公铁两用隧道钻孔车钻孔控制系统研究

郑宇航

（中国铁建高新装备股份有限公司，湖南 长沙 410100）

0 引言

我国城市轨道交通建设是城市现代化建设的主力之一，地铁作为城市轨道交通建设中的先锋，发展最为迅猛。 地铁隧道受电接触网、侧壁电缆、天网系统电缆、国防光缆、管道以及紧急疏散平台等机电安装需要在隧道壁上钻大量的安装孔。

以刚性悬挂接触网汇流排支撑装置安装锚螺栓孔的施工为例，目前仍是以“人工测量划线、作业平台辅助人工手持电钻钻孔”为主的作业模式。 传统的锚螺栓孔钻孔工艺主要采用人工站在梯车或者隧道作业车的升降平台上手持电锤钻孔。 需要大量人工操作，钻孔效率偏低，同时，钻孔粉尘会引起工人肺部健康问题。 为加快施工进度、改善作业环境、提高作业质量，因此研制一款公铁两用隧道钻孔车非常有必要。

可编程控制器 （Programmable Logical Control，PLC）是以微处理器为核心，结合自动控制、微计算机和通信网络的一种技术，操控性能良好，成本低，目前已广泛应用于轨道交通行业和工业等领域。 因此，可以将PLC 应用于地铁隧道钻孔车，以达到对钻孔系统的自动控制。

1 整车介绍

公铁两用隧道钻孔车示意图如图1 所示，该车主要功能及特点：隧道内刚性悬挂接触网及侧壁电缆锚栓孔的定位及钻孔；公铁两用底盘机动灵活、转线方便，特别适用于地铁线路无联络线的轨道系统；升降伸缩平台具有升降伸缩功能， 便于工人清理安装孔、安装化学锚栓螺杆；除尘装置能有效吸走钻孔过程中产生的粉尘，改善施工环境。

该车实现关键点及难点是如何实现锚螺栓孔的定位及钻孔，以及怎样避让隧道衬砌中钢筋，同时需要应对弯道超高及车辆稳定性对钻孔定位的影响。

图1 公铁两用隧道钻孔车示意图

2 钻孔控制系统

2.1 总体工作流程

隧道钻孔车钻孔控制系统的总体流程图如图2所示。 该系统主要由中央控制系统、信号采集系统、钻孔执行系统、除尘系统、调平装置、触摸屏（HMI）及ECU 等组成。

图2 隧道钻孔车控制系统总体流程图

2.2 PLC 控制系统

PLC 控制系统是隧道钻孔车钻孔的核心部件。 部件中的PLC 控制器作为本地管理，对钻孔车各个设施输出工作指令；PLC 通过收集到的各传感器信息，自动定位钻孔工位及钻孔目标位置，使钻孔车钻孔符合工艺需求。

2.3 信号采集系统

信号采集系统主要由倾角传感器、 走行编码器、钻孔装置姿态编码器及电锤电流传感器组成，主要用于检测车身倾角、车辆走行距离、电锤电流及钻孔机械臂姿态。

2.4 钻孔执行系统

钻孔执行系统主要由调平装置、钻孔机械臂及电锤组成。 PLC 控制调平装置使钻孔机械臂底座保持水平；钻孔机械臂驱动电锤进行钻孔。

2.5 除尘系统

除尘系统由吸尘器及其管道组成。 在钻孔机械臂驱动电锤进行钻孔的同时，PLC 控制吸尘器启动，将钻孔产生的粉尘吸收。

3 关键控制方法研究

3.1 走行距离控制

钻孔车作业时铁路走行，前后钢轮转向架由液压系统驱动下降，并将胶轮顶起处于悬空状态，由后转向架钢轮驱动。 动力由发动机传至分动箱，分动箱连接油泵， 油泵带动液压马达驱动后钢轮转向架。 PLC通过控制ECU 使发动机以适当的固定转速运行，为油泵提供动力；PLC 控制油泵排量及马达排量达到控制车辆行进速度的目的。

走行距离控制是定位钻孔工位位置的重要环节。为保证走行距离检测数据准确，降低因摩擦或测量轮接触不良而造成的误差，设置左右测量轮，测量轮上安装走行编码器。 PLC 采集编码器数据，并转换成钻孔车前进距离数据。

用户在HMI 上设定前后工位的距离，PLC 通过该距离参数对钻孔车行驶速度及行驶距离进行控制，使钻孔车能准确停在下一钻孔工位处。 钻孔车工位转换时速度曲线如图3 所示。

图3 隧道钻孔车速度距离曲线

作业时，在工程线路中设置几个校验点，以便于校验系统误差。

3.2 钻孔深度控制

隧道内不同设备对应的锚栓孔的孔径及深度是有不同要求的，例如：刚性悬挂接触网锚栓孔径24 mm，深度120 mm；强电电缆支架锚栓孔径18 mm，深度90 mm（此参数仅为个例，不代表地铁锚栓孔均为此要求）。 锚栓孔的孔径控制可以通过更换不同型号钻头实现；钻孔深度的控制则需要通过PLC 控制实现。

在钻孔动作执行前， 利用激光距离传感器测量初始钻头位置到隧道壁面的距离，钻孔进给执行时，用拉绳传感器测量钻孔进给的实时距离。钻孔孔深度为拉绳传感器测距与初始钻孔位置到隧道壁面距离的差值。

3.3 钢筋避让控制

地铁管道隧道衬砌中预埋有大量钢筋，在钻孔施工过程中需要规避。

在电锤向前推进过程中，PLC 控制器检测并分析钻机电流，与经试验记录钻机空转、钻混凝土、钻到钢筋的电流范围对比， 判断钻机是否钻到钢筋。 用1000W 电锤对隧道衬砌管片进行钻孔电流监视测试，结果如图4。当电锤钻到钢筋时电流陡升，由此可判断电锤钻到钢筋，设备停机，人工操作钻孔车小幅偏移后再次进行钻孔作业。

图4 电锤电流曲线

3.4 弯道超高补偿控制

由于钢轨在弯道存在超高（外轨高于内轨），以及钢轨轨面也存在一定的偏差，导致车辆倾斜。钻孔车以钢轨轨面为基准展开设计，所以需要对其进行补偿。

钻孔机械臂底座设计有液压驱动的调平机构，PLC通过检测机械臂底座上倾角传感器数据判断其倾斜角度，进而控制调平机构使钻孔机械臂底座水平。

3.5 车辆稳定性控制

钻孔车的稳定性是一个关键难度，各个失稳状态（例如整个设备在轨道上移动过程中， 车轮与轨道之间可能出现打滑、设备打孔时冲击振动带来的潜在失稳等）都会影响测控系统的准确度，使用抱轨器、弹性顶头等机构来增加系统的稳定性。

此外，为了增加设备运动系统的稳定性，在各个液压驱动机构上增加液压锁，并尽量选择蜗轮蜗杆减速机等带自锁功能的传动机构。

4 控制流程

在HMI 上标定参数，设置任务内容。 通过PLC 采集外围传感器、操作按钮/手柄号，读取总线数据，进行数据分析并按照一定的算法进行逻辑和运算处理，以到达现场工况需求。 控制流程如图5 所示。

图5 控制流程

4.1 参数标定

（1）标记钻头原点。人工操作设备（可用激光投影），调整钻头位置，到第一打孔位置正前方（该位置距离隧道壁L，L+钻孔深度＜伸缩油缸行程）， 设定当前位置为钻头原点。

（2）标记钻头回位点。 各机构收回到位后坐标。

（3）标记线路参数。 设置设备运行线路相关参数。

（4）标定孔间距及数量。 下达打孔任务。 在HMI 上设置需要孔的间距、数量。

4.2 控制流程

（1）操作模式。系统设有手动/自动两种操作模式。

（2）工作机构备妥。 系统自检。

（3）自动检测运算。 PLC 进行数据运算、逻辑处理。

（4）机构运行。执行PLC 输出指令执行打孔操作。

以侧壁电缆支架四个锚栓孔为例，同一工位4 孔加工示意图如图6 所示：

图6 同一工位4 孔加工示意图

抱轨机构抱紧轨道→顶头顶住墙面→系统液压锁锁死→钻孔两个→执行组件伺服滑台运动→钻孔两个→液压锁松开→顶头松开→抱轨机构松开→公铁两用平台移动→抱轨机构抱紧轨道→传感器测量、PLC 控制系统计算→调平装置补偿角度偏差→顶头顶住墙面→系统液压锁锁死→第二工位的加工开始并依次循环。

当系统判断打到钢筋时，设备停机，人工按提示确认开启偏移操作，轨道车小幅偏移后再次开始打孔操作。

（5）任务完成。 检测任务是否完成。

（6）打孔完毕。 任务结束。

5 结语

本文完成了公铁两用隧道钻孔车钻孔控制系统的原理设计。 控制系统主要由中央控制系统、信号采集系统、钻孔执行系统、除尘系统、调平装置、触摸屏及ECU 等组成，通过走行距离控制、钻孔深度控制及钢筋避让控制等关键控制方法，实现了钻孔车的自动定位及自动钻孔功能。 试验结果表明，钻孔控制系统可以满足隧道钻孔工艺需求，且工作性能稳定。