公鐵兩用隧道鉆孔車鉆孔控制系統(tǒng)研究

鄭宇航

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

我國城市軌道交通建設(shè)是城市現(xiàn)代化建設(shè)的主力之一，地鐵作為城市軌道交通建設(shè)中的先鋒，發(fā)展最為迅猛。 地鐵隧道受電接觸網(wǎng)、側(cè)壁電纜、天網(wǎng)系統(tǒng)電纜、國防光纜、管道以及緊急疏散平臺等機(jī)電安裝需要在隧道壁上鉆大量的安裝孔。

以剛性懸掛接觸網(wǎng)匯流排支撐裝置安裝錨螺栓孔的施工為例，目前仍是以“人工測量劃線、作業(yè)平臺輔助人工手持電鉆鉆孔”為主的作業(yè)模式。 傳統(tǒng)的錨螺栓孔鉆孔工藝主要采用人工站在梯車或者隧道作業(yè)車的升降平臺上手持電錘鉆孔。 需要大量人工操作，鉆孔效率偏低，同時，鉆孔粉塵會引起工人肺部健康問題。 為加快施工進(jìn)度、改善作業(yè)環(huán)境、提高作業(yè)質(zhì)量，因此研制一款公鐵兩用隧道鉆孔車非常有必要。

可編程控制器 （Programmable Logical Control，PLC）是以微處理器為核心，結(jié)合自動控制、微計算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)的一種技術(shù)，操控性能良好，成本低，目前已廣泛應(yīng)用于軌道交通行業(yè)和工業(yè)等領(lǐng)域。 因此，可以將PLC 應(yīng)用于地鐵隧道鉆孔車，以達(dá)到對鉆孔系統(tǒng)的自動控制。

1 整車介紹

公鐵兩用隧道鉆孔車示意圖如圖1 所示，該車主要功能及特點：隧道內(nèi)剛性懸掛接觸網(wǎng)及側(cè)壁電纜錨栓孔的定位及鉆孔；公鐵兩用底盤機(jī)動靈活、轉(zhuǎn)線方便，特別適用于地鐵線路無聯(lián)絡(luò)線的軌道系統(tǒng)；升降伸縮平臺具有升降伸縮功能， 便于工人清理安裝孔、安裝化學(xué)錨栓螺桿；除塵裝置能有效吸走鉆孔過程中產(chǎn)生的粉塵，改善施工環(huán)境。

該車實現(xiàn)關(guān)鍵點及難點是如何實現(xiàn)錨螺栓孔的定位及鉆孔，以及怎樣避讓隧道襯砌中鋼筋，同時需要應(yīng)對彎道超高及車輛穩(wěn)定性對鉆孔定位的影響。

圖1 公鐵兩用隧道鉆孔車示意圖

2 鉆孔控制系統(tǒng)

2.1 總體工作流程

隧道鉆孔車鉆孔控制系統(tǒng)的總體流程圖如圖2所示。 該系統(tǒng)主要由中央控制系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、鉆孔執(zhí)行系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、調(diào)平裝置、觸摸屏（HMI）及ECU 等組成。

圖2 隧道鉆孔車控制系統(tǒng)總體流程圖

2.2 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 控制系統(tǒng)是隧道鉆孔車鉆孔的核心部件。 部件中的PLC 控制器作為本地管理，對鉆孔車各個設(shè)施輸出工作指令；PLC 通過收集到的各傳感器信息，自動定位鉆孔工位及鉆孔目標(biāo)位置，使鉆孔車鉆孔符合工藝需求。

2.3 信號采集系統(tǒng)

信號采集系統(tǒng)主要由傾角傳感器、 走行編碼器、鉆孔裝置姿態(tài)編碼器及電錘電流傳感器組成，主要用于檢測車身傾角、車輛走行距離、電錘電流及鉆孔機(jī)械臂姿態(tài)。

2.4 鉆孔執(zhí)行系統(tǒng)

鉆孔執(zhí)行系統(tǒng)主要由調(diào)平裝置、鉆孔機(jī)械臂及電錘組成。 PLC 控制調(diào)平裝置使鉆孔機(jī)械臂底座保持水平；鉆孔機(jī)械臂驅(qū)動電錘進(jìn)行鉆孔。

2.5 除塵系統(tǒng)

除塵系統(tǒng)由吸塵器及其管道組成。 在鉆孔機(jī)械臂驅(qū)動電錘進(jìn)行鉆孔的同時，PLC 控制吸塵器啟動，將鉆孔產(chǎn)生的粉塵吸收。

3 關(guān)鍵控制方法研究

3.1 走行距離控制

鉆孔車作業(yè)時鐵路走行，前后鋼輪轉(zhuǎn)向架由液壓系統(tǒng)驅(qū)動下降，并將膠輪頂起處于懸空狀態(tài)，由后轉(zhuǎn)向架鋼輪驅(qū)動。 動力由發(fā)動機(jī)傳至分動箱，分動箱連接油泵， 油泵帶動液壓馬達(dá)驅(qū)動后鋼輪轉(zhuǎn)向架。 PLC通過控制ECU 使發(fā)動機(jī)以適當(dāng)?shù)墓潭ㄞD(zhuǎn)速運行，為油泵提供動力；PLC 控制油泵排量及馬達(dá)排量達(dá)到控制車輛行進(jìn)速度的目的。

走行距離控制是定位鉆孔工位位置的重要環(huán)節(jié)。為保證走行距離檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，降低因摩擦或測量輪接觸不良而造成的誤差，設(shè)置左右測量輪，測量輪上安裝走行編碼器。 PLC 采集編碼器數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成鉆孔車前進(jìn)距離數(shù)據(jù)。

用戶在HMI 上設(shè)定前后工位的距離，PLC 通過該距離參數(shù)對鉆孔車行駛速度及行駛距離進(jìn)行控制，使鉆孔車能準(zhǔn)確停在下一鉆孔工位處。 鉆孔車工位轉(zhuǎn)換時速度曲線如圖3 所示。

圖3 隧道鉆孔車速度距離曲線

作業(yè)時，在工程線路中設(shè)置幾個校驗點，以便于校驗系統(tǒng)誤差。

3.2 鉆孔深度控制

隧道內(nèi)不同設(shè)備對應(yīng)的錨栓孔的孔徑及深度是有不同要求的，例如：剛性懸掛接觸網(wǎng)錨栓孔徑24 mm，深度120 mm；強(qiáng)電電纜支架錨栓孔徑18 mm，深度90 mm（此參數(shù)僅為個例，不代表地鐵錨栓孔均為此要求）。 錨栓孔的孔徑控制可以通過更換不同型號鉆頭實現(xiàn)；鉆孔深度的控制則需要通過PLC 控制實現(xiàn)。

在鉆孔動作執(zhí)行前， 利用激光距離傳感器測量初始鉆頭位置到隧道壁面的距離，鉆孔進(jìn)給執(zhí)行時，用拉繩傳感器測量鉆孔進(jìn)給的實時距離。鉆孔孔深度為拉繩傳感器測距與初始鉆孔位置到隧道壁面距離的差值。

3.3 鋼筋避讓控制

地鐵管道隧道襯砌中預(yù)埋有大量鋼筋，在鉆孔施工過程中需要規(guī)避。

在電錘向前推進(jìn)過程中，PLC 控制器檢測并分析鉆機(jī)電流，與經(jīng)試驗記錄鉆機(jī)空轉(zhuǎn)、鉆混凝土、鉆到鋼筋的電流范圍對比， 判斷鉆機(jī)是否鉆到鋼筋。 用1000W 電錘對隧道襯砌管片進(jìn)行鉆孔電流監(jiān)視測試，結(jié)果如圖4。當(dāng)電錘鉆到鋼筋時電流陡升，由此可判斷電錘鉆到鋼筋，設(shè)備停機(jī)，人工操作鉆孔車小幅偏移后再次進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

圖4 電錘電流曲線

3.4 彎道超高補償控制

由于鋼軌在彎道存在超高（外軌高于內(nèi)軌），以及鋼軌軌面也存在一定的偏差，導(dǎo)致車輛傾斜。鉆孔車以鋼軌軌面為基準(zhǔn)展開設(shè)計，所以需要對其進(jìn)行補償。

鉆孔機(jī)械臂底座設(shè)計有液壓驅(qū)動的調(diào)平機(jī)構(gòu)，PLC通過檢測機(jī)械臂底座上傾角傳感器數(shù)據(jù)判斷其傾斜角度，進(jìn)而控制調(diào)平機(jī)構(gòu)使鉆孔機(jī)械臂底座水平。

3.5 車輛穩(wěn)定性控制

鉆孔車的穩(wěn)定性是一個關(guān)鍵難度，各個失穩(wěn)狀態(tài)（例如整個設(shè)備在軌道上移動過程中， 車輪與軌道之間可能出現(xiàn)打滑、設(shè)備打孔時沖擊振動帶來的潛在失穩(wěn)等）都會影響測控系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，使用抱軌器、彈性頂頭等機(jī)構(gòu)來增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

此外，為了增加設(shè)備運動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在各個液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)上增加液壓鎖，并盡量選擇蝸輪蝸桿減速機(jī)等帶自鎖功能的傳動機(jī)構(gòu)。

4 控制流程

在HMI 上標(biāo)定參數(shù)，設(shè)置任務(wù)內(nèi)容。 通過PLC 采集外圍傳感器、操作按鈕/手柄號，讀取總線數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并按照一定的算法進(jìn)行邏輯和運算處理，以到達(dá)現(xiàn)場工況需求。 控制流程如圖5 所示。

圖5 控制流程

4.1 參數(shù)標(biāo)定

（1）標(biāo)記鉆頭原點。人工操作設(shè)備（可用激光投影），調(diào)整鉆頭位置，到第一打孔位置正前方（該位置距離隧道壁L，L+鉆孔深度＜伸縮油缸行程）， 設(shè)定當(dāng)前位置為鉆頭原點。

（2）標(biāo)記鉆頭回位點。 各機(jī)構(gòu)收回到位后坐標(biāo)。

（3）標(biāo)記線路參數(shù)。 設(shè)置設(shè)備運行線路相關(guān)參數(shù)。

（4）標(biāo)定孔間距及數(shù)量。 下達(dá)打孔任務(wù)。 在HMI 上設(shè)置需要孔的間距、數(shù)量。

4.2 控制流程

（1）操作模式。系統(tǒng)設(shè)有手動/自動兩種操作模式。

（2）工作機(jī)構(gòu)備妥。 系統(tǒng)自檢。

（3）自動檢測運算。 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)運算、邏輯處理。

（4）機(jī)構(gòu)運行。執(zhí)行PLC 輸出指令執(zhí)行打孔操作。

以側(cè)壁電纜支架四個錨栓孔為例，同一工位4 孔加工示意圖如圖6 所示：

圖6 同一工位4 孔加工示意圖

抱軌機(jī)構(gòu)抱緊軌道→頂頭頂住墻面→系統(tǒng)液壓鎖鎖死→鉆孔兩個→執(zhí)行組件伺服滑臺運動→鉆孔兩個→液壓鎖松開→頂頭松開→抱軌機(jī)構(gòu)松開→公鐵兩用平臺移動→抱軌機(jī)構(gòu)抱緊軌道→傳感器測量、PLC 控制系統(tǒng)計算→調(diào)平裝置補償角度偏差→頂頭頂住墻面→系統(tǒng)液壓鎖鎖死→第二工位的加工開始并依次循環(huán)。

當(dāng)系統(tǒng)判斷打到鋼筋時，設(shè)備停機(jī)，人工按提示確認(rèn)開啟偏移操作，軌道車小幅偏移后再次開始打孔操作。

（5）任務(wù)完成。 檢測任務(wù)是否完成。

（6）打孔完畢。 任務(wù)結(jié)束。

5 結(jié)語

本文完成了公鐵兩用隧道鉆孔車鉆孔控制系統(tǒng)的原理設(shè)計。 控制系統(tǒng)主要由中央控制系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、鉆孔執(zhí)行系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、調(diào)平裝置、觸摸屏及ECU 等組成，通過走行距離控制、鉆孔深度控制及鋼筋避讓控制等關(guān)鍵控制方法，實現(xiàn)了鉆孔車的自動定位及自動鉆孔功能。 試驗結(jié)果表明，鉆孔控制系統(tǒng)可以滿足隧道鉆孔工藝需求，且工作性能穩(wěn)定。