一种液压凿岩机测控系统技术领域
本发明涉及液压测控领域，具体是一种液压凿岩机工作状态辨识的测控系统。
背景技术
液压凿岩机及被广泛用于矿山开采凿孔、建筑施工、水泥路面、柏油路面等领域。
为了达到高效率、低成本的目的，国内外设计了各种各样的液压凿岩机系统。由于液压凿岩
机的工作环境恶劣、工况复杂多变，所以液压凿岩机工作状态的稳定性对其工作效率有很
大的影响。多数现有的液压凿岩机系统不但复杂而且大多数是使用组合阀与压力负反馈控
制液控阀构成的纯液压系统，很难长期保持液压凿岩机工作状态的稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种液压凿岩机工作状态辨识的测控系统，该系统能够
实现对其多个工作参数进行实时监测与采集，并通过电气系统对液压凿岩机的工作参数误
差实时修正，保证凿岩机工作状态长期的稳定性。
一种液压凿岩机测控系统，包括动力机构和与动力机构连接的执行机构、溢流阀、
凿岩控制阀、电气系统；其中：
执行机构包括推进液压缸、托盘、凿岩机和转钎马达，通过推进液压缸带动托盘后退，
托盘与凿岩机固定连接。
溢流阀包括先导比例溢流阀、溢流阀，通过调节先导型比例溢流阀，驱动执行机构
的液压油路中油压成比例的增大或减小，成比例改变油路中的压力驱动执行机构；溢流阀
旁接在的油路中，限制工作油压的最高压力。
凿岩机控制阀包括先导比例减压阀、高速开关阀、先导型电磁换向阀及单向阀，通
过对先导比例减压阀调节，执行机构的液压油路中油压成比例的增大或减小，对高速开关
阀通断时间占空比和通电电流大小调节，改变进入推进油缸前后腔的平均流量；通过改变
先导型电磁换向阀的通电状态，改变液压油的流动方向；
电气系统包括压力传感器、流量传感器、放大器、数据采集机卡和凿岩状态辨识系统，
通过在不同的油液进出口设置压力传感器和流量传感器，采集其所在位置的流量、压力并
传输到数据采集卡，所得压力、流量参数与凿岩状态辨识系统的凿岩状态数据库匹配得出
此时凿岩机所处的凿岩状态和凿岩状态工作参数误差，并通过控制器修正凿岩状态误差。
所述的动力机构包括油箱、电机和与电机连接的单向泵，单向泵由配带变频器的
电机驱动，调节变频器改变电机的转速，改变单向泵的排量和负载的速度，通过测控系统的
凿岩辨识结果反馈控制变频器；单向泵由电机驱动提供所需的压力油。
所述的溢流阀包括先导比例溢流阀和溢流阀，先导型比例溢流阀旁接在动力口与
凿岩机的工作口相通的油路上，溢流阀旁接在动力口与单向阀的工作口相通的油路上。
所述的凿岩机控制阀包括先导比例减压阀、先导比例高速开关阀、先导型电磁换
向阀及单向阀，先导比例减压阀控制推进液压缸的工作口压力，高速开关阀工作口分别与
先导型比例减压阀的工作口、推进液压缸的工作口、油箱相通；先导型电磁换向阀的工作口
分别与单向阀的工作口、油箱、转钎马达的工作口相通，单向阀的工作口与液压泵相通。
所述高速开关阀为二位三通电磁换向阀。
所述先导型电磁换向阀为先导型三位四通电磁换向阀。
所述的电气系统包括压力传感器、流量传感器、放大器、数据采集机卡和凿岩状态
辨识系统，压力传感器分别安装在液压推进缸的工作口、凿岩机的工作口、液压马达的工作
口、氮气室处，流量传感器分别安装在液压推进缸的工作口、凿岩机的工作口处，压力传感
器、流量传感器采集的压力、流量信号经信号处理器进行相应的处理，数据采集卡将处理后
的压力、流量信号传递给凿岩状态辨识系统，凿岩状态辨识系统将采集的压力、流量数据与
凿岩状态辨识系统内的凿岩状态数据库匹配得出此时凿岩机所处的凿岩状态并将凿岩参
数误差进行反馈，在控制器对先导型比例溢流阀、先导型比例减压阀、高速开关阀及先导型
电磁换向阀的控制下，通过调整先导型比例溢流阀、先导型比例减压阀的设定压力、高速开
关阀及先导型电磁换向阀的开关状态，修正凿岩机系统的流量、压力误差达到更好的凿岩
效果。
本发明的有益效果是：通过测控系统实现凿岩机各个压力、流量参数实时监测；通
过对电磁阀、变频器的控制形成闭环的液压凿岩机系统，使凿岩机在凿岩推进过程中工作
参数保持稳定，提高凿岩效率。
附图说明
图 1 为本发明一种液压凿岩机工作状态辨识的测控系统的原理图；
图 2 为本发明一种液压凿岩机工作状态辨识的测控流程图。
图中，M1、M2为电机，T为变频器，B1、B2为单向泵，Y1为先导式比例溢流阀、Y2为先
导式比例减压阀、Y3为直动式溢流阀，G1、G2为高速开关阀，D为先导式电磁换向阀，E为单向
阀，N1为氮气室，Z1为推进液压油缸、Z2为托盘、Z3为液压凿岩机、Z4为转钎马达、Z5为工作
对象，P1、P2、P3、P4为压力传感器，Q1、Q2、Q3为流量传感器，U为信号处理器、C为数据采集机
卡、S为凿岩状态辨识系统、A为信号放大器、R为控制器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图 1 所示，本发明的一种液压凿岩机工作状态辨识的测控系统，它包括动力
机构、执行机构、溢流阀、凿岩控制阀组、测控系统；其中：
动力机构包括两只单向泵B1、B2，单向泵B1由配带变频器T的电机M1驱动，调节变频器T
改变电机M1的转速从而改变泵B1的排量来改变负载的速度，通过测控系统的工作状态辨识
结果使R反馈控制变频器T；单向泵B2由电机M2驱动提供所需的压力油。
执行机构包括推进液压缸Z1、凿岩机Z3、转钎马达Z4。推进液压缸Z1的工作口Z1-A
进油，托盘Z2前进，凿岩机Z3前进；推进液压缸Z1的工作口Z1-B进油，托盘Z2后退，凿岩机Z3
后退。凿岩机Z3工作时，凿岩机Z3的工作口Z3-A保持进油，凿岩机Z3的工作口Z3-B保持出
油,凿岩机完成冲程加速、回程减速、回程减速三个阶段，凿岩机Z3工作口Z3-A、Z3-B并没有
进出油口之间的转换。转钎马达Z4的工作口Z4-A进油、Z4-B回油时转钎马达正传带动钎杆
正转切削岩石；转钎马达Z4的工作口Z4-B进油、Z4-A回油时转钎马达反传带动钎杆反转切
削岩石。
所述的溢流阀包括先导比例溢流阀Y1、溢流阀Y3。先导型比例溢流阀Y1旁接在动
力口B1-P与凿岩机Z3的工作口Z3-A相通的油路上，先导型比例溢流阀Y1设定的压力成比例
增大或者减小时，凿岩机Z3的工作口Z3-A的油压亦成比例增大或者减小；溢流阀Y3旁接在
动力口B2-P与单向阀E的工作口E-P相通的油路上，控制转钎马达的工作压力，转钎马达Z4
的工作口Z4-A或Z4-B的最高压力不超过溢流阀Y3的设定压力。
凿岩机控制阀组包括先导比例减压阀Y2、先导比例高速开关阀（G1、G2）、先导型电
磁换向阀D以及单向阀E。先导比例减压阀Y2控制推进液压缸Z1的工作口Z1-A或Z1-B压力，
先导型比例减压阀Y2设定压力成比例增大或者减小时，推进液压缸Z1的工作口Z1-A或者
Z1-B的油压亦成比例增大或者减小；高速开关阀G1、G2为二位三通电磁换向阀，高速开关阀
G1工作口G1-P与先导型比例减压阀Y2的工作口Y2-P相通，工作口G1-A与推进液压缸Z1的工
作口Z1-A相通，工作口G1-T与油箱O相通；高速开关阀G2工作口G1-P与先导型比例减压阀Y2
的工作口Y2-P相通，工作口G1-A与推进液压缸Z1的工作口Z1-B相通，工作口G2-T接油箱O；
先导型电磁换向阀D是先导型三位四通电磁换向阀，先导型电磁换向阀D的工作口D-P接单
向阀E的工作口E-A，先导型电磁换向阀D的工作口D-T接油箱O；先导型电磁换向阀D的工作
口D-A连接转钎马达Z4的工作口Z4-B, 先导型电磁换向阀D的工作口D-B与转钎马达Z4的工
作口Z4-A相通, 单向阀E的工作口E-P与液压泵B2相通，防止液压油回流。
电气系统包括四组压力传感器(P1、P2、P3、P4)、三组流量传感器(Q1、Q2、Q3)、放大
器A、数据采集机卡C、凿岩工作状态辨识系统S。压力传感器P1安装在液压推进缸Z1的工作
口Z1-A，压力传感器P2安装在凿岩机Z3的工作口Z3-A，压力传感器P3安装在液压马达Z4的
工作口Z4-A与Z4-B，压力传感器P3安装在氮气室N1，流量传感器Q1安装在液压推进缸Z1的
工作口Z1-A，流量传感器Q2安装在凿岩机Z3的工作口Z3-A，流量传感器Q3安装在凿岩机Z3
的工作口Z3-B。压力传感器P1是在监测凿岩机Z3进行凿岩工作时液压推进缸Z1的推进压
力，压力传感器P2是在监测凿岩机Z3进行凿岩工作时凿岩机Z3的冲击压力，压力传感器P3
是在监测凿岩机Z3进行凿岩工作时液压马达Z4的回转压力；压力传感器P4是在监测氮气室
N1的压力，流量传感器Q1是在监测凿岩机Z3进行凿岩工作时液压推进缸Z1的单位时间内的
流量，其间接反映了液压推进缸Z1的推进速度，也是凿岩机Z3凿岩推进速度；流量传感器Q2
对凿岩机Z3的工作口Z3-A的流量参数进行实时采集，即流量传感器Q2是在监测凿岩机Z3进
行凿岩工作时单位时间内进油口的油液流量，流量传感器Q3对凿岩机Z3的工作口Z3-B的流
量参数进行实时采集，即流量传感器Q3是在监测凿岩机Z3进行凿岩工作时单位时间内回油
口的油液流量；放大器A将四组压力传感器(P1、P2、P3、P4)、三组流量传感器(Q1、Q2、Q3)采
集的压力、流量信号经信号处理器U进行相应处理，数据采集卡C将处理后的压力、流量信号
进行放大后传递给凿岩状态辨识系统S，凿岩状态辨识系统S将采集的压力、流量数据与凿
岩工作状态辨识系统S内的凿岩状态数据库作对比得出此时凿岩机Z3所处的凿岩状态和工
作参数误差，并将得到的误差转化为控制信号，在凿岩状态辨识系统S对先导型比例溢流阀
Y1、先导型比例减压阀Y2、高速开关阀（G1、G2）以及先导型电磁换向阀D进行控制下，可以通
过调整先导型比例溢流阀Y1、先导型比例减压阀Y2的设定压力以及高速开关阀（G1、G2）以
及先导型电磁换向阀D的开关状态修正凿岩机系统在此时的流量、压力误差达到更理想的
凿岩效果。
如图2所示，本系统的工作过程是：
在凿岩机进行凿岩掘进工作而非遇到偏斜、卡钎工况时，压力传感器P1、P2、P3分别对
液压推进缸Z1的工作口Z1-A的压力参数进行实时监测、对凿岩机Z3的工作口Z3-A的压力参
数进行实时监测、对液压马达Z4的回转压力进行实时监测，这三个压力参数分别是推进压
力、冲击压力以及回转压力，P4对氮气室压力进行实时监测，；流量传感器Q1、Q2、Q3分别对
液压推进缸Z1的工作口Z1-A的流量参数进行实时监测、对凿岩机Z3的工作口Z3-A的流量参
数进行实时监测、对凿岩机Z3的工作口Z3-B的流量参数进行实时监测，这三个流量参数分
别是凿岩机凿岩推进速度、凿岩机进油口流量、凿岩机回油口流量。
凿岩机在正常的凿岩工作状态时，由压力传感器P1、P2、P3、P4与流量传感器Q1、
Q2、Q3进行实时监测得到的压力、流量参数与凿岩状态辨识系统S内凿岩状态数据库对比可
得到凿岩机Z3所处的凿岩状态和凿岩工作参数误差：
当流量传感器Q1、Q2在液压推进缸Z1的工作口Z1-A、凿岩机Z3的工作口Z3-A监测到的
流量参数之和低于此时凿岩状态辨识系统S内凿岩状态数据库对应的标准流量和时，凿岩
状态辨识系统S通过控制器R控制变频器T提高电机M1的转速从而增大液压泵B1单位时间内
的排量，从而使流量传感器Q1、Q2监测到的流量参数之和达到标准流量。当流量传感器Q1、
Q2在液压推进缸Z1的工作口Z1-A、凿岩机Z3的工作口Z3-A实时监测到的流量参数之和高于
此时凿岩状态辨识系统S内凿岩状态数据库内对应的标准流量和时，凿岩状态辨识系统S通
过控制器R控制变频器T降低电机M1的转速从而降低液压泵B1单位时间内的排量，从而使流
量传感器Q1、Q2监测到的流量参数达到标准流量。当流量传感器Q1、Q2分别在液压推进缸Z1
的工作口Z1-A、凿岩机Z3的工作口Z3-A实时监测到的流量参数之和与凿岩状态辨识系统S
内凿岩状态数据库内对应的标准流量之和对比，得出此时的流量与凿岩状态数据库内对应
的标准流量一致时有三种情况：流量传感器Q1在液压推进缸Z1的工作口Z1-A实时监测到的
流量参数与凿岩状态辨识系统S内凿岩状态数据库内对应的标准流量相比过低、一致、过
高。若是过低时，凿岩状态辨识系统S通过控制器R提高高速开关阀G1、G2通断电电流大小和
通电时间占空比，修正凿岩工作状态；若是一致时，控制器R不对高速开关阀G1、G2进行任何
动作；若是过高时，凿岩状态辨识系统S通过控制器R降低高速开关阀G1、G2通断电电流大小
和通电时间占空比，修正工作状态。
当压力传感器P1在液压推进缸Z1工作口Z1-A实时监测到的压力参数低于此时凿
岩状态辨识系统S内凿岩状态数据库对应的标准压力时，凿岩状态辨识系统S对先导比例减
压阀Y2进行先导控制，适当提高先导比例减压阀Y2的设定压力，从而使压力传感器P1监测
到的流量参数达到标准压力；当压力传感器P1在液压推进缸Z1工作口Z1-A实时监测到的压
力参数高于此时凿岩状态辨识系统S内凿岩状态数据库内对应的标准压力时，凿岩状态辨
识系统S通过控制器R对先导比例减压阀Y2进行先导控制，适当降低先导比例减压阀Y2的设
定压力，从而使压力传感器P1监测到的压力参数达到标准压力。当压力传感器P1在液压推
进缸Z1工作口Z1-A实时监测到的压力参数与凿岩状态数据库对应的标准压力一致时，控制
器R不对先导比例减压阀Y2进行任何动作。
当压力传感器P2在凿岩机Z3的工作口Z3-A进行实时监测到的压力参数低于此时
凿岩状态辨识系统S凿岩状态数据库内对应的标准压力时，适当提高先导比例溢流阀Y1的
设定压力，从而使压力传感器P2监测到的压力参数达到标准压力；当压力传感器P2在凿岩
机Z3的工作口Z3-A进行实时监测到的压力参数高于此时凿岩状态数据库内对应的标准压
力时，适当降低先导比例溢流阀Y1的设定压力，从而使压力传感器P1监测到的压力参数达
到标准压力；当压力传感器P2在凿岩机Z3的工作口Z3-A进行实时监测到的压力参数与凿岩
状态数据库内对应的标准压力一致时，控制器R不对先导比例溢流阀Y1进行任何动作。
当压差传感器P3在转钎马达Z4工作口Z4-A、Z4-B实时监测到的压差参数低于此时
凿岩状态数据库内对应的标准压差时，有两种情况：若流量传感器Q1在液压推进缸Z1的工
作口Z1-A实时监测到的流量参数与此时凿岩状态辨识系统S内凿岩状态数据库内对应的标
准流量相比过低时，凿岩状态辨识系统S通过控制器R提高高速开关阀G1、G2通断电电流大
小和通电时间占空比，使流量传感器Q1监测到的流量参数达到标准流量；若流量传感器Q1
在液压推进缸Z1的工作口Z1-A实时监测到的流量参数与凿岩状态辨识系统S内凿岩状态数
据库内对应的标准流量一致时，控制器R不对高速开关阀G1、G2进行任何动作。当压差传感
器P3在转钎马达Z4工作口Z4-A、Z4-B实时监测到的压差参数高于此时凿岩状态数据库内对
应的标准压差时，有两种情况：若流量传感器Q1在液压推进缸Z1的工作口Z1-A实时监测到
的流量参数与凿岩状态辨识系统S内凿岩状态数据库内对应的标准流量相比过高时，凿岩
状态辨识系统S通过控制器R降低高速开关阀G1、G2通断电电流大小和通电时间占空比，使
流量传感器Q1监测到的流量参数达到标准流量，若流量传感器Q1在液压推进缸Z1的工作口
Z1-A实时监测到的流量参数与凿岩状态辨识系统S内凿岩状态数据库内对应的标准流量一
致时，控制器R不对高速开关阀G1、G2进行任何动作，但凿岩状态辨识系统S通过控制器R控
制先导型电磁换向阀D改变通电状态使转钎马达Z4反转，尽可能使压差传感器P3监测到的
压差趋近标准压差。
通过四组压力传感器(P1、P2、P3、P4)、三组流量传感器(Q1、Q2、Q3)对凿岩机Z3的
凿岩工作参数实时监测以及凿岩状态辨识系统S对凿岩机Z3的凿岩状态辨识，实时反馈凿
岩机Z3与凿岩数据库内标准凿岩状态的误差，通过控制器R对先导型比例溢流阀Y1、对先导
比例型减压阀Y2、高速开关阀（G1、G2）以及先导型电磁换向阀D的控制，形成一个闭环的监
测与控系统，使凿岩机Z3在凿岩推进过程中每个凿岩状态的压力、流量误差得到修正，使凿
岩机Z3保持在高效的凿岩工作状态。