劉桓龍 李 茂 于蘭英 柯 堅 鄭 濤
(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院,610031,成都//第一作者,副教授)
地鐵隧道多方位高精度鉆孔設(shè)備的方案設(shè)計
劉桓龍 李 茂 于蘭英 柯 堅 鄭 濤
(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院,610031,成都//第一作者,副教授)
針對地鐵隧道內(nèi)懸掛接觸網(wǎng)匯流排安裝中鉆孔設(shè)備施工范圍小、效率低、勞動強度大等缺點,設(shè)計了一種基于光機電一體化的地鐵隧道多方位高精度鉆孔設(shè)備。介紹了其總體方案、主要結(jié)構(gòu)和控制方案。該鉆孔設(shè)備采用激光測量儀、角傳感器、光學(xué)攝像機等實現(xiàn)自動化精密定位,PC機和PLC實現(xiàn)自動化控制,伺服電機、電動缸、回轉(zhuǎn)軸承實現(xiàn)6個自由度的精確調(diào)整,適應(yīng)復(fù)雜多變的隧道地形和施工要求。該鉆孔設(shè)備可安裝4個鉆機,不僅能向隧道頂部鉆孔,還可以任意角度向隧道上部側(cè)壁鉆孔。
地鐵隧道; 鉆孔設(shè)備; 光機電一體化
Author′s address School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,610031,Chengdu,China
地鐵列車受電有第三軌受電和剛性懸掛接觸網(wǎng)受電等類型。剛性懸掛接觸網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠和維護成本低等特點,在我國電氣化鐵道尤其是城市軌道交通中發(fā)展前景廣泛[1]。剛性懸掛接觸網(wǎng)匯流排支撐裝置安裝時需先在地鐵隧道頂部鉆錨螺栓孔,同樣,隧道側(cè)壁線纜、管道安裝也需要鉆孔。傳統(tǒng)的人工作業(yè)在梯車上扶持鉆機鉆孔法效率低、勞動強度大,施工時濺出大量灰塵,對施工人員的健康損害較大[2]。地鐵隧道內(nèi)有很多大半徑的曲線;隧道縱向有坡度;為平衡車輛轉(zhuǎn)彎時的離心力,橫向因設(shè)超高而形成橫坡。這就要求鉆孔平臺能進行偏航、俯仰、橫滾即3個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)調(diào)整。目前的一些鉆孔設(shè)備自由度少,無法6自由度調(diào)整或無法在調(diào)整后長時間自鎖,以至于只能在地鐵隧道某一部分鉆孔,施工范圍小。因此,亟需設(shè)計一種自動化程度高、精度高的鉆孔設(shè)備。為了彌補鉆孔設(shè)備的不足,適應(yīng)地鐵迅猛發(fā)展的需要,本文介紹了一種基于光機電一體化的地鐵隧道多方位高精度鉆孔設(shè)備的方案設(shè)計。
整個設(shè)備安裝在地鐵平車上,分為上中下3個部分。下部為縱橫向調(diào)整平臺。中部有左右2個電動缸(電動缸1、2)及4個直線軸承導(dǎo)軌,2個電動缸中間是電動滑臺和電動缸3,可實現(xiàn)升降、橫滾、俯仰動作。上部有回轉(zhuǎn)軸承下骨架、回轉(zhuǎn)軸承下基座、回轉(zhuǎn)軸承及其動力部分、回轉(zhuǎn)軸承上基座、回轉(zhuǎn)軸承上骨架、電動缸4和4套直線軸承光軸導(dǎo)軌、鉆孔機安裝骨架、鉆孔機。鉆孔機安裝平臺以型鋼為骨架,上面焊接有一排相同間距的矩形空心型鋼,因此4個鉆孔機可在平臺上實現(xiàn)XY位置無級調(diào)節(jié),可一次性鉆4個孔。鉆孔機調(diào)整好高度后可鎖緊在立柱上,由電動缸4一起推進。圖1為鉆機垂直于隧道頂部鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為鉆機垂直于隧道側(cè)壁鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖。
鉆孔設(shè)備定位、施工步驟如下:
圖1 鉆機結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 鉆機隧道側(cè)壁鉆孔示意圖
(1) 根據(jù)施工參數(shù),調(diào)整好4個鉆機的安裝位置。
(2) 平車往螺栓孔位置移動。平車輪對上裝有光電編碼器,由光電編碼器測量的位移和偏航傾角傳感器測得的偏航角度求積分得到平車行走的直線位移。該方法的精度、效率遠勝于目前使用的人工卷尺測量法。
(3) 縱橫向位置細調(diào)。由于司機停車有一定誤差,且螺栓孔不一定在上方正中間,需再由縱向(Y向)橫向(X向)平臺伺服電機傳動絲杠螺母精密調(diào)整。
(4) 高度、橫滾、俯仰調(diào)整。橫滾傾角傳感器測量橫向坡度,三維激光測距儀、隧道激光斷面儀測量鉆具與預(yù)定螺栓孔之間的距離和角度,電動缸1、2、3和電動滑臺協(xié)同運動;在升高的同時調(diào)整回轉(zhuǎn)軸承下骨架橫向坡度,隨之鉆機安裝平臺橫向坡度也得以調(diào)整。電動缸1、2、3和電動滑臺差異運動可實現(xiàn)俯仰動作。
(5) 偏航轉(zhuǎn)角傳感器測量路徑曲率,回轉(zhuǎn)軸承驅(qū)動電機運動,調(diào)整偏航角。
(6) 電動缸4進給,到達鉆孔位置前開動鉆機,開始鉆孔。進給過程由三維激光測距儀、隧道激光斷面測量儀、電動缸4的光電編碼器測量反饋。整個施工過程也可在旁邊的觀察控制平臺上進行人工控制。
該設(shè)備使用伺服電機、絲杠螺母、傳感器等閉環(huán)控制,可實現(xiàn)較高的精度。電動缸由電機傳動絲杠,螺母作直線運動,伸縮桿和螺母連接。電動缸能承受一定的扭轉(zhuǎn)力矩和徑向力。雖然部分梯形絲杠可以自鎖,但摩擦大、磨損快、速度慢、不能頻繁運動。行星絲杠是線接觸,傳動平穩(wěn),抗振能力強,但價格昂貴且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,還沒有廣泛使用。滾珠絲杠是標(biāo)準件,摩擦系數(shù)小,可減小驅(qū)動扭矩,提高傳動效率,保證定位精度。隨著滾珠絲杠的迅速發(fā)展,越來越多的電動缸選用滾珠絲杠。電動缸內(nèi)部行程兩端有非接觸式接近開關(guān),以防止電動缸過沖。電動缸垂直升降時,從安全方面考慮,電機必須附帶制動。電動缸相比傳統(tǒng)液壓或氣壓作動器具有控制性能更優(yōu)、速度更快、壽命更長、減少輔助設(shè)施投入、節(jié)省安裝空間、減少設(shè)備維護、節(jié)能、安裝和拆卸調(diào)試方便、噪聲低[3]、精度高等優(yōu)勢。
2.1 底部縱橫向調(diào)整平臺
該設(shè)備最下面是橫向調(diào)整平臺其骨架由型鋼焊接而成,滾動直線導(dǎo)軌安裝在骨架上面,帶制動伺服電機傳動絲杠螺母帶動設(shè)備在滾動直線導(dǎo)軌上精確移動。滾動直線導(dǎo)軌摩擦力小、驅(qū)動功率小,能實現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度,能實現(xiàn)無間隙運動提高機械系統(tǒng)的運動剛度,不僅能承受較大的動載荷和靜載荷,還能承受較大的傾覆力矩,滿足本設(shè)備較大振動力和復(fù)雜地形導(dǎo)致的傾覆力矩的需要[4]。
縱向調(diào)整平臺安裝在橫向調(diào)整平臺上面,其安裝方式與橫向調(diào)整平臺相同。
2.2 升降、俯仰、橫滾機構(gòu)
橫向調(diào)整平臺上有電動缸1、2。電動缸1、2兩側(cè)各有2個直線軸承導(dǎo)軌副,直線軸承安裝在角鐵支架上,電動缸1、2和直線光軸鉸接于上面的型鋼骨架。2個電動缸中間是電動滑臺和電動缸3。電動缸3下部鉸接于電動滑臺滑板,伸縮桿上部使用關(guān)節(jié)軸承球鉸在回轉(zhuǎn)軸承下骨架的一側(cè),并可手動更換左右側(cè)。電動缸1、2、3都是伺服電機傳動。鉆孔設(shè)備位置調(diào)整需要精密控制和自鎖,以防誤差過大或者鉆孔時位置偏移折斷鉆具。關(guān)節(jié)軸承是由一個內(nèi)球面的外圈和一個外球面的內(nèi)圈組成的特殊的滑動軸承,廣泛用于速度較低的擺動運動。內(nèi)圈外球面上鑲有復(fù)合材料,可以自潤滑,其相當(dāng)于一個球副,具有3個轉(zhuǎn)動自由度。
以轉(zhuǎn)軸為杠桿中心,電動缸3伸縮桿上球鉸為杠桿一端點,依靠電動滑臺的滑動和電動缸3的伸縮,實現(xiàn)鉆孔設(shè)備上部以轉(zhuǎn)軸為中心、在水平面上半面180°旋轉(zhuǎn),即橫滾運動。如此,可以對隧道側(cè)壁鉆孔。
回轉(zhuǎn)軸承下骨架通過左右兩端的空心轉(zhuǎn)軸安裝在左右型鋼骨架的軸承上。由于軸承間設(shè)備較長,且為了俯仰運動的需要,采用一端固定、一端游動的安裝方式。電動缸1、2、3協(xié)同升降實現(xiàn)上部設(shè)備升降,差異升降實現(xiàn)俯仰運動。
2.3 回轉(zhuǎn)機構(gòu)
囿于地質(zhì)、地下市政工程等原因,地鐵隧道多是由大半徑曲線組成。在彎曲軌道上鉆孔時,4個孔僅靠XY調(diào)整無法全部對準,還需要偏航一定角度。
回轉(zhuǎn)軸承可同時承受較大的軸向、徑向負荷和傾覆力矩。其機構(gòu)緊湊,裝配和維護簡單,密封及潤滑條件好,工作平穩(wěn),消除了大的沖擊,旋轉(zhuǎn)阻力小、磨損小、壽命長?;剞D(zhuǎn)軸承已標(biāo)準化生產(chǎn),有無齒式、外齒式和內(nèi)齒式的三排圓柱滾子組合回轉(zhuǎn)軸承,雙排異徑球回轉(zhuǎn)軸承,單排交叉圓柱滾子回轉(zhuǎn)軸承,單排四點接觸球回轉(zhuǎn)軸承等。其中單排交叉圓柱滾子回轉(zhuǎn)軸承由2個座圈組成,結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小,滾柱為1∶1交叉排列,可承受較大的動載荷[5]。
當(dāng)垂直于隧道側(cè)壁時,回轉(zhuǎn)軸承各方向受力最大,在此狀況下選擇、校核回轉(zhuǎn)軸承。原則上,必須以作用在支承上的最大載荷為靜態(tài)計算值。初步選擇111.25.500.001型外齒式單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承。通過SolidWorks三維建模,計算得到回轉(zhuǎn)軸承上部設(shè)備質(zhì)量為330 kg,重心為160 mm,轉(zhuǎn)動慣量為80.5 kg·m2。根據(jù)力的平移定理,垂直側(cè)壁鉆孔時,當(dāng)軸向力為3 300 N、傾覆力矩為528 N·m、勻速鉆孔時,鉆孔阻力等于鉆機所受的軸向力(由后文中的式(2)知,為4×1 060 N)。安全系數(shù)取鐵路起重機安全系數(shù),為1,計算軸向力Fa、傾覆力矩M,查找所選型號回轉(zhuǎn)支承對應(yīng)的靜態(tài)承載曲線圖。在曲線圖中標(biāo)出(Fa,M),并核對坐標(biāo)點(Fa,M)在靜態(tài)承載曲線的下方,則選型符合要求。
回轉(zhuǎn)軸承可實現(xiàn)上面的鉆機平臺360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)(即偏航運動),實現(xiàn)成組鉆孔精確定位。其由帶制動的伺服電機、減速器驅(qū)動,自鎖可靠性好。文獻[6]通過理論推導(dǎo)計算,得出挖掘機、起重機等工程機械中回轉(zhuǎn)支承裝置摩擦阻力矩的替代公式。即當(dāng)GDπ-8M<0 (G為軸向載荷,D為回轉(zhuǎn)支承滾道中心直徑)時,
(1)
式中:
K——滾動體的形狀系數(shù),對于滾柱取K=1,對于滾球取K=0.95;
μ——回轉(zhuǎn)支承裝置滾動體與滾道之間的摩擦系數(shù),交叉圓柱滾子回轉(zhuǎn)軸承μ取0.004;
α——滾動體與滾道的接觸角,此處α=45°;
M——傾覆力矩。
計算可得Mf=3.8 N·m。所選電機額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于摩擦阻力矩。
2.4 工進機構(gòu)
回轉(zhuǎn)軸承上骨架安有前法蘭型電動缸4。骨架4個角安有塑料直線軸承光軸導(dǎo)軌副,起導(dǎo)向作用,可承受軸向力和轉(zhuǎn)矩。塑料直線軸承承受的載荷大、噪聲小,可在灰塵和液體等惡劣環(huán)境中運行。電動缸4上部用關(guān)節(jié)軸承球鉸于鉆機安裝骨架下面。鉆孔機安裝平臺可由電動缸推進,一次性鉆4個孔。
電動缸4的進退僅與鉆孔深度有關(guān)。在施工中螺栓孔深度的允許誤差為2 mm,所以從性價比考慮,電動缸4沒有必要用伺服電機,用帶制動的交流電機,以及用編碼器測量位移、變頻器控制速度,已完全能滿足要求,并且價格便宜,輸出力矩和制動力矩較大。
2.5 鉆孔機平臺
以往隧道鉆孔設(shè)備只能一次鉆一個孔,效率低,或多個鉆機固定安裝,無法方便迅速的調(diào)整,且地鐵隧道設(shè)備安裝孔規(guī)格不一,設(shè)備通用性差。本設(shè)備則很好地解決了這一問題:鉆孔機安裝平臺以型鋼為骨架,上面安裝有一排相同間距的矩形空心型鋼,鉆孔機安裝底板開有兩道槽以安裝螺栓,因此4個鉆孔機可在平臺上實現(xiàn)XY位置無級調(diào)節(jié),一次性鉆4個孔,從而提高生產(chǎn)效率。通過對地鐵隧道接觸網(wǎng)大量施工信息的查詢得知,螺栓孔間距小的有200 mm×200 mm,大的主要有1 000 mm×1 000 mm,所以本設(shè)備鉆孔安裝平臺長寬為1 000 mm×1 000 mm。鉆具與支撐桿不在同一軸線(見圖3),反轉(zhuǎn)鉆機安裝方向,鉆孔范圍可略大于平臺尺寸。
圖3 改裝的水鉆結(jié)構(gòu)示意圖
將鉆機鉆具向上,可對隧道頂部和側(cè)壁鉆孔。4個鉆機可分別手動進給,也可將鉆機升降系統(tǒng)調(diào)整好高度后鎖緊在支柱上由電動缸4推進一起進給。小徑用普通鉆機鉆孔,大徑(Φ18 mm以上)則用金剛石鉆機鉆孔。金剛石鉆機可直接鉆斷隧道襯砌混凝土中的鋼筋,效率高,干凈衛(wèi)生,對鉆具損壞小,可減輕工作勞動強度,改善工作環(huán)境。用金剛石鉆機鉆孔時,鉆具上圍繞有防水彈性密封圈。密封圈可壓縮,可隨鉆機一同進給。鉆具底部安有進水管,密封圈底部有排水管,水循環(huán)一周,實現(xiàn)封閉式給排水。金剛石鉆機的良好水封性能以及轉(zhuǎn)動時的離心力作用,可確保水不會流下來。
根據(jù)經(jīng)驗,單個鉆機鉆孔時所需軸推力的大小由下式確定[7]:
F=(2.5~4)Df
(2)
式中:
F——軸推力,N;
D——鉆頭直徑,mm;
f——巖石普氏硬度系數(shù)。
計算可知,單個鉆機所需軸推力的大小約為1 060 N。
2.6 其他輔助設(shè)施
柴油發(fā)電機與應(yīng)急電源,以及水泵水箱、控制臺、休息室等安裝在平車一側(cè)。鉆孔設(shè)備既可用市電(經(jīng)電纜傳輸),也可用柴油發(fā)電機發(fā)電。電動缸制動器都是失電制動。市電或柴油發(fā)電機突然停電時,電動缸立即制動,因此整個設(shè)備具有較高的安全性。如不能立刻恢復(fù)供電,則用應(yīng)急電源或手動輸入端將電動缸收回。
2.7 控制方案
控制系統(tǒng)使用上位PC機和PLC(可編程邏輯控制器)。上位機的使用,使得復(fù)雜控制算法的實現(xiàn)更為方便,并且能夠完成良好的人機監(jiān)控界面。PLC抗干擾能力強、工作可靠,能在惡劣的現(xiàn)場環(huán)境和復(fù)雜的過程中依然保持較高的性能[8]。PLC發(fā)送信號控制伺服電機驅(qū)動器及交流電機變頻器,并接受編碼器、激光測量儀、角度傳感器等測量儀的反饋信號,如圖4所示。
圖4 自動控制系統(tǒng)示意圖
2.8 設(shè)備參數(shù)
綜上所述,本文介紹的地鐵隧道鉆孔設(shè)備主要參數(shù)如表1所示。其質(zhì)量較小,結(jié)構(gòu)緊湊,滿足限界要求。
表1 地鐵隧道鉆孔設(shè)備主要參數(shù)
經(jīng)計算分析,匯流排一般12 m一段(由魚尾板將其連接為一體),平車移動速度為300 mm/s,縱橫向調(diào)整平臺最大移動速度為500 mm/s,電動缸最大速度為567 mm/s,所以5~6 s便可完成定位開始鉆孔。根據(jù)工程經(jīng)驗,螺栓孔最深為170 mm,孔徑最大為36 mm(一般為22 mm或24 mm),使用金剛石鉆機60 s左右便可完成鉆孔,且是一次性鉆4個孔。整個過程只需要2人操作,比以往設(shè)備總體可提高效率4倍以上。
本文通過對地鐵隧道接觸網(wǎng)施工的研究,設(shè)計開發(fā)了一種能勝任地鐵隧道頂部和側(cè)面安裝鉆孔要求的多方位高精度鉆孔設(shè)備。該設(shè)備功能多、安全性高,可大幅提高施工效率,創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟價值。
[1] 韓蘭貴,唐杰.剛性懸掛接觸網(wǎng)施工方法探討[J].城市軌道交通研究,2003,6(3):71-75.
[2] 劉 軍,劉桓龍,柯堅,等.地鐵隧道內(nèi)鉆孔設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].現(xiàn)代機械,2014(6):8-12.
[3] 佚名.EXLAR電動缸在運動仿真、測試設(shè)備的應(yīng)用[J].伺服控制,2007(4):82-83.
[4] 計時鳴.機電一體化控制技術(shù)與系統(tǒng)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009.
[5] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.回轉(zhuǎn)支承:JB/T 2300—2011 [S].北京:機械工業(yè)出版社,2011:1.
[6] 何西泠.回轉(zhuǎn)支承裝置的摩擦阻力矩[J].中國工程機械學(xué)報,2006,4(2):183-186.
[7] 徐小荷,余靜.巖石破碎學(xué)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1984.
[8] 祁鯤,厲虹.異步電動機定位控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].北京機械工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2001,16(3):13-16.
Installation Plan of Subway Tunnel Drilling Equipment with Multi-direction and High Precision
LIU Huanlong, LI Mao, YU Lanying, KE Jian, ZHENG Tao
The lower scope,lower efficiency,higher labour intensity are the main problems existed in the installation of suspension catenary motherboard in subway tunnel.Aiming at which,a new subway tunnel drilling equipment with multi-direction and high precision based on opto-mechatronics integration is designed,the overall plan, main structure and control method of it are introduced.Laser measuring instrument,angle sensors and optical camera are used in this equipment to realise automatic precise positioning,PC and PLC are used to realize automatic control,servo motor,electric cylinder,slewing bearing are used to realize accurate adjustment of six degrees of freedom,so as to adapt to the complex terrain and construction requirements.This equipment installed with 4 drills can drill to the top of the tunnel and drill arbitrary inclined angle holes on the side.
subway tunnel; drilling equipment; opto-mechatronics integration
U445.3+2
10.16037/j.1007-869x.2017.04.008
2016-01-03)