FAST工程新型液壓促動(dòng)器研制及性能分析

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(1.天津優(yōu)瑞納斯液壓機(jī)械有限公司， 天津 300385； 2. 天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300072)

引言

500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(500 m Aperture Spherical Radio Telescope)簡(jiǎn)稱FAST工程，隸屬于中國“十一五”重大科學(xué)工程工程[1,2]。該工程主要由主動(dòng)反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)測(cè)量與控制系統(tǒng)、接收機(jī)與終端系統(tǒng)組成[3]。主動(dòng)反射面的支撐結(jié)構(gòu)整體索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由圈梁、主索網(wǎng)、下拉索、三角形反射面單元、促動(dòng)器和地錨構(gòu)成。主索網(wǎng)安裝在環(huán)形圈梁上，主索網(wǎng)之上鋪設(shè)三角形反射面單元，各三角形的頂點(diǎn)都由索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過下拉索與安裝在地面上的促動(dòng)器連結(jié)[4]。在實(shí)際觀測(cè)時(shí)，根據(jù)天體的角度和主動(dòng)反射面的實(shí)時(shí)形狀，對(duì)相關(guān)的促動(dòng)器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，在射電源方向上形成300 m口徑的瞬時(shí)拋物面匯聚電磁波。

1 促動(dòng)器的研究現(xiàn)狀及問題

目前，促動(dòng)器按能源形式分為氣動(dòng)式、機(jī)械式和液壓式三大類。余正洋等設(shè)計(jì)了一種氣體力促動(dòng)器， 試驗(yàn)結(jié)果表明該促動(dòng)器輸出力在±100 N范圍內(nèi)精度可達(dá)0.05 N，但是其分析過程均是在低壓情況下進(jìn)行的，輸出功率小，體積大[5]。李寧等提出了變頻器、電機(jī)、蝸輪蝸桿、滾珠絲杠傳動(dòng)的機(jī)械式促動(dòng)器設(shè)計(jì)方案，整體質(zhì)量和體積會(huì)隨著負(fù)載的增加而增大[6]。陸震等提出利用Sarrus機(jī)構(gòu)有效地解決反射面邊緣單元側(cè)滑問題，但是其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，批量應(yīng)用較困難[7]。

液壓促動(dòng)器具有體積緊湊、輸出功率大、往復(fù)運(yùn)動(dòng)方便的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的液壓促動(dòng)器集成度都不高，液壓缸、油源、電氣控制系統(tǒng)分離布置，系統(tǒng)不封閉，容易漏油，不便于野外使用。促動(dòng)器的主要目的是提供動(dòng)力，滿足精度要求和使用要求，希望其尺寸緊湊小巧，能夠以類似于機(jī)械產(chǎn)品中的“標(biāo)準(zhǔn)件”進(jìn)行選配、安裝和使用?；谏鲜鏊枷耄狙芯刻岢鲆环N應(yīng)用于FAST工程的新型液壓促動(dòng)器。

2 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

液壓促動(dòng)器按控制形式分為閥控形式和泵控形式。泵控形式的促動(dòng)器避免了節(jié)流損失，降低了系統(tǒng)發(fā)熱現(xiàn)象，能夠承受長(zhǎng)期高速換向要求，滿足主動(dòng)反射面系統(tǒng)對(duì)促動(dòng)器綠色、節(jié)能的特點(diǎn)。FAST用液壓促動(dòng)器的液壓系統(tǒng)采用的是泵控非對(duì)稱液壓缸的形式，其工作原理如圖1所示[8]。其工作原理和特點(diǎn)與傳統(tǒng)的電液泵控差動(dòng)液壓缸系統(tǒng)有著明顯不同。這種液壓促動(dòng)器的無桿腔等效為油箱，壓力約為0。

圖1 液壓促動(dòng)器工作原理

2.1 安裝和調(diào)試狀態(tài)

當(dāng)活塞桿伸出時(shí)，兩個(gè)電磁閥均通電，液壓缸的無桿腔和有桿腔接通，為非對(duì)稱連接狀態(tài)，電機(jī)反轉(zhuǎn)(逆時(shí)針)，活塞桿差動(dòng)輸出。當(dāng)活塞桿縮回時(shí)，兩個(gè)電磁閥均斷電，電機(jī)仍然反轉(zhuǎn)，液壓油經(jīng)過液壓泵4和液控單向閥YDF流入有桿腔，無桿腔的油液流回油箱。此外，該液壓促動(dòng)器預(yù)設(shè)有快換接頭和配套的手動(dòng)泵以便適應(yīng)初始安裝和后續(xù)維護(hù)的需要。

2.2 換源和跟蹤狀態(tài)

正常工作時(shí)，液壓促動(dòng)器需要執(zhí)行換源或跟蹤操作。此時(shí)，兩個(gè)電磁閥均處于斷電狀態(tài)。活塞桿始終受到外負(fù)載給予的拉力作用。

當(dāng)活塞桿伸出時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)(順時(shí)針)，泵口壓力升高，YDF在控制油的作用下開啟。油液從有桿腔經(jīng)過YDF、4、背壓閥YL3流入無桿腔。由于液壓缸兩腔面積不對(duì)稱，另一部分油液從油箱補(bǔ)充到無桿腔。當(dāng)活塞桿縮回時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，液壓泵向有桿腔供油，無桿腔的液壓油返回油箱。

2.3 其他功能狀態(tài)

主動(dòng)反射面系統(tǒng)要求促動(dòng)器除了能夠?qū)崿F(xiàn)上述基本功能之外，還包括以下四種基本功能狀態(tài)：

(1) 載保護(hù)功能：換源或跟蹤時(shí)，當(dāng)外負(fù)載超過設(shè)計(jì)的極限荷載時(shí)，YDF關(guān)閉，使液壓泵與有桿腔相隔絕，從而保護(hù)泵和電機(jī)；安全閥YL2開啟，活塞桿在外負(fù)載作用下被拉出，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸缸體和下拉索的保護(hù)；

(2) 源保位：當(dāng)電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，YDF保持關(guān)閉狀態(tài)，非對(duì)稱液壓缸被鎖死，對(duì)位置進(jìn)行保持；

(3) 位保護(hù)功能：通過位移傳感器2將位置信號(hào)反饋給控制器，當(dāng)液壓缸的活塞桿到達(dá)極限位置時(shí)控制器執(zhí)行停止命令，使電機(jī)停轉(zhuǎn)；

(4) 負(fù)載隨動(dòng)：當(dāng)突然出現(xiàn)故障時(shí)，一方面YDF關(guān)閉，使得液壓泵與有桿腔相隔絕，保護(hù)泵和電機(jī)；另一方面DC1通電、DC2仍然保持?jǐn)嚯姞顟B(tài)，有桿腔和無桿腔都與油箱連通，液壓促動(dòng)器在外負(fù)載的作用下進(jìn)行伸出或縮回，避免出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

3 液壓促動(dòng)器的集成化結(jié)構(gòu)

液壓促動(dòng)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)布局如圖2所示，其中集成化的閥塊將圖1中的DC1、DC2 、溢流閥(YL1、YL2、YL3、YDF)、單向閥(DF1、DF2、DF3、DF4)、過濾器Y1、快換接頭S1、壓力傳感器3、溫度傳感器7以及電源和通訊接口集于一身，大大節(jié)省了空間。該液壓促動(dòng)器自帶液壓油箱，無需額外裝備油液輸送管道和大型的外部控制系統(tǒng)。泵控液壓系統(tǒng)使得促動(dòng)器的調(diào)節(jié)和換向功能便于實(shí)現(xiàn)。位移傳感器將位置信號(hào)反饋給控制器，形成閉環(huán)伺服控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修正和補(bǔ)償。此外，封閉式的結(jié)構(gòu)使得液壓油免于受到外部環(huán)境的污染，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

4 實(shí)際應(yīng)用

如圖3所示為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，所選用國產(chǎn)46#抗磨液壓油，外負(fù)載為70 kN的恒定拉力，對(duì)液壓促動(dòng)器的換源和掃描跟蹤性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖2 促動(dòng)器的集成化結(jié)構(gòu)

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4.1 換源實(shí)驗(yàn)

如圖4a、4b所示，設(shè)置活塞桿按照1.6 mm/s 的換源速度運(yùn)動(dòng)，往返2個(gè)完整回合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液壓促動(dòng)器能夠以-1.6 ～ +1.6 mm/s的速度正常工作，且換向平穩(wěn)，速度波動(dòng)小，與FAST 促動(dòng)器工作要求完全吻合。

4.2 掃面跟蹤實(shí)驗(yàn)

跟蹤工況下的速度變化平緩，要求運(yùn)動(dòng)過程中每一受控點(diǎn)的位置誤差不超過0.25 mm。分為普通跟蹤和掃描跟蹤兩種模式， 其中普通跟蹤時(shí)的實(shí)際速度在-0.60～+0.60 mm/s范圍內(nèi)變化， 掃描跟蹤時(shí)的實(shí)際速度在-1.20～+1.20 mm/s范圍內(nèi)變化，故掃描跟蹤又稱為倍速跟蹤，是跟蹤工況下最惡劣的情形，掃描跟蹤的目標(biāo)曲線如圖5a所示。因此，著重驗(yàn)證液壓促動(dòng)器在掃描跟蹤狀態(tài)下的精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5b所示，在掃描跟蹤時(shí)的位置誤差基本保持在0.2 mm之內(nèi)，精度滿足FAST工程要求。

圖4 換源實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

(1) 針對(duì)FAST工程應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種新型的液壓促動(dòng)器，該促動(dòng)器集成度高，通過選擇不同面積比的差動(dòng)缸、設(shè)置相關(guān)閥件(主要是安全閥和背壓閥)的預(yù)設(shè)定值而靈活地適應(yīng)不同大小的負(fù)載;

(2) 提出了一種新型的泵控差動(dòng)缸系統(tǒng)，通過控制差動(dòng)缸的有桿腔壓力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行， 其控制

圖5 掃描跟蹤實(shí)驗(yàn)

方式簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)。此外，采用泵控形式可以減少熱量，節(jié)約能源；

(3) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了液壓促動(dòng)器的換源和掃描跟蹤性能，結(jié)果表明該促動(dòng)器的工作性能穩(wěn)定，換源平穩(wěn)，跟蹤誤差小，滿足FAST工程要求，具有良好的實(shí)用性。

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