暗挖台车钻孔深度控制系统及暗挖台车钻孔装置的制作方法

本实用新型涉及暗挖台车技术领域，尤其涉及一种暗挖台车钻孔深度控制系统及暗挖台车钻孔装置。

背景技术：

暗挖台车是专门针对地铁隧道工程暗挖施工工法而开发的地下空间专用设备，可适应于软土、砂卵石等多种地层作业，具备挖土、扒渣、输料、开槽、打锚杆、辅助支护、辅助湿喷等多种功能。暗挖施工由于其成本低、结构形式灵活多变，对地面建筑、道路和地下管线影响不大，拆迁占地少、扰民少，污染城市环境少等优点，应用广泛，在地铁施工领域中发挥着极为重要的作用。

传统的钻孔深度控制技术，是一种通过凿岩机和液压油缸伸缩匹配来实现钻孔的一种液压控制系统。它主要是根据钻孔负载压力大小来人为实现凿岩机功率和油缸伸缩的一种匹配。在现有的暗挖台车控制系统中，由于实际工况的不同，在钻孔时可能会出现凿岩机和伸缩油缸不匹配的现象，从而导致钻孔时或快或慢、钻头卡钻等现象，且具有工作效率低、维修困难及施工强度大等缺点。

目前暗挖台车现有控制技术中虽然也引进了工业控制器实现钻孔深度自动控制，但其只是实现了钻孔深度达到设定值时的自动停机控制，其控制过程没有实现液压缸和凿岩机的功率匹配。根据设定钻孔深度，通过手柄控制凿岩机和液压缸的伸缩来完成钻孔，其钻孔深度只能通过液压缸上的长度传感器读取，当钻孔深度达到设定值时，凿岩机停机、退回。这种控制系统，当遇到复杂的施工工况时，难以实现较好的控制效果。

现有技术方案是根据控制器读取油缸上长度传感器传输的数据来实现凿岩机的开关，这样虽然能实现钻孔深度自动控制，但其在钻孔过程中无法实现液压油缸和凿岩机的功率匹配，会导致钻孔进度或快或慢、卡钻等现象。因此现有方案在控制钻孔过程中会出现打锚杆过劳、钻头卡钻等现象，影响打锚杆的寿命。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出一种暗挖台车钻孔深度控制系统及暗挖台车钻孔装置，能够在作业过程中自动地灵活控制钻孔工况。

为实现上述目的，本实用新型第一方面提供了一种暗挖台车钻孔深度控制系统，包括控制部件、长度检测部件和比例调节阀组，所述长度检测部件和所述比例调节阀组分别与所述控制部件连接，

所述长度检测部件设在暗挖台车的液压油缸上，用于检测所述液压油缸的位移量；

所述控制部件用于根据所述液压油缸的位移量判断出凿岩机在钻孔时受到的阻力，从而调节施加于所述比例调节阀组的控制电流，以调整所述液压油缸的压力和/或所述凿岩机的钻孔速度。

进一步地，所述控制部件还用于在所述长度检测部件检测到所述凿岩机到达预设钻孔深度时，控制所述凿岩机停止钻孔。

进一步地，所述比例调节阀组包括第一比例电磁阀和第二比例电磁阀，所述第一比例电磁阀用于通过所述控制部件控制所述液压油缸的压力，所述第二比例电磁阀用于通过所述控制部件控制所述凿岩机的钻孔速度。

进一步地，所述控制部件包括模拟量输入接口和两个PWM输出接口，所述模拟量输入接口与所述长度检测部件连接，两个所述PWM输出接口分别与所述第一比例电磁阀和所述第二比例电磁阀连接。

为实现上述目的，本实用新型第二方面提供了一种暗挖台车钻孔装置，包括执行部件和上述实施例所述的暗挖台车钻孔深度控制系统。

进一步地，所述执行部件包括液压油缸、凿岩机和滑行机构，所述液压油缸用于驱动所述滑行机构运动，所述凿岩机设在所述滑行机构上。

进一步地，还包括支撑臂，所述执行部件设在所述支撑臂的一端，所述控制部件和所述比例调节阀组设在所述支撑臂的另一端。

基于上述技术方案，本实用新型的暗挖台车钻孔深度控制系统，能够在钻孔装置工作时，根据液压油缸的位移量判断出凿岩机在钻孔时受到的阻力，调节施加于比例调节阀组的控制电流，以调整液压油缸的压力和/或凿岩机的钻孔速度。此种控制系统能够在钻孔过程中对整个钻孔装置的功率进行自动控制，以匹配钻孔过程中阻力的变化，可使钻孔速度更加均匀，减少出现钻头卡钻的现象，这样在保证钻孔效率的前提下，提高了钻头和钻杆的使用寿命，避免钻孔装置在工作过程中发生故障。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型暗挖台车钻孔装置的一个实施例的结构示意图；

图2为本实用新型暗挖台车钻孔深度控制系统的一个实施例的原理示意图。

具体实施方式

以下详细说明本实用新型。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征组合。

本实用新型中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

首先，本实用新型提供了一种暗挖台车钻孔深度控制系统，如图1所示，包括控制部件1、长度检测部件6和比例调节阀组2。长度检测部件6设在暗挖台车的液压油缸4上，用于检测液压油缸4的位移量，例如，长度检测部件6安装在液压油缸4的活塞杆上，以检测活塞杆运动的绝对位移。控制部件1用于根据液压油缸4的位移量判断出凿岩机5在钻孔时受到的阻力，从而调节施加于比例调节阀组2的控制电流，以调整液压油缸4的压力和/或凿岩机5的钻孔速度。

其中，液压油缸4的伸缩控制凿岩机5向前推进或向后缩回，调整液压油缸4的压力可改变凿岩机5钻孔力度的大小，调整凿岩机5的钻孔速度可改变凿岩机5的钻孔功率，这两个参数的调节均可改变整个钻孔装置的钻孔功率，以与外部阻力实时匹配。

该实施例存在三种调节情况：仅调节液压油缸4的压力、仅凿岩机5的钻孔速度、同时调节液压油缸4的压力和凿岩机5的钻孔速度。在这三种调节情况中，优选地先调节液压油缸4的压力，因为在低速下钻孔较容易保证钻头使用的安全性，如果仅通过增大液压油缸4的压力仍不能降低钻孔阻力，这时再进一步增大凿岩机5的钻孔速度，与先增大凿岩机5的钻孔速度、后增大液压油缸4的压力的控制方式相比，不容易出现卡钻，因为在低速下更容易施加钻孔压力，一旦转速提高后，压力可能会跟不上，导致在钻孔过程中出现停机现象。

在各个部件的连接关系上，如图2所示，控制部件1与长度检测部件6连接，比例调节阀组2与控制部件1连接，这种连接关系既体现为硬件连接，还具有传送数据或控制信号等功能。例如，长度检测部件6可选择长度传感器，控制部件1可选择控制器，或者PLC、集成电路、相关部件等组成的硬件装置。

由于暗挖台车在地下隧道内进行作业，经常遇到地质层非常坚硬的情况，而且受隧道内光线和空间的限制，通过人为判断前方工况并实时调整钻孔参数的方式，不能精确地保证钻孔装置的使用与实际需求相匹配。

针对暗挖台车自身的工作场景，本实用新型该实施例的暗挖台车钻孔深度控制系统，能够在凿岩机工作时，根据液压油缸的位移量判断出凿岩机在钻孔时受到的阻力，调节施加于比例调节阀组的控制电流，以调整液压油缸的压力和/或凿岩机的钻孔速度。此种控制系统能够在钻孔过程中对整个钻孔装置的功率进行自动控制，以匹配钻孔过程中阻力的变化，可使钻孔速度更加均匀，尽量避免钻孔速度过快过慢或者卡钻的现象，这样在保证钻孔效率和准确性的前提下，提高了打锚杆的使用寿命，避免钻孔装置在工作过程中发生故障。同时，对钻孔过程进行自动控制还能减轻操作者的负担。

在实际控制过程中，凿岩机5在钻孔时受到的阻力可按照如下方式确定：先根据液压油缸4的位移量计算液压油缸4伸出长度的变化量，再根据液压油缸4伸出长度的变化量通过预设曲线对应出凿岩机5在钻孔时受到的阻力。液压油缸4伸出长度的变化量是指液压油缸4的伸出长度在单位时间内的变化量，如果液压油缸4伸出长度的变化量呈减小趋势，则说明凿岩机5在钻孔时受到的阻力增大，反之则减小。

其中，预设曲线根据历史数据或先验信息得到。例如，对液压油缸4通入在一定范围内逐渐增大的流量，在每一流量点通过试验测得液压油缸4的伸出长度变化量的范围，则得到关于流量与伸出长度变化量的曲线(包括最高值和最低值)，作为预设曲线存储在控制部件1中。那么在实际钻孔过程中，如果通入相应的流量，液压油缸4的伸出长度的变化量曲线中的最低值，则可通过查表得出凿岩机5在钻孔时受到的阻力与预设阻力之间的关系。

为了提高钻孔安全性，在另一个实施例中，控制部件1还用于在长度检测部件6检测到凿岩机5到达预设钻孔深度时，控制凿岩机5停止钻孔，或者进一步地，还可控制钻头退回。其中，预设钻孔深度是根据实际作业需求设定的。该实施例能够使钻孔深度较为精确地与实际需求相匹配，还可避免液压油缸4和凿岩机5额外做功。

在一个优选的实施例中，如图2所示，比例调节阀组2包括第一比例电磁阀21和第二比例电磁阀22，第一比例电磁阀21用于通过控制部件1控制液压油缸4的压力，第二比例电磁阀22用于通过控制部件1控制凿岩机5的钻孔速度。该实施例能够使液压油缸4和凿岩机5的控制过程相对独立，便于实现仅对液压油缸4的压力或凿岩机5的转速进行单独控制，而且，在其中一个比例电磁阀出现故障时不容易对另一个产生影响，从而提高整个控制系统的可靠性。

具体地，如图2所示，控制部件1包括模拟量输入接口A1和两个PWM输出接口，分别为PWM1和PWM2输出接口。其中，模拟量输入接口A1与长度检测部件6连接，用于接收长度检测部件6检测的液压油缸的位移量。PWM1输出接口与第一比例电磁阀21连接，用于使控制部件1向第一比例电磁阀21输出PWM控制信号，以改变施加于第一比例电磁阀21的控制电流，从而改变液压油缸4的压力。PWM2输出接口与第二比例电磁阀22连接，用于使控制部件1向第二比例电磁阀22输出PWM控制信号，以改变施加于第二比例电磁阀22的控制电流，从而改变凿岩机5的转速。另外，控制部件1还可包括电源接口，例如连接24V直流电源。该实施例通过PWM实现电流控制可提高系统的瞬态响应速度，增加系统的稳定性。

其次，本实用新型还提供了一种暗挖台车钻孔装置，在一个实施例中，如图1所示，包括液压油缸4、凿岩机5、滑行机构3和上述实施例所述的暗挖台车钻孔深度控制系统。

具体地，钻孔装置的支撑臂7的上端水平设有滑行机构3和液压油缸4，液压油缸4可驱动滑行机构3水平运动，凿岩机5设在滑行机构3上方，可在滑行机构3的带动下实现向前进给和向后退回，以使安装在凿岩机5前端的钻头进行钻孔或退回。为了能够实时检测液压油缸4的位移量，在液压油缸4上设置长度检测部件6，根据液压油缸4的位移量还能判断出凿岩机5在钻孔时受到的阻力。

另外，控制部件1和电磁阀组2均安装在支撑臂7的下端。该实施例将钻孔装置的执行部件和控制系统分别设在支撑臂7的两端，由于凿岩机5在对前方岩石或墙壁进行钻孔时，作业工况较为恶劣，污染严重，振动剧烈，这种设置方式可尽量避免执行部件在工作时对控制系统造成影响，尤其可保护比例调节阀组2这类对控制精度要求较高的部件，从而提高控制系统的可靠性和使用寿命。

为了使本领域技术人员更清楚地了解本实用新型该暗挖台车钻孔装置的工作过程，下面将以图1和图2所示的具体结构为例，来说明此种钻孔装置的工作方法。

首先，对钻孔参数进行初始化，在一个具体的实施例中，控制液压油缸4按照预设的压力钻孔，可使控制部件1施加给第一比例电磁阀21的第一预设电流值不超过第一最大电流的80％，该第一最大电流对应于液压油缸4的极限工作能力。控制凿岩机5按照预设的速度钻孔，可使控制部件1施加给第二比例电磁阀22的第二预设电流值不超过第二最大电流的80％，该第二最大电流对应于凿岩机5的极限工作能力。这样能在一定程度上防止钻头受到损坏。

在钻孔作业开始后，控制液压油缸4按照预设的压力钻孔和/或控制凿岩机5按照预设的速度钻孔。接着在钻孔过程中实时检测暗挖台车中液压油缸4的位移量，并根据液压油缸4的位移量判断出凿岩机5在钻孔时受到的阻力，再判断凿岩机5在钻孔时受到的阻力是否超出预设阻力值，如果是，则按照预设步长增大施加于第一比例电磁阀21的控制电流，否则继续按预设钻孔参数工作。

在按照预设步长增大施加于第一比例电磁阀21的控制电流后，判断凿岩机5在钻孔时受到的阻力是否回到预设阻力值之内，如果是则减小PWM1的输出，直至第一比例电磁阀21的控制电流减小至第一预设电流值，否则继续按照预设步长增大施加于第一比例电磁阀21的控制电流。

在判断出钻孔阻力超过预设阻力值后，按照步长逐渐增大第一比例电磁阀21的控制电流，能够使液压油缸4压力的增加更平稳，不容易损伤钻头。而且在每一次增加控制电流之后，还进一步对调节结果进行验证判断，以在阻力较小时及时返回至预设的钻孔参数，从而防止钻孔速度出现太大波动，并节约整个钻孔装置的功率。

为了防止按照预设步长增大施加于第一比例电磁阀21的控制电流之后，控制电流超出容许范围之内。更优地，如果判断出凿岩机5在钻孔时受到的阻力超出预设阻力值，则判断第一比例电磁阀21当前的控制电流是否超过预设的第一最大控制电流值，如果未超过则按照预设步长增大施加于第一比例电磁阀21的控制电流，如果超过则需要进一步调整凿岩机5的转速，即按照预设步长增大施加于第二比例电磁阀22的控制电流。

为了防止钻头受力过度出现损坏，第一最大控制电流值优选地不超过第一最大电流的80％，该第一最大电流对应于液压油缸4的极限工作能力。

该实施例的优点在于，在钻孔阻力较大时能够通过两种方式叠加来增加钻孔装置的功率，可以适应硬度更高的钻孔对象。而且这种先增大液压油缸4的压力、后增大凿岩机5的钻孔速度的控制方式，能够在低速下使压力增加更容易实现，减少卡钻现象，从而尽量避免在钻孔过程中出现停机现象。

在按照预设步长增大施加于第二比例电磁阀22的控制电流之后，判断凿岩机5在钻孔时受到的阻力是否回到预设阻力值之内，如果是则先减小PWM2输出，直至凿岩机5按照预设的速度钻孔，再减小PWM1输出，直至液压油缸4按照预设的压力钻孔，否则继续按照预设步长增大施加于第二比例电磁阀22的控制电流。这种控制方式能够在钻孔阻力回到预设值内后，使钻头在低速下卸压，以防出现在压力突然降低时转速突增的现象，防止钻头受到损坏。

为了防止按照预设步长增大施加于第二比例电磁阀22的控制电流之后，控制电流超出容许范围之内。在每次增大施加于第二比例电磁阀22的控制电流之前，还可判断第二比例电磁阀22当前的控制电流是否超过预设的第二最大控制电流值，如果是则控制凿岩机5停止钻孔，或者更进一步地可使钻头退回，否则按照预设步长增大施加于第二比例电磁阀22的控制电流。

其中，预设的第二最大控制电流值可以对应于凿岩机5上的钻头所能达到的极限转速。

以上对本实用新型进行了详细介绍，本文中应用了具体的实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。