[4]吴广玉,姜复兴.机器人工程导论[M ].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1988,109-111.[5]谢习华,何清华,周亮.隧道凿岩机器人的车体定位方法[J ].同济大学学报,2001,29(9):1234-1237.收稿日期:2001-12-04Linear decoupled and iteration algorithm for solving inversekinematics problem of rock -drilling robotZhou Liang ,Xie Xihua ,Zhou H ongbing ,G ong Yanling(College of Mechanical and Electronical Engineering ,Central South Un iversity ,Changsha ,410083,china )A bstract :The inverse kinematics problem of multi -joint manipulator with derived motion is an es -sential and complex pr oblem in robotics .In this paper ,an approximate linear decoupled model is intro -duced for the r ock -drilling manipulator with 6rotary joints and 3prismatic joints ,and iteration algorithm is used to solve the inverse kinematics problem .The method is validated by a simulative system ,and is used in the real control syste m .The results are satisfied with .Keywords :Robot ,Tunnel Rock -drilling Robot ,inverse kinematics国内外液压破碎锤研究开发现状及其发展趋势朱建新,邹湘伏,陈欠根,何清华(中南大学机电工程学院,湖南长沙 410083) 摘要:根据在北京第六届国际工程机械展览与技术交流会所获得的技术资料及有关文献,综合分析了国内外液压破碎锤的最新研究发展情况,并归纳总结出液压破碎锤最新的技术成果及其发展趋势,将对国内发展同类产品具有重要的参考价值。
关键词:液压破碎锤;结构柔性化;功能柔性化;智能化中图分类号:TD422.5 文献标识码:A 液压破碎锤作为一种新型液压工程设备,广泛应用于矿山岩石的破碎、工程建设特别是旧城改造、混凝土构件的拆毁施工中,由于其载体设备的多样性,工作的灵活性及其对劳动生产率的提高所发挥的有效作用,越来越受到矿山和施工部门的重视,其推广前景十分看好。
这次北京第六届国际工程机械展览与技术交流会上的展览情况就充分说明了这一点。
下面将着重介绍其研究发展现状及其发展趋势。
1 研究发展现状1.1 地域分布情况这次参展,世界主要破碎锤生产厂家的产品均有展品,初步统计共有31家不同厂家的破碎锤参展,而韩国产品占了半壁江山,共有18家(主要是代理商参展),美国有3家,日本3家,国内3家,德国1家,芬兰1家(代理商参展),西班牙1家,意大利1家。
其中韩国以GB(工兵)破碎锤、SB(山水)破碎锤、KOMAC(工马)破碎锤、SG(广林)破碎锤、KOORY(高力)破碎锤、DE MO(大模)破碎锤、S.J(世进)破碎锤为主要代表,美国的C AT(卡特彼勒)破碎锤、STANLEY(史丹利)破碎锤、MONTAB ERT(英格索兰的蒙特贝特)破碎锤,德国KRUPP(克虏伯)破碎锤,日本FURUKAW A(古河)破碎锤、KOMAT-SU(小松)破碎锤、TOKU(东空)破碎锤,芬兰的Rammer破碎锤,国内有SWH(湖南山河智能)破碎锤、安徽惊天破碎锤、山西长治破碎锤。
从以上情况可以看出其中以韩国产品发展最快,其性价比尤其突出。
但从总体情况来看,国内在这方面已经开始迎头赶上,个别厂家的产品已有出口,还有一些厂家的产品在技术性能方面也取得了较为显著的进步。
例如湖南山河智能机械股份有限公司生产的SWH系列破碎锤在性能上已经可与国外同类产品媲美,其强有力的冲击力和方便的维护性能都是非常出色的。
1.2 结构性能前面所述产品都有自己的一些突出特色,但从冲击过程作功介质的不同,主要有三种类型:全液压作功液压破碎锤,气液联合作功液压破碎锤,纯氮气作功液压破碎锤。
1.2.1 全液压作功液压破碎锤克虏伯的破碎锤就是全液压作功的典型代表,还有美国卡特彼勒破碎锤、美国蒙特贝特破碎锤、芬兰Ra mmer破碎锤都是全液压作功。
下面以克虏伯液压破碎锤为例,介绍这种破碎锤的结构特点和最新的研究进展:图1为克虏伯H M2500马拉松型破碎锤剖面图,从中我们可以看出它的工作原理和一些独特的特性。
这种破碎锤通过活塞与柱形配流阀的运动相互控制对方的油路的通断,从而实现活塞的高速往复冲击运动,它还配备有一个高压蓄能器,起补油、稳压和缓冲作用。
这类产品在大的结构原理上没有什么差别,它们的主要区别就在那些特殊的小结构上,而这些小的结构在提高产品性能方面却起着非常重要的作用,这些小结构的设计好坏对提高产品竞争力有重要影响。
从图中可以看到克虏伯破碎锤具有以下技术特点:图1(1)变频装置变频装置使液压锤运行更合理、更完美,同时使操作更加简便,有手动与自动变频装置。
根据作业对象的不同,采用不同的冲击频率和冲击能,提高了能量的利用率和生产效率。
(2)高压气体输送接口适合不同连接尺寸的高压气体输送接口,可接入高压气体,从而使破碎锤具备水下作业的功能。
(3)自动润滑装置自动润滑装置直接装在液压锤的外壳上,操作极其简便,并使润滑油的消耗量最经济。
(4)低噪音结构设计液压锤锤体与外壳之间填有隔音材料,实现了锤体与外壳之间的无声接触,同时还提供可选购的超静音结构,大大降低了液压锤的工作噪音。
(5)超防尘装置在前缸套中,装有特殊的超防尘装置,能够有效地防止灰尘进入锤体,提高了内部耐磨衬套的使用寿命。
(6)减振系统整个锤体悬置于带预应力的弹性橡胶块上,防止了破碎锤在工作过程中对承载机械的损害。
(7)特殊的耐磨材料在承受高应力的部位采用了高标准的抗磨损材料,提高了缸套的使用寿命,特殊材料制成的钎杆,经过特殊的热处理工艺,使性能提高,可靠性增加。
以上的一些结构部件,是可根据需要来选配的,如变频装置、自动润滑装置、超防尘装置等。
多年的实践与研究,使得克虏伯液压破碎锤在技术上一直都处于世界的前列,其产品适用领域广泛。
美国蒙特贝特破碎锤除此还具有其他一些独特的结构:(1)进出油口采用360°旋转接头,极大提高了软管寿命;(2)内置已获得专利设计的能量回收阀,能够有效地减低振动,增大冲击功;(3)内置特殊减振装置,能有效减小对承载机械的震动,极大地保护承载机械的工作臂;(4)内置自动压力调节装置,能够实现有档自动变频和无级自动变频。
因而能够根据岩石的硬度自动调整冲击能和冲击频率,破碎硬岩时,高冲击能,低频率,破碎软岩时,低冲击能,高频率;(5)三级大中小活塞结构设计,能够实现级递式传递冲击能,能够实现破碎岩石最需要破碎力时冲击功传递达到最大值。
芬兰Rammer 破碎锤也同样具有变频、自动润滑、低噪音设计、防尘等功能。
Rammer 破碎锤还具有外界环境粉尘控制功能、电子自动控制的变频装置。
其外界环境粉尘控制是通过在破碎锤壳体前端装上一个水雾化喷头来实现的,从高压泵来的高压水经过喷头雾化喷射到工作对象上,因而可以有效地控制在破碎过程中产生的灰尘,既保护了环境,又改善了工作条件。
1.2.2 气液联合作功液压破碎锤这种破碎锤的结构要比前面的那种复杂些,它在冲程过程中,既有活塞后端的高压氮气作用于活塞,同时活塞后腔还有高压油的作用,活塞在高压氮气和高压油的联合作用下作快速冲程运动,因而这种结构的破碎锤一般都具有较大的冲击能。
这种液压破碎锤前腔一般为常高压腔,其工作原理与工作过程如图2所示:图2 (1)开始阶段活塞与钎杆在完成上一次冲击后,活塞有一个瞬时的停顿状态,此时配流阀已经完成了换向和油路切换,压油经过配流阀进入到活塞前腔(下腔),活塞后腔(上腔)此时通回油,因而活塞在前腔压油的作用下开始作回程加速运动,为下一次冲击作准备。
(2)活塞提升阶段活塞起动后,首先作回程加速运动,同时压缩尾部氮气,储存能量,当活塞运动到一定位置后,活塞的一个台肩面将打开冲程反馈孔,压油将通过此反馈孔使配流阀快速换向,从而再次切换油路,此时压油将同时进入到活塞的前腔和后腔,活塞作差动油路连接,且活塞的后腔压油作用面积要大于前腔的压油作用面积,同时活塞尾部的氮气室压力也升高了,活塞在后腔油压和氮气压力作用下进入回程减速运动阶段。
(3)冲击阶段活塞进入回程减速阶段后,在后腔油压和尾部氮气压力作用下,速度很快就下降为零。
但是此时活塞后腔仍然为高压腔,且尾部还有氮气压力作用。
在油压和氮气压力的共同作用下,活塞立即进入快速的冲击阶段,在很短的时间内,活塞将完成冲程运动。
(4)快速冲击碰撞阶段在冲程阶段,活塞在很短的时间内以很快的速度冲向钎杆,最后打击钎杆,将能量传递给钎杆,钎杆在获得冲击能后便可达到将工作对象破碎的目的。
在活塞冲击阶段的后期,活塞的另一个台肩将把回程反馈孔沟通,从而保证活塞在完成冲击后,配流阀已经完成换向和油路切换,使活塞顺利进入下一个循环往复周期运动。
现在市场上这种结构的破碎锤主要是韩国的产品,它们有韩国的JB液压破碎锤、大运破碎锤、世进(S.J.)破碎锤、广林(SG)破碎锤、工兵(GB)破碎锤、工马(KOMAC)破碎锤,日本古河液压破碎锤,中国惊天液压破碎锤。
在这种形式的破碎锤中,以日本古河的产品最具代表性和先进性。
下面详细介绍一下它的结构性能:(1)古河全新的F系列破碎锤,有17种型号可与自重1～70t的各型挖掘机匹配。
(2)对全系列的破碎锤提供标准的安全阀,如果操作压力超过21～22MPa,液压破碎锤的安全阀会自动启动,保护破碎机免受损坏(正在申请专利)。
(3)提供标准的防尘装置,经过特别设计的防尘装置,能防止尘埃(如岩尘)进入前端罩。
前后端罩均备有空气过滤器及空气防逆阀,能减低活塞运动时引起的抽气作用,发挥自动防尘的功效(正在申请专利)。
(4)提供可选购的自动加注润滑油装置。
标准机内管道可直接注油至前盖及推力套管部分,确保钎杆和套管更持久耐用。