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0 引言

目前，我國建國初期建設(shè)的大部分大型混凝土建筑已經(jīng)達(dá)到服役年限，需要對(duì)其進(jìn)行修復(fù)和拆除，而采用傳統(tǒng)機(jī)械式破碎技術(shù)容易造成周圍建筑物損傷，甚至造成舊建筑物坍塌等嚴(yán)重現(xiàn)象，而且基于環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)的需要，傳統(tǒng)的破碎拆除方式已經(jīng)不再適應(yīng)新社會(huì)的發(fā)展，只有采用超高壓水射流的破碎技術(shù)才能有效解決這些問題。隨著我國超高壓水力破碎技術(shù)的快速發(fā)展[1]，水射流清洗設(shè)備在國內(nèi)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，超高壓泵已被研制出來，先進(jìn)設(shè)備的出現(xiàn)給我國超高壓水射流混凝破碎技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)和制造打下基礎(chǔ)[2]。筆者根據(jù)超高壓水射流破拆機(jī)器人樣機(jī)模型，提出利用多領(lǐng)域聯(lián)合建模仿真軟件AMESim 對(duì)該樣機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真的方法[3]，獲取破拆機(jī)器人執(zhí)行破拆任務(wù)時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，具有非常重要的工程意義。

1 破拆機(jī)器人組成

超高壓水射流破拆機(jī)器人由履帶式移動(dòng)底盤、控制系統(tǒng)、機(jī)械臂架和噴槍及托盤4 部分組成[4]。其 3 維模型如圖 1 所示。

1) 履帶式移動(dòng)底盤。

履帶式移動(dòng)底盤是機(jī)器人執(zhí)行工作的載體，采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有良好的穩(wěn)定性和動(dòng)力輸出，是進(jìn)行破拆工作的可靠保障[5]。履帶式移動(dòng)底盤由液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、減震機(jī)構(gòu)、履帶輪、履帶和底盤架等部件構(gòu)成。

2) 控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)是破拆機(jī)器人的“大腦”，通過PLC控制器、壓力傳感器等硬件設(shè)備對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)以及破拆過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

3) 機(jī)械臂架[6]。

機(jī)械臂架是噴槍托盤的搭載平臺(tái)，包括 2 個(gè)移動(dòng)和 2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)一共 4 個(gè)空間自由度，其不僅能為噴槍托盤提供一定的移動(dòng)空間，而且能夠調(diào)整噴槍托盤移動(dòng)方位，擴(kuò)大混凝土破拆范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向的破拆。

4) 噴槍托盤。

噴槍托盤是混凝土破拆的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，超高壓泵將液體水增加壓力后通過噴槍噴射在混凝土上[7]，超高壓力柱狀水可以將混凝土破開，通過內(nèi)部擠壓最后將其破碎。由于破碎時(shí)噴槍受到的反作用力過大，同時(shí)需要進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)以提高破碎效果，因此噴槍采用了特殊設(shè)計(jì)的夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定，并由安裝在托盤上的液壓馬達(dá)通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)其進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)破拆動(dòng)作。

2 機(jī)械臂架驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)建模

2.1 機(jī)械臂架工作原理

超高壓水射流破拆機(jī)器人機(jī)械臂架的液壓驅(qū)動(dòng)原理圖如圖 2 所示。

液壓動(dòng)力站 1 由電機(jī)帶動(dòng)定量泵為系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力，溢流閥 2 控制系統(tǒng)的最大工作壓力，總控制閥 3 控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。支架翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 4 調(diào)控托盤的水平方位，控制噴槍入射角，提高混凝土的破拆效果。臂架擺動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng) 6 通過對(duì)擺動(dòng)馬達(dá)的控制，帶動(dòng)噴槍頭左右擺動(dòng)，擴(kuò)大破拆范圍。托盤驅(qū)動(dòng) 12 由雙向定量馬達(dá)帶動(dòng)，通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)，控制托盤在支架上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2.2 機(jī)械臂架仿真模型

AMESim 在工程上的建模和仿真涉及學(xué)科多且領(lǐng)域廣[8]。利用 AMESim 所包含的信號(hào)元件庫、機(jī)械元件庫和液壓元件庫 3 種模型庫，結(jié)合液壓驅(qū)動(dòng)原理圖 2 以及破拆機(jī)器人實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立了機(jī)械臂架 AMESim 仿真模型，如圖 3 所示。

仿真模型參數(shù)設(shè)置：液壓泵的排量設(shè)置為 18.7ml/r，采用額定轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min，功率為 7.8 kW

電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算，系統(tǒng)工作壓力采用 16 MPa，因此溢流閥壓力設(shè)置為 16 MPa，各換向閥選用的是電液比例換向閥，利用信號(hào)元件控制，并省略了總控制閥。模型中的各三位四通閥信號(hào)輸入范圍為-1～1，0 表示中位。二位四通信號(hào)范圍為0～1。為簡(jiǎn)化仿真，輸入信號(hào)均取整數(shù)。

3 系統(tǒng)仿真分析

超高壓水射流破拆機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多角度的混凝土建筑物進(jìn)行破拆，而運(yùn)用較多的是對(duì)水平方向混凝土路面進(jìn)行破拆，選取該工作狀態(tài)對(duì)機(jī)器人機(jī)械臂架以及托盤運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，具有相對(duì)高的參考價(jià)值[9]。

路面破拆時(shí)噴槍與路面豎直方向夾角在 0°～10°。機(jī)械臂架各部件質(zhì)量以及從初始狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到工作狀態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表 1。

根據(jù)表 1，筆者在 AMESim 的參數(shù)模式下對(duì)模型元件的各項(xiàng)參數(shù)反復(fù)設(shè)置。根據(jù)樣機(jī)設(shè)計(jì)，臂架移動(dòng)模塊的液壓缸活塞直徑為 32 mm，活塞桿直徑 25 mm，總行程為 0.6 m，臂架整體所受阻力為 1 500N；小齒輪分度圓直徑為 37.5 mm，模數(shù) 2.5，減速器減速比為 30，運(yùn)行阻力取 1 000 N。仿真時(shí)間 10 s，臂架控制閥先開啟 3 s，臂架移動(dòng)到預(yù)定位置后關(guān)閉，間隔 1 s 后開啟托盤移動(dòng)閥，開啟時(shí)間為 3.5 s，運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置后關(guān)閉。仿真結(jié)果如圖 4—6。

根據(jù)圖 4 分析可知，臂架控制閥開啟后 3 s 內(nèi)臂架整體運(yùn)動(dòng)了 0.29 m 左右，此后臂架整體在該位置

處于波動(dòng)狀態(tài)；根據(jù)圖 5，托盤移動(dòng)閥開啟后，托盤在 3.5 s 內(nèi)運(yùn)動(dòng)了 0.75 m；根據(jù)圖 6，仿真開始時(shí)系

統(tǒng)溢流閥溢流流量在短時(shí)間內(nèi)上升到 23 L/min，在臂架控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)，而托盤移動(dòng)閥還未打開時(shí)，溢流閥溢流流量達(dá)到了 28 L/min，托盤移動(dòng)閥開啟后溢流閥溢流流量下降到 22 L/min，在系統(tǒng)仿真 7.5 s 時(shí)，2 個(gè)控制閥均處于中位狀態(tài)，溢流流量再次上升到 28 L/min，并一直持續(xù)到仿真結(jié)束。

4 結(jié)束語

筆者主要介紹了超高壓水射流破拆機(jī)器人的構(gòu)成以及其所應(yīng)用的液壓控制系統(tǒng)，運(yùn)用多學(xué)科多領(lǐng)域相互融合的建模仿真軟件 AMESim，建立了超高壓水射流破拆機(jī)器人的部分液壓系統(tǒng)模型，通過該軟件對(duì)破拆機(jī)器人工作時(shí)機(jī)械臂架和噴槍托盤的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果顯示，筆者所設(shè)置的參數(shù)均能控制機(jī)器人部件以預(yù)期的速度達(dá)到預(yù)定位置。通過仿真得到了破拆時(shí)系統(tǒng)溢流閥的流量變化曲線，相關(guān)參數(shù)設(shè)定，對(duì)設(shè)備今后的研制提供重要參考。