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根據(jù)目前混凝土破碎工程設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r來看，目前國外的混凝土破碎設(shè)備都采用的是液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)[74]。與傳統(tǒng)的具有成熟技術(shù)的電力驅(qū)動(dòng)相比，液壓驅(qū)動(dòng)具有調(diào)速范圍大，較大的功率質(zhì)量比，抗過載能力強(qiáng)，等諸多優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)采用液壓作為動(dòng)力源的工程設(shè)備，其動(dòng)力來源具有多種形式，如發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)，以及其他形式的動(dòng)力來源。作為在戶外工作的工程設(shè)備，采用液壓驅(qū)動(dòng)具有更好的機(jī)動(dòng)性能。對于少部分采用氣壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的工程設(shè)備，如氣錘等破拆機(jī)械，只是采用了壓縮空氣作為傳動(dòng)介質(zhì)來驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行工作，而壓縮空氣主要特點(diǎn)是質(zhì)量輕，來源廣泛，可壓縮性強(qiáng)，粘度系數(shù)低對溫度變化不明顯，同時(shí)對環(huán)境無污染[75,76]。采用壓縮氣體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的設(shè)備主要特點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，反應(yīng)靈敏，操控性能高。但是，由于空氣的可壓縮性，負(fù)載對系統(tǒng)的傳動(dòng)性能影響較大，其控制精度無法得到保證[77]；同時(shí)氣壓傳動(dòng)的系統(tǒng)工作壓力一般小于 0.8MPa，因此，采用氣壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的設(shè)備在系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)功率方面也有一定的限制，基于電力驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)以及氣壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的適用性，對于經(jīng)常處在戶外作業(yè)的混凝土破拆機(jī)器人，應(yīng)優(yōu)先使用液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)[78]。

 現(xiàn)代液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，逐漸形成的規(guī)范的設(shè)計(jì)方法。通過結(jié)合的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，概括國內(nèi)的中小型液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，一般液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在滿足特定的工作性能、可靠性以及穩(wěn)定性等要求的前提下，所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)要滿足結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，工作效率高，使用和維護(hù)方便，人機(jī)友好性高，使用壽命長以及可擴(kuò)展等多項(xiàng)條件。然而液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程并沒有固定的順序，不同設(shè)計(jì)步驟之間需要來回進(jìn)行修改和完善，這樣才能設(shè)計(jì)出性能完善，狀態(tài)良好的液壓系統(tǒng)[79]。

  超高壓水射流破拆機(jī)器人采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來源，驅(qū)動(dòng)液壓泵為系統(tǒng)提供液壓力。其中包括兩個(gè)行走液壓馬達(dá)、機(jī)械臂架旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、臂架移動(dòng)液壓缸、支架回轉(zhuǎn)馬達(dá)、支架翻轉(zhuǎn)液壓缸、托盤移動(dòng)液壓馬達(dá)、噴槍夾頭擺動(dòng)馬達(dá)以及噴槍擺動(dòng)馬達(dá)。不同的驅(qū)動(dòng)部件工作方式以及驅(qū)動(dòng)壓力不同，根據(jù)破拆機(jī)器人工作需要對部分重要部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)械臂架結(jié)構(gòu)以及其采用的驅(qū)動(dòng)部件的執(zhí)行方式，選擇噴槍擺動(dòng)馬達(dá)、托盤移動(dòng)液壓馬達(dá)、以及支架翻轉(zhuǎn)液壓剛作為三個(gè)典型部件進(jìn)行分析計(jì)算，其他驅(qū)動(dòng)部件設(shè)計(jì)方法類似。

 同機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一樣，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般包括以下步驟[80]：

 1）確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求；

 2）確定主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如工作壓力，系統(tǒng)總功率等；

 3）系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及論證，初步擬定系統(tǒng)原理圖；

 4）選擇液壓元器件，如：液壓馬達(dá)，換向閥等；

 5）系統(tǒng)性能分析，包括壓力損失、溫升及效率驗(yàn)算；

 6）完善液壓系統(tǒng)圖，設(shè)計(jì)液壓裝置，編寫操作說明書等技術(shù)文件。

 超高壓水射流破拆機(jī)器人的各個(gè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作采用液壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，包括底盤的移動(dòng)，機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)、伸展，以及噴槍的破拆移動(dòng)等多個(gè)動(dòng)作。其中底盤采用液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，履帶式結(jié)構(gòu)，行走平穩(wěn)，越野能力強(qiáng)。機(jī)械臂是破拆機(jī)器人的手臂，其動(dòng)作的穩(wěn)定性以及方向靈活性是進(jìn)行破拆作業(yè)的關(guān)鍵所在，對于不同的關(guān)節(jié)采用不同的液壓執(zhí)行原件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由于破拆機(jī)器人主要作業(yè)對象為需要拆除以及修復(fù)的混凝土建筑物，而這些不同的建筑物具有不用的建造方式，建造結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部材料并不相通，需要破拆平面、大小、深度均也不盡相同。如混凝土路面處于水平面，橋梁橋墩為豎直平面，而隧道涵洞等建筑物表面為曲面。超高壓水射流破拆機(jī)器人需要滿足對于不同建筑物破拆需求，這就要求其執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有多個(gè)自由度，能夠?qū)Σ煌淖鳂I(yè)對象進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以期達(dá)到的實(shí)時(shí)作業(yè)效率。為使破拆機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡便，通過對破拆機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行分析，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)功能可以拆分為兩個(gè)部分：底盤驅(qū)動(dòng)和機(jī)械臂架。而兩者由于工作作用的不同其液壓回路的設(shè)計(jì)要求也不同。

 （1）底盤驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要求

 底盤的移動(dòng)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是破拆機(jī)器人進(jìn)行精確破拆的重要保證，液壓驅(qū)動(dòng)的破拆機(jī)器人底盤需要能夠進(jìn)行前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎等一般移動(dòng)機(jī)械所具備的主要功能，其工作時(shí)需要保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性以及其速度的可控性，不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)液壓控制閥死區(qū)的存在而具有控制的滯后性。根據(jù)破拆機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖以及相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)可知，底盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用兩個(gè)液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，破拆機(jī)器人的移動(dòng)速度需控制在 0.1~1.4m/s，底盤負(fù)載 0.5t。

 （2）機(jī)械臂架設(shè)計(jì)要求

 破拆機(jī)器人的機(jī)械臂架是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過各個(gè)部件的聯(lián)合動(dòng)作來達(dá)到預(yù)定的位置，實(shí)現(xiàn)對混凝土的破拆工作。對破拆機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定了各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在對其進(jìn)行液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)需按照這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)匯總?cè)绫?/span> 3-1。

破拆機(jī)器人采用履帶底盤作為工作平臺，而履帶底盤的驅(qū)動(dòng)又涉及到多方面的因素。根據(jù)對相關(guān)驅(qū)動(dòng)形式的研究發(fā)現(xiàn)，對底盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)主要應(yīng)考慮系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)速度和制動(dòng)力這三個(gè)基本要素。采用液壓驅(qū)動(dòng)的履帶底盤，這三個(gè)具體參數(shù)也是選擇液壓馬達(dá)的主要考查依據(jù)。驅(qū)動(dòng)功率一定程度上決定馬達(dá)的排量，驅(qū)動(dòng)速度又決定著馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，底盤結(jié)構(gòu)以及負(fù)載重量又間接制約了馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力矩。所以對底盤驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)應(yīng)主要從這三個(gè)參數(shù)入手。

 驅(qū)動(dòng)力一般指馬達(dá)的輸出扭矩，在額定情況下馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力必須能夠滿足系統(tǒng)的動(dòng)作要求，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)還需要具有一定的盈余量，保證破拆機(jī)器人在具有一定運(yùn)動(dòng)過載時(shí)，仍短時(shí)間內(nèi)仍能正常工作。對于移動(dòng)時(shí)底盤還需要考慮到多種運(yùn)動(dòng)工況，由于行駛環(huán)境的不同，液壓系統(tǒng)所具有的負(fù)載也不盡相同。一般情況下，移動(dòng)底盤的驅(qū)動(dòng)采用通過模擬爬坡角度進(jìn)行驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。由于所需驅(qū)動(dòng)力的大小與很多因素有關(guān)，例如，底盤類型，路面的情況，重心的位置等等。根據(jù)對本課題機(jī)器人的工作環(huán)境要求，以及相關(guān)的設(shè)計(jì)參考，對底盤的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，對邊界條件作出以下假設(shè)：破拆機(jī)器人機(jī)械臂連同驅(qū)動(dòng)底盤等同為一個(gè)質(zhì)量塊；重心位置不會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)器人的傾覆；路面選用一般的混凝土路面；滾阻系數(shù)取 0.02，設(shè)計(jì)時(shí)速5km h。對驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行計(jì)算時(shí)，考慮破拆機(jī)器人在斜坡上的行駛狀況，進(jìn)行受力分析。

噴槍擺動(dòng)馬達(dá)能夠帶動(dòng)噴槍在破拆入射角方位內(nèi)進(jìn)行擺動(dòng)，不僅可以提高對混凝土的破碎效率，而且能夠打擊更大的范圍，是破拆執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要的運(yùn)動(dòng)部件。然而其擺動(dòng)的速度高以及噴槍噴射時(shí)會(huì)受到水射流的反作用力，這些特點(diǎn)對機(jī)械臂架的安全以及可靠性具有較大的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需要對其重點(diǎn)考慮。

 由于不同的混凝土建筑物所采用不同的混凝土型號不同，因而其具有的內(nèi)部性能也不一致，這就需要破拆機(jī)器人在針對不同的混凝土破碎時(shí)，采用不同的破碎速度。噴槍的擺動(dòng)頻率可以作為破碎速度的一個(gè)特征量。噴槍擺動(dòng)頻率由擺動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行控制，對液壓馬達(dá)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的控制即可對噴槍擺動(dòng)頻率進(jìn)行控制。