鑿巖臺車液壓臂平動精度問題分析

于鵬

[摘要]：鑿巖臺車液壓臂平動精度關系到隧道開挖時超欠挖的量的控制，如果鑿巖臺車液壓臂結構設計不合理，則液壓臂平動時精度較差，開挖隧道邊孔時推進梁外插角無法控制，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。

[關鍵詞]：液壓臂；平動精度；外插角；超欠挖控制

隧道鑿巖臺車以其鉆進速度快、鉆進精度高、施工安全有保障等優點正逐步取代人工手風鉆司鉆的方式，據統計，一旦人工手風鉆工人月工資高于9000元，則鑿巖臺車在使用成本、施工效率、施工安全性等方面全面占優勢。因此，根據目前我國國情，勞動力已經出現了缺口，隨著社會經濟發展，缺口將進一步增大，施工單位用人成本也將進一步增加，所以，隧道鑿巖臺車在未來礦山法施工的隧道項目中必將受到青睞。隧道鑿巖臺車的最大優點是可獲得很精準的隧道輪廓、減少超欠挖，從而節省襯砌所需的混凝土，大幅降低隧道開挖的成本。但是如果鑿巖臺車液壓臂結構設計不合理、臂定位液壓系統與液壓臂結構不匹配，則可能導致液壓臂平動精度差，開挖隧道邊孔時推進梁外插角無法控制，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所示是我公司設計研發的一款新型液壓臂，該型液壓臂具有臂筒體剛度高、豎直面內撓度小、定位迅速等優點。但是在廠內做打鉆試驗時發現鉆頭入巖位置與鉆頭出巖位置沿鉆桿延長線方向存在偏移，并且該偏移量已經超出隧道施工能夠接受范圍。

2、存在問題分析

鑿巖臺車在司鉆時，由于鉆頭在鉆進過程中受到巖石等外界因素以及鑿巖機等內在因素的綜合影響，所以鉆頭入巖位置與鉆頭出巖位置沿鉆桿延長線方向存在偏移，但是一般偏移量可控，數值很小，基本分布于與鉆桿延長線成±0.5°的錐形體內。廠內試驗時，發現偏移量已經明顯超出±0.5°的錐形體范圍。

針對以上問題，首先通過做空載試驗排除巖石等外界因素的干擾，通過做空載試驗，發現液壓臂平動精度在空載運動時已經出現了較大偏差。平動精度較差，有可能是液壓臂上三角結構設計不合理、不精確造成的，也有可能是臂定位液壓系統（如油缸活塞桿和平衡閥內泄等）造成的，以上兩點都可能讓液壓臂上下三角油缸不按照設計比例伸縮，最終反映到液壓臂上就是平動過程中推進梁前后點位移不同，這將導致在司鉆時推進梁是傾斜著頂在掌子面上的，所以鉆出來的孔是傾斜的。

3、平動精度測試過程

針對以上分析，通過如下試驗來檢測液壓臂平動精度以及油缸內泄。

試驗一：如圖1所示，點M1位于推進梁尾端底平面，點M2位于推進梁前端底平面，點M3位于翻轉油缸前部底端。點M1與點M2的距離為L。點N1、點N2、點N3是處于水平面的大地測量基準點。

試驗過程：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45度，然后擺至右45度。

根據表1，繪制圖2，經測量，液壓臂左擺45°時與初始狀態的夾角為0.18°（推進梁前端往內扣），液壓臂擺至右45°時與初始狀態夾角3.61°（推進梁前端往內扣）。

試驗二：油缸內泄檢測：如圖3所示，在雙三角臂定位系統中，左（右）上部油缸和右（左）下部油缸通過串聯實現關聯動作，上部油缸的無桿腔與下部油缸的有桿腔串聯，液壓臂平動時，上下部油缸可按比例伸縮，一旦出現內泄，則上下部油缸伸縮比例變化，液壓臂平動就不在精準了。

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

4、試驗結果分析

分析以上試驗結果可知，內泄是造成液壓臂平動精度差的一大因素，液壓臂上下三角油缸更換了平衡閥和缸內密封；

設計人員重新模擬了雙三角機構設計尺寸，發現雙三角機構的相似比為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；于是又重新模擬設計了雙三角機構，將雙三角機構的相似比調整到0.6374-0.6378之間，精度大幅提高。

5、結論

隧道鑿巖臺車液壓臂是一個多關節、多自由度、多機構耦合的綜合體，雙三角液壓臂采用極坐標臂定位系統，相比較于直角坐標臂定位系統，其定位精準迅速、優勢明顯，但是如何將上三角臂定位系統這一理論轉化為實際產品卻是非常復雜的，要成功研制一款液壓臂，既要求雙三角機構設計精準，又要求臂定位液壓系統與雙三角機構完美匹配，二者其一出現問題，就會出現諸如液壓臂平動精度達不到設計要求、液壓臂下降時抖動、液壓系統壓力過高等一系列問題。總的來說，要想研發出一款液壓臂，既要知道其中的重點難點，又要掌握科學合理的設計方法，只有這樣才能少走彎路。

參考文獻

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