和位置，而是利用矢量随动电机进行装置设计，将电机电控技术、无线通信技术、信号采集技术等进行集成应用，实现台车操控安全性和作业效率的大幅提高，并大大降低台车的改造成本。装置组成如图1所示。

图1 无线操控装置组成图

2．2 关键技术解决方案

本文主要针对国产XX型凿岩台车液压阀组进行无线操控装置设计。XX型凿岩台车手动液压阀组主要包括履带行走液压阀2个、凿岩作业装置液压阀7个，另含启动按钮1个、棘轮油门控制1个，共计11个动作。其中，液压阀杆有两种动作形式，分别是一字弹簧复位式和一字钢球定位式，均为双向行程控制；启动按钮为点动控制；齿轮油门为双向棘轮定位。

（1）电动推杆定制。电动推杆是设计无线操控装置的核心部件，它是实现手动液压阀杆推拉运动的执行元件。首先，测量台车液压阀杆的推拉位移行程和推拉力大小；其次，对电动推杆进行改装，调整其位移行程范围，如由0～100mm改为-50～50mm的行程范围，也就是改变驱动器推杆的起始位置，使其能够实现推出50mm行程，拉回50mm行程，与台车液压阀杆动作相一致；再次，要推杆进行限位改造，限定其最大伸出和缩回位置，防止电机烧毁；最后，最重要的一步是对推杆加装电位计，实现推杆推拉运动的矢量控制。

参数选择：电压一般选择直流24V（电源可由台车24V蓄电池供电）、行程100mm、伸缩速度32mm/s、推拉力120N；推杆类型要选择电位计推杆，也就是五线制推杆，其中两根为直流电源线，其余三根为电位计压差信号线；工作温度范围为-20～75℃，如冬季北方施工，可更换-40℃的防冻油。

（2）控制摇杆定制。控制摇杆是实现无线操控的操作元件，需定制带碳膜电位计的一字摇杆，根据台车阀杆的定位、复位形式，需要定制一字复位摇杆7个、一字定位摇杆2个。

参数选择：电压5V；阻值10KΩ；轨道运行角度50°；功耗0.25W；推拉寿命不低于30万次；独立线性±1.0%；三线制。

（3）电气控制线路设计。装置的电气控制线路包括信号发射模块、信号接收模块和推杆驱动模块三部分构成，是装置设计的难点。装置的电气控制系统如图2所示。

图2 无线操控装置电气控制系统示意图

①信号发射模块。信号发射模块采用温度补偿晶体振荡器（TCXO），16.000MHz频率，设计有16路信号传输通道，可实现台车16个动作信号输出，模块与摇杆整合为装置的遥控器，采用独立直流电源供电，设计电压范围为8.4～12V，可选用12V可充电式锂电池进行供电，随着电压降低，遥控距离会逐渐下降。

②信号接收模块。信号接收模块同样采用温度补偿晶体振荡器（TCXO），16.000MHz频率，设计有16路信号接收通道，可实现台车16个动作信号接收，模块与推杆驱动电路整合为装置的综合控制器，采用台车直流电源统一为综合控制器供电，不再单独设立电源，设计电压为5V。信号发射与接收模块需进行16路无线信号的匹配设计。

③推杆驱动模块。推杆驱动模块主要实现电动推杆和信号接收模块的桥接，进行电位信号的输入和推杆电位信号的反馈，并进行驱动的稳压设计，可对其单片机IC芯片进行编程设计。其中，点推杆为五线制，两根为电源正负极，另外三根为信号线，可通过万用表确定其中位线，如电位计阻值为10kΩ，那么，中位线与其它两根之间的阻值均为5kΩ左右。每台电动推杆需配备一个独立的驱动电路模块，集成在综合控制器内。

2．3 机械连接件设计

（1）推杆连接端设计。推杆缸体与车体的连接一般采取小型销轴支架连接，需保证推杆缸体可绕销轴转动，防止固定死推杆伸缩时导致推杆变形损伤。连接件如图3所示，尺寸可根据需要进行调整后定制。推杆与车体阀杆的连接一般采用弓形保险卸扣连接，如图4所示，将弓形卸扣套在阀杆上，要保证较小的旷量。

图3 推杆缸体连接件

图4 推杆连接件

（2）遥控器壳体设计。遥控器壳体一般采用铝合金板制作，尽量缩小其体积尺寸，根据摇杆安装尺寸大小，对面板进行打孔，信号发射模块电路板需用螺钉固定在壳体内，如图5所示。

图5 推杆缸体连接件

3 装置主要特点

3．1 实现多技术集成应用

实现无线通信技术、电机矢量控制技术、机电液一体化技术的集成应用，采用双向反馈信号以FSK方式进行收发，通信方式比较成熟，具有高灵敏度加密无线通信特点，并采用变压器降压，内部开关电源能有效过滤出电源杂波使接收器工作更稳定可靠。

3．2 实现操控力自学习

通过大量人—机操控力参数测量仿真，可实现人—机操控力的模拟转换，使其具有自记忆、自匹配、自学习功能，并通过高精度推杆进行动作输出，使电机在整个频率范围内运转、电机零速时可以输出额定扭矩，且可以快速地加减速，实现与不同操作人员手动操作力的匹配适应。