本文通过对凿岩台车的发展与现状进行了分析，以 DFZD-1 型凿岩台车为模型，对其进行基本结构设计。围绕其钻臂结构特点，对钻臂进行了机械臂运动学建模，并使用 matlab 进行了正解与逆解的求解，计算出调平时各缸所需的设定参数。最后，结合 AMESIM 软件对液压系统进行了设计、建模与仿真，证明了设计的液压系统能良好的执行调平所需的各参数设定值，实现自动调平。
第一章 绪论
1.1 研究背景
当前，我国正处于“两个一百年”奋斗目标的交汇时期，已基本建成小康社会，实习了第一个百年奋斗目标，正向着建设社会主义现代化国家新征程这个第二个百年奋斗目标进军。伴随着国家的不断发展，矿产资源的的开发和利用也不断面临新的挑战。
现代矿产资源开采和现代隧道挖掘的方法主要是“盾构法”和“钻爆法”。盾构法是指利用大型盾构机对岩石进行切削，通过切割断面的岩石，从而掘进出断面的形状，进而达到实现整个断面掘进的目的[1]。但是大型全断面盾构机不仅体型庞大，系统复杂；而且价格不菲，耗能较大[2]；最为关键的是，它对土质要求特别高，适用于土质松软的场合，不能在土质坚硬的岩层当中使用。钻爆法则是指在预先设定的掌子面钻出相应数量的炮眼或炮孔，随后将适量的炸药填入炮孔之中，之后将其引爆，然后用高压水枪将爆炸过程中的产生的碎石和土块冲走，接着对爆炸形成的断面进行修葺，固定。最后安装断面所需要的相关装备形成能够开采矿产资源的通道或者可供车辆通行的隧道。为了钻得所需的炮眼或炮孔，需要用到凿岩台车。
凿岩台车是钻爆法实施的必要机械设备。如图 1-1 所示，凿岩台车一般由行走系统、底盘、钻臂、推进器、凿岩机(含钎杆)、动力系统、电气控制系统、液压系统组成[3]。凿岩台车根据爆破工艺需求，通过各个部件和系统的联合工作完成对山体或者隧道的布孔，钻孔，成孔的循环作业过程，适用于矿山、水电、铁路、公路、采石场等领域巷道、隧道的掘进、采石工作。
图 1-1 凿岩台车的组成
................................
1.2 凿岩台车国内外研究现状
1.2.1 凿岩台车国外研究现状
国外对于凿岩台车的研究起步比较早，技术已相对成熟。当前世界知名的凿岩台车及配套设备设计生产公司包括瑞典的 Atlas Copco、芬兰的 Tamrock、法国的 Montabert 和 Eimco-Secoma、德国的 Krupp、美国的 Ingersoll-Rand、日本的 Furu Kawa 等，产品类型超过 50 种，其中 Atlas Copco 公司和 Tamrock 公司处于世界领先水平，所产的机型品种多、质量好、销量大，共占有全球 60%左右的市场份额[4]。
早在 1887 年，世界上第一台气动轻型凿岩机就诞生了，这改变了以往传统的人工手动凿岩方式提高了凿岩的效率。但是由于气动凿岩机本身在工作中存在耗能高、噪音大等问题，因此并没有形成产业化生产。而后在 1970 年，凿岩机实现了技术上的关键突破，法国 Montabert 公司成功研制出世界上第一台液压凿岩机 H50 型，随后该公司将之装配到了液压钻车上，用于矿山钻孔工作中，并且创造了连续钻孔 14000m 的优异成绩。这标志着液压凿岩机正式投入市场[5]。
液压凿岩机相较于气动凿岩机，不仅有着能耗小、噪音小、污染少、自动化程度高的优点，而且液压凿岩机使用安全性也是气动装备无法比拟的。所以，此后的各国都将研究重心放在了液压凿岩机上面。1970 年，法国的 Eimco-Secoma公司生产出了 RPH35 型液压凿岩机；1973 年瑞典的 Atlas Copco 公司则研制出了 COP1038HD 型和 COP1238 型液压凿岩机，之后该公司又在 1986 年推出了COP1440 型和 COP1550 型等新型高速液压凿岩机，新一代的液压凿岩机相较之前，在噪音、污染、自动化等方面有了进一步的提升，使得其凿岩效率整整提升了一倍[6]；1974 年德国 Zalzijit 公司推出了 HH 型凿岩机；1975 年德国的另一家公司，ThyssenKrupp 公司则研制出了 HB 型凿岩机[7]；同年美国 Ingersoll Land则推出了 HARD 型液压凿岩机，并一举创造了连续凿岩 65000m 的骄人成绩；一年之后，美国 Joey 公司则推出了 JH-2 型液压凿岩机；1978 年日本 Furu Kawa公司也相继推出 HD100 和 HD200 型液压凿岩机[8]。
............................
第二章 DFZD-1 型凿岩台车结构设计
2.1 底盘
底盘不仅仅是凿岩台车钻臂、凿岩机、操作台等所有系统和相关机械设备的支撑机架，也决定了凿岩台车行走和转向的方式。凿岩台车行走方式分为履带式，轮胎式和轮轨式。
履带式底盘是由液压马达驱动，从而带动履带和链轮的转动，最后完成台车的行走，转向和制动工作，如图 2-2 所示。其优点在于工作平稳可靠、爬坡能力强可以通过复杂的路面，但是本身速度不快，而且在高强度的凿岩工作之下会加剧履带的磨损，后期维护成本较高，且不适宜在负载变化很大的场合和软岩巷道使用。
图 2-2 履带式凿岩台车
..........................
2.2 钻台推进装置
凿岩台车打孔的工作机构是凿岩机，而凿岩机安装在推进装置中。推进装置通过进给，实现钻具与巷道断面岩石的充分接触，进而确保充分凿岩的工作，最终实现准确无误的打孔。在完成打孔动作后，钻具在推动装置的作用之下会快速退回，并准备下次的进给和退回动作。
推进装置中常用的推进器包括马达丝杠式、液压缸钢丝绳式两种。
图 2-5 是马达丝杠式推进器，主要是由马达、丝杠、螺母补偿液压缸等部分组成。当马达转动时带动丝杠和螺母的从动转动，通过控制马达正反转，实现凿岩机前进、退后的动作。
图 2-6 是液压缸钢丝绳式推进器，主要由钢丝绳、滑轮、软管滑轮、液压缸、缓冲垫等部分组成。其工作原理是通过软管滑轮和钢丝绳的转动，带动滑块移动，滑块与滑架通过滚珠滚动配合，最终实现滑架上的凿岩机移动[17]。
图 2-5 马达丝杠式推进器
..............................
第三章 凿岩台车钻臂机械臂运动学模型.................................... 18
3.1 DFZD-1 凿岩台车钻臂结构参数.....................18
3.2 机械臂运动学基础............................................... 19
第四章 基于 Matlab 的钻臂位姿计算.......................................... 30
4.1 钻臂正运动分析与求解.................................. 30
4.1.1 正运动求解.............................................. 30
4.2 钻臂逆运动求解............................... 31
第五章 凿岩台车钻臂液压系统设计与仿真.......................... 50
5.1 凿岩台车钻臂液压系统设计............................... 50
5.2 液压系统选件................................... 51
第五章 凿岩台车钻臂液压系统设计与仿真
5.1 凿岩台车钻臂液压系统设计
液压系统具有结构紧凑、体积小、惯性小且能传递较大的力或者力矩等优点，可容易的实现无极调速功能，在很多工程领域都有成熟的应用。
DFZD-1 凿岩台车钻臂均使用液压系统进行控制与执行动作。钻臂共由 6 个执行元件组成，分别是左右两缸支臂缸，后臂内部的伸缩缸，安装在中臂上的扭转摆动缸，安装在上臂上的偏转摆动缸和调平缸。左右支臂缸可实现钻臂的升降与左右偏摆；伸缩缸增长后壁，扩大钻臂工作范围；扭转缸可将钻台绕后臂旋转，钻制两侧帮孔；偏转摆动缸和调平缸配合工作调整钻台平行。
由于凿岩台车尺寸相对较大，尤其是在钻制距离较近的孔阵时，缸的移动量较小。为提高控制精度，故对两支臂缸、调平缸、偏转摆动缸使用电液比例阀进行控制，而伸缩缸和扭动缸使用三位四通换向阀配合传感器进行控制。
考虑到凿岩机部分液压系统对泵进行选型在此不再展开，钻臂部分的液压系统图如图所示。
图 5-1 电液比例调平液压系统图
.........................
结论
凿岩台车是现代隧道挖掘、矿产资源开采、巷道建设中必不可少的工程机械，是钻爆法实施的必须机械设备。钻臂是凿岩台车进行钻探掘进的主要工作臂，对岩石的高效、快速破碎有着重要意义。炮孔的水平掘进决定了爆破效果的成败。因此，对于钻臂来说，自动电液调平液压系统就显得尤为重要。但是，由于国际局势的变化，西方国家和相关单位开始对我国进行技术上的封锁，使得我国研制自动电液调平液压系统的步伐举步维艰。因此，本文研究凿岩台车钻臂自动调平系统，旨在为民族凿岩台车自动电液调平液压系统的发展提供技术支持。
本文通过对凿岩台车的发展与现状进行了分析，以 DFZD-1 型凿岩台车为模型，对其进行基本结构设计。围绕其钻臂结构特点，对钻臂进行了机械臂运动学建模，并使用 matlab 进行了正解与逆解的求解，计算出调平时各缸所需的设定参数。最后，结合 AMESIM 软件对液压系统进行了设计、建模与仿真，证明了设计的液压系统能良好的执行调平所需的各参数设定值，实现自动调平。
但是，在工作中依然存在着写不完美的方面，是以后研究改善的方向：
受疫情影响，企业生产与研发受到影响，样机建造不完善，导致没有实验验证，但由于使用的方法在其他领域都有成熟的应用，所以研究的正确性也有所保证。
受限于作者自身能力与水平，在机械臂求解中没有总结出解析解，使得当前运算步骤稍多，数学模型较为复杂，在未来的研究中可以推导解析解，简化集成数学模型。
参考文献（略）
第一章 绪论
1.1 研究背景
当前，我国正处于“两个一百年”奋斗目标的交汇时期，已基本建成小康社会，实习了第一个百年奋斗目标，正向着建设社会主义现代化国家新征程这个第二个百年奋斗目标进军。伴随着国家的不断发展，矿产资源的的开发和利用也不断面临新的挑战。
现代矿产资源开采和现代隧道挖掘的方法主要是“盾构法”和“钻爆法”。盾构法是指利用大型盾构机对岩石进行切削，通过切割断面的岩石，从而掘进出断面的形状，进而达到实现整个断面掘进的目的[1]。但是大型全断面盾构机不仅体型庞大，系统复杂；而且价格不菲，耗能较大[2]；最为关键的是，它对土质要求特别高，适用于土质松软的场合，不能在土质坚硬的岩层当中使用。钻爆法则是指在预先设定的掌子面钻出相应数量的炮眼或炮孔，随后将适量的炸药填入炮孔之中，之后将其引爆，然后用高压水枪将爆炸过程中的产生的碎石和土块冲走，接着对爆炸形成的断面进行修葺，固定。最后安装断面所需要的相关装备形成能够开采矿产资源的通道或者可供车辆通行的隧道。为了钻得所需的炮眼或炮孔，需要用到凿岩台车。
凿岩台车是钻爆法实施的必要机械设备。如图 1-1 所示，凿岩台车一般由行走系统、底盘、钻臂、推进器、凿岩机(含钎杆)、动力系统、电气控制系统、液压系统组成[3]。凿岩台车根据爆破工艺需求，通过各个部件和系统的联合工作完成对山体或者隧道的布孔，钻孔，成孔的循环作业过程，适用于矿山、水电、铁路、公路、采石场等领域巷道、隧道的掘进、采石工作。
图 1-1 凿岩台车的组成
................................
1.2 凿岩台车国内外研究现状
1.2.1 凿岩台车国外研究现状
国外对于凿岩台车的研究起步比较早，技术已相对成熟。当前世界知名的凿岩台车及配套设备设计生产公司包括瑞典的 Atlas Copco、芬兰的 Tamrock、法国的 Montabert 和 Eimco-Secoma、德国的 Krupp、美国的 Ingersoll-Rand、日本的 Furu Kawa 等，产品类型超过 50 种，其中 Atlas Copco 公司和 Tamrock 公司处于世界领先水平，所产的机型品种多、质量好、销量大，共占有全球 60%左右的市场份额[4]。
早在 1887 年，世界上第一台气动轻型凿岩机就诞生了，这改变了以往传统的人工手动凿岩方式提高了凿岩的效率。但是由于气动凿岩机本身在工作中存在耗能高、噪音大等问题，因此并没有形成产业化生产。而后在 1970 年，凿岩机实现了技术上的关键突破，法国 Montabert 公司成功研制出世界上第一台液压凿岩机 H50 型，随后该公司将之装配到了液压钻车上，用于矿山钻孔工作中，并且创造了连续钻孔 14000m 的优异成绩。这标志着液压凿岩机正式投入市场[5]。
液压凿岩机相较于气动凿岩机，不仅有着能耗小、噪音小、污染少、自动化程度高的优点，而且液压凿岩机使用安全性也是气动装备无法比拟的。所以，此后的各国都将研究重心放在了液压凿岩机上面。1970 年，法国的 Eimco-Secoma公司生产出了 RPH35 型液压凿岩机；1973 年瑞典的 Atlas Copco 公司则研制出了 COP1038HD 型和 COP1238 型液压凿岩机，之后该公司又在 1986 年推出了COP1440 型和 COP1550 型等新型高速液压凿岩机，新一代的液压凿岩机相较之前，在噪音、污染、自动化等方面有了进一步的提升，使得其凿岩效率整整提升了一倍[6]；1974 年德国 Zalzijit 公司推出了 HH 型凿岩机；1975 年德国的另一家公司，ThyssenKrupp 公司则研制出了 HB 型凿岩机[7]；同年美国 Ingersoll Land则推出了 HARD 型液压凿岩机，并一举创造了连续凿岩 65000m 的骄人成绩；一年之后，美国 Joey 公司则推出了 JH-2 型液压凿岩机；1978 年日本 Furu Kawa公司也相继推出 HD100 和 HD200 型液压凿岩机[8]。
............................
第二章 DFZD-1 型凿岩台车结构设计
2.1 底盘
底盘不仅仅是凿岩台车钻臂、凿岩机、操作台等所有系统和相关机械设备的支撑机架，也决定了凿岩台车行走和转向的方式。凿岩台车行走方式分为履带式，轮胎式和轮轨式。
履带式底盘是由液压马达驱动，从而带动履带和链轮的转动，最后完成台车的行走，转向和制动工作，如图 2-2 所示。其优点在于工作平稳可靠、爬坡能力强可以通过复杂的路面，但是本身速度不快，而且在高强度的凿岩工作之下会加剧履带的磨损，后期维护成本较高，且不适宜在负载变化很大的场合和软岩巷道使用。
图 2-2 履带式凿岩台车
..........................
2.2 钻台推进装置
凿岩台车打孔的工作机构是凿岩机，而凿岩机安装在推进装置中。推进装置通过进给，实现钻具与巷道断面岩石的充分接触，进而确保充分凿岩的工作，最终实现准确无误的打孔。在完成打孔动作后，钻具在推动装置的作用之下会快速退回，并准备下次的进给和退回动作。
推进装置中常用的推进器包括马达丝杠式、液压缸钢丝绳式两种。
图 2-5 是马达丝杠式推进器，主要是由马达、丝杠、螺母补偿液压缸等部分组成。当马达转动时带动丝杠和螺母的从动转动，通过控制马达正反转，实现凿岩机前进、退后的动作。
图 2-6 是液压缸钢丝绳式推进器，主要由钢丝绳、滑轮、软管滑轮、液压缸、缓冲垫等部分组成。其工作原理是通过软管滑轮和钢丝绳的转动，带动滑块移动，滑块与滑架通过滚珠滚动配合，最终实现滑架上的凿岩机移动[17]。
图 2-5 马达丝杠式推进器
..............................
第三章 凿岩台车钻臂机械臂运动学模型.................................... 18
3.1 DFZD-1 凿岩台车钻臂结构参数.....................18
3.2 机械臂运动学基础............................................... 19
第四章 基于 Matlab 的钻臂位姿计算.......................................... 30
4.1 钻臂正运动分析与求解.................................. 30
4.1.1 正运动求解.............................................. 30
4.2 钻臂逆运动求解............................... 31
第五章 凿岩台车钻臂液压系统设计与仿真.......................... 50
5.1 凿岩台车钻臂液压系统设计............................... 50
5.2 液压系统选件................................... 51
第五章 凿岩台车钻臂液压系统设计与仿真
5.1 凿岩台车钻臂液压系统设计
液压系统具有结构紧凑、体积小、惯性小且能传递较大的力或者力矩等优点，可容易的实现无极调速功能，在很多工程领域都有成熟的应用。
DFZD-1 凿岩台车钻臂均使用液压系统进行控制与执行动作。钻臂共由 6 个执行元件组成，分别是左右两缸支臂缸，后臂内部的伸缩缸，安装在中臂上的扭转摆动缸，安装在上臂上的偏转摆动缸和调平缸。左右支臂缸可实现钻臂的升降与左右偏摆；伸缩缸增长后壁，扩大钻臂工作范围；扭转缸可将钻台绕后臂旋转，钻制两侧帮孔；偏转摆动缸和调平缸配合工作调整钻台平行。
由于凿岩台车尺寸相对较大，尤其是在钻制距离较近的孔阵时，缸的移动量较小。为提高控制精度，故对两支臂缸、调平缸、偏转摆动缸使用电液比例阀进行控制，而伸缩缸和扭动缸使用三位四通换向阀配合传感器进行控制。
考虑到凿岩机部分液压系统对泵进行选型在此不再展开，钻臂部分的液压系统图如图所示。
图 5-1 电液比例调平液压系统图
.........................
结论
凿岩台车是现代隧道挖掘、矿产资源开采、巷道建设中必不可少的工程机械，是钻爆法实施的必须机械设备。钻臂是凿岩台车进行钻探掘进的主要工作臂，对岩石的高效、快速破碎有着重要意义。炮孔的水平掘进决定了爆破效果的成败。因此，对于钻臂来说，自动电液调平液压系统就显得尤为重要。但是，由于国际局势的变化，西方国家和相关单位开始对我国进行技术上的封锁，使得我国研制自动电液调平液压系统的步伐举步维艰。因此，本文研究凿岩台车钻臂自动调平系统，旨在为民族凿岩台车自动电液调平液压系统的发展提供技术支持。
本文通过对凿岩台车的发展与现状进行了分析，以 DFZD-1 型凿岩台车为模型，对其进行基本结构设计。围绕其钻臂结构特点，对钻臂进行了机械臂运动学建模，并使用 matlab 进行了正解与逆解的求解，计算出调平时各缸所需的设定参数。最后，结合 AMESIM 软件对液压系统进行了设计、建模与仿真，证明了设计的液压系统能良好的执行调平所需的各参数设定值，实现自动调平。
但是，在工作中依然存在着写不完美的方面，是以后研究改善的方向：
受疫情影响，企业生产与研发受到影响，样机建造不完善，导致没有实验验证，但由于使用的方法在其他领域都有成熟的应用，所以研究的正确性也有所保证。
受限于作者自身能力与水平，在机械臂求解中没有总结出解析解，使得当前运算步骤稍多，数学模型较为复杂，在未来的研究中可以推导解析解，简化集成数学模型。
参考文献（略）
收藏