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0 引言

目前，我國建國初期建設的大部分大型混凝土建筑已經達到服役年限，需要對其進行修復和拆除，而采用傳統機械式破碎技術容易造成周圍建筑物損傷，甚至造成舊建筑物坍塌等嚴重現象，而且基于環境友好型社會建設的需要，傳統的破碎拆除方式已經不再適應新社會的發展，只有采用超高壓水射流的破碎技術才能有效解決這些問題。隨著我國超高壓水力破碎技術的快速發展[1]，水射流清洗設備在國內已經得到廣泛的應用，超高壓泵已被研制出來，先進設備的出現給我國超高壓水射流混凝破碎技術及設備的研發和制造打下基礎[2]。筆者根據超高壓水射流破拆機器人樣機模型，提出利用多領域聯合建模仿真軟件AMESim 對該樣機液壓系統進行仿真的方法[3]，獲取破拆機器人執行破拆任務時系統的關鍵參數，具有非常重要的工程意義。

1 破拆機器人組成

超高壓水射流破拆機器人由履帶式移動底盤、控制系統、機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) 履帶式移動底盤。

履帶式移動底盤是機器人執行工作的載體，采用液壓驅動，具有良好的穩定性和動力輸出，是進行破拆工作的可靠保障[5]。履帶式移動底盤由液壓驅動馬達、減震機構、履帶輪、履帶和底盤架等部件構成。

2) 控制系統。

控制系統是破拆機器人的“大腦”，通過PLC控制器、壓力傳感器等硬件設備對機器人的移動以及破拆過程進行實時控制。

3) 機械臂架[6]。

機械臂架是噴槍托盤的搭載平臺，包括 2 個移動和 2 個轉動一共 4 個空間自由度，其不僅能為噴槍托盤提供一定的移動空間，而且能夠調整噴槍托盤移動方位，擴大混凝土破拆范圍，實現對不同方向的破拆。

4) 噴槍托盤。

噴槍托盤是混凝土破拆的執行機構，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，通過內部擠壓最后將其破碎。由于破碎時噴槍受到的反作用力過大，同時需要進行往復擺動以提高破碎效果，因此噴槍采用了特殊設計的夾持機構進行固定，并由安裝在托盤上的液壓馬達通過曲柄連桿機構帶動其進行往復擺動，實現破拆動作。

2 機械臂架驅動機構建模

2.1 機械臂架工作原理

超高壓水射流破拆機器人機械臂架的液壓驅動原理圖如圖 2 所示。

液壓動力站 1 由電機帶動定量泵為系統提供液壓動力，溢流閥 2 控制系統的最大工作壓力，總控制閥 3 控制系統的工作狀態。支架翻轉機構 4 調控托盤的水平方位，控制噴槍入射角，提高混凝土的破拆效果。臂架擺動機構驅動 6 通過對擺動馬達的控制，帶動噴槍頭左右擺動，擴大破拆范圍。托盤驅動 12 由雙向定量馬達帶動，通過齒輪齒條機構，控制托盤在支架上往復運動。

2.2 機械臂架仿真模型

AMESim 在工程上的建模和仿真涉及學科多且領域廣[8]。利用 AMESim 所包含的信號元件庫、機械元件庫和液壓元件庫 3 種模型庫，結合液壓驅動原理圖 2 以及破拆機器人實際機械結構，建立了機械臂架 AMESim 仿真模型，如圖 3 所示。

仿真模型參數設置：液壓泵的排量設置為 18.7ml/r，采用額定轉速為 1 500 r/min，功率為 7.8 kW

電動機帶動。根據實際設計計算，系統工作壓力采用 16 MPa，因此溢流閥壓力設置為 16 MPa，各換向閥選用的是電液比例換向閥，利用信號元件控制，并省略了總控制閥。模型中的各三位四通閥信號輸入范圍為-1～1，0 表示中位。二位四通信號范圍為0～1。為簡化仿真，輸入信號均取整數。

3 系統仿真分析

超高壓水射流破拆機器人可以實現多角度的混凝土建筑物進行破拆，而運用較多的是對水平方向混凝土路面進行破拆，選取該工作狀態對機器人機械臂架以及托盤運動進行仿真，具有相對高的參考價值[9]。

路面破拆時噴槍與路面豎直方向夾角在 0°～10°。機械臂架各部件質量以及從初始狀態運動到工作狀態運動參數如表 1。

根據表 1，筆者在 AMESim 的參數模式下對模型元件的各項參數反復設置。根據樣機設計，臂架移動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 2.5，減速器減速比為 30，運行阻力取 1 000 N。仿真時間 10 s，臂架控制閥先開啟 3 s，臂架移動到預定位置后關閉，間隔 1 s 后開啟托盤移動閥，開啟時間為 3.5 s，運動到預定位置后關閉。仿真結果如圖 4—6。

根據圖 4 分析可知，臂架控制閥開啟后 3 s 內臂架整體運動了 0.29 m 左右，此后臂架整體在該位置

處于波動狀態；根據圖 5，托盤移動閥開啟后，托盤在 3.5 s 內運動了 0.75 m；根據圖 6，仿真開始時系

統溢流閥溢流流量在短時間內上升到 23 L/min，在臂架控制閥處于關閉狀態，而托盤移動閥還未打開時，溢流閥溢流流量達到了 28 L/min，托盤移動閥開啟后溢流閥溢流流量下降到 22 L/min，在系統仿真 7.5 s 時，2 個控制閥均處于中位狀態，溢流流量再次上升到 28 L/min，并一直持續到仿真結束。

4 結束語

筆者主要介紹了超高壓水射流破拆機器人的構成以及其所應用的液壓控制系統，運用多學科多領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器人的部分液壓系統模型，通過該軟件對破拆機器人工作時機械臂架和噴槍托盤的運動進行了模擬。模擬結果顯示，筆者所設置的參數均能控制機器人部件以預期的速度達到預定位置。通過仿真得到了破拆時系統溢流閥的流量變化曲線，相關參數設定，對設備今后的研制提供重要參考。