FAST液壓促動(dòng)器仿真分析與試驗(yàn)研究

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(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 貴州 貴陽　550025； 2.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái)， 北京　100012；3.中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100012)

引言

500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope)是國(guó)家“十一五”大科學(xué)裝置之一，建成后將成為世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡[1]。FAST主動(dòng)反射面系統(tǒng)包括圈梁、反射面單元、主索網(wǎng)、下拉索、促動(dòng)器、地錨等組成。其中，主索網(wǎng)安裝在格構(gòu)式環(huán)形圈梁上，在其2226個(gè)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)上裝有約4450個(gè)反射面單元且每個(gè)節(jié)點(diǎn)下方連有相應(yīng)的下拉索和促動(dòng)器。

促動(dòng)器是可以進(jìn)行控制和位置反饋的伸縮機(jī)構(gòu)，一端與地錨固定，另一端與下拉索鉸接。根據(jù)控制信號(hào)指令，促動(dòng)器克服索網(wǎng)內(nèi)力產(chǎn)生下拉索拉力，通過改變自身長(zhǎng)度改變地錨與索網(wǎng)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)下拉索端頭的間距，從而調(diào)整索網(wǎng)的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)FAST主動(dòng)反射面的面形調(diào)整。

促動(dòng)器在工作時(shí)始終單向受拉，拉力變化范圍約為10～70 kN。其運(yùn)行方式分為換源、跟蹤、隨動(dòng)三種模式：換源模式可以實(shí)現(xiàn)反射面在被測(cè)目標(biāo)間的快速轉(zhuǎn)換，要求促動(dòng)器在10 min 內(nèi)完成反射面變形，速度為1.6 mm/s；跟蹤模式是指在非故障狀態(tài)下，通過促動(dòng)器伸縮保證反射面始終指向被測(cè)天體。跟蹤為促動(dòng)器相對(duì)重要和常用工況，其精度將影響反射面面形精度，要求該精度優(yōu)于0.25 mm；隨動(dòng)模式起故障保護(hù)作用，即活塞桿不會(huì)因促動(dòng)器故障而卡死，可在其周邊索網(wǎng)作用下上下運(yùn)動(dòng)。

本研究針對(duì)FAST促動(dòng)器項(xiàng)目制造方提出的液壓驅(qū)動(dòng)方案,通過AMESim仿真與樣機(jī)試驗(yàn)兩種方法，研究該方案在跟蹤與隨動(dòng)兩主要模式下的運(yùn)動(dòng)特性，為后續(xù)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供參考。

1　方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)分為閥控和泵控兩種，其各自優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示[2]。

表1　兩種液壓控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

結(jié)合傳統(tǒng)泵控系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)并兼顧FAST液壓促動(dòng)器對(duì)可靠性、可維護(hù)性以及長(zhǎng)壽命要求嚴(yán)格的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的電液泵控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用單向閥、溢流閥等普通液壓標(biāo)準(zhǔn)件，故障率低，壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便。現(xiàn)分別介紹在該方案下促動(dòng)器幾種運(yùn)動(dòng)方式的實(shí)現(xiàn)過程： ① 活塞桿回縮：控制器(含步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器)根據(jù)指令信號(hào)與位移傳感器反饋信號(hào)的比較結(jié)果輸出脈沖控制電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使油液經(jīng)齒輪泵2、液控單向閥8流向液壓缸有桿腔，控制活塞桿回縮， 無桿腔內(nèi)多余油液則經(jīng)回油路流回油箱； ② 活塞桿外伸：控制雙向齒輪泵反向旋轉(zhuǎn)，液壓油作用在液控單向閥控制油口上，使得有桿腔中油液經(jīng)液控單向閥8、齒輪泵2、溢流閥3、單向閥12流回油箱，活塞桿在負(fù)載作用下向外伸出，同時(shí)，無桿腔行程的部分真空由油箱供油補(bǔ)償； ③ 隨動(dòng)：手動(dòng)或電動(dòng)打開常開電磁閥6，使有桿腔與無桿腔連通，活塞桿即可在負(fù)載作用下外伸； ④ 手動(dòng)操作：斷電時(shí)，手動(dòng)打開電磁閥6、7到差動(dòng)連接，按壓手動(dòng)泵即可使活塞桿外伸，反之，則可使活塞桿回縮。

1.步進(jìn)電機(jī)　2.齒輪泵　3～5.溢流閥　6.常開二通電磁閥7.常閉二通電磁閥　8.液控單向閥　9～12.單向閥　13.節(jié)流閥14.位移傳感器　15.壓力傳感器　16.測(cè)壓接頭　17、19.快換接頭18.測(cè)壓接頭　20.液壓缸　21.油箱　22.手動(dòng)泵　23.溫度傳感器圖1　促動(dòng)器電液泵控系統(tǒng)液壓原理圖

2　仿真分析

通過法國(guó)Imagine公司開發(fā)的AMESim軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真以研究方案可行性及跟蹤和隨動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。首先，進(jìn)入AMESim仿真環(huán)境，在Sketch模式下分別調(diào)用液壓庫、機(jī)械庫和信號(hào)庫建立各元件模型。為實(shí)現(xiàn)指令信號(hào)的快速跟蹤，消除穩(wěn)態(tài)誤差，在閉環(huán)回路中加入了PID調(diào)節(jié)器。結(jié)合實(shí)際工況，電機(jī)轉(zhuǎn)速不可能無限大，在模型中加入信號(hào)限幅器，仿真模型如圖2所示。其次，在Parameter下對(duì)每個(gè)元件設(shè)置參數(shù)。最后，在Run模式下運(yùn)行得到結(jié)果[3]。

圖2　基于AMESim的系統(tǒng)仿真模型

2.1 模擬跟蹤模式

為檢測(cè)促動(dòng)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)是否滿足要求，F(xiàn)AST使用如下規(guī)律進(jìn)行測(cè)試：位移s=Asin(2πt/T)，速度v=2πA/Tcos(2πt/T)。其中，A=480 mm，T=2 400 s。較實(shí)際跟蹤工況，該規(guī)律可減小測(cè)試時(shí)間，但動(dòng)態(tài)特性要求更為嚴(yán)格。仿真過程中，設(shè)置活塞桿初始位置為0.6 m，則活塞桿最大位移為1.08 m，最小位移為0.12 m。經(jīng)有限元分析得到活塞桿在初始位置、最大位移、最小位移時(shí)的載荷分別為57.8 kN、17.15 kN、71.15 kN。在實(shí)際工作中，活塞桿始終單向受拉且載荷隨活塞桿位置變化近似單調(diào)，因此可得到從開始跟蹤到該周期結(jié)束，活塞桿負(fù)載變化范圍為57.8 kN～17.15 kN～71.15 kN～57.8 kN。

仿真過程中，液壓系統(tǒng)主要元件參數(shù)如表2所示。

表2　主要元件參數(shù)

設(shè)置正弦信號(hào)源頻率為0.00042 Hz，振幅為0.48 m，初始位置為0.6 m；為增大系統(tǒng)響應(yīng)速度，取PID控制器比例系數(shù)Kp=100，同時(shí)為減小超調(diào)和震蕩，取積分系數(shù)Ki=0.001； 設(shè)置信號(hào)限幅器閾值為 ±0.05使電機(jī)最大轉(zhuǎn)速不超過2000 r/min；取增益K=18000 以增大信號(hào)強(qiáng)度[4-7]。仿真結(jié)果見圖3。

圖3a表明，在一個(gè)周期內(nèi)，促動(dòng)器能夠完成跟蹤且活塞桿位移與指令信號(hào)接近重合。在剛開始跟蹤時(shí)，活塞桿出現(xiàn)瞬時(shí)位置跳動(dòng)(如圖1所示),但經(jīng)過閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，促動(dòng)器很快(約1.5 s)進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤。在AMESim中放大速度曲線可以看到，在齒輪泵轉(zhuǎn)向時(shí)速度出現(xiàn)波動(dòng)(如圖II、III所示)，最大波動(dòng)值分別為0.032 mm/s和 0.1 mm/s，這主要是由于齒輪泵換向時(shí)元件滯后及負(fù)載沖擊所致，III處負(fù)載較大，波動(dòng)也較明顯。從圖3b可以看出，系統(tǒng)位置誤差整體呈余弦規(guī)律變化且最大誤差值為113 μm，滿足FAST定位精度要求。

圖3　變載荷跟蹤時(shí)活塞桿位移、速度及位置誤差

2.2　模擬隨動(dòng)模式

為研究系統(tǒng)隨動(dòng)特性，對(duì)如下兩種工況進(jìn)行仿真： ① 70 kN恒定大負(fù)載下的最大隨動(dòng)速度，要求運(yùn)行平穩(wěn)，避免高速?zèng)_擊； ② 負(fù)載自700 N開始逐漸減小，獲取活塞桿停止運(yùn)動(dòng)時(shí)的最小載荷，即可得到促動(dòng)器故障隨動(dòng)的最小隨動(dòng)啟動(dòng)拉力。

1) 70 kN恒定大負(fù)載隨動(dòng)

設(shè)置負(fù)載為70 kN，模擬促動(dòng)器受大負(fù)載；斷開液控單向閥和液壓缸的連接，模擬供油故障；設(shè)置兩通電磁閥6、7的輸入飽和值為1，使有桿腔、無桿腔及回油路連通；活塞桿初始位置為0.42 m，仿真得到位移和速度曲線如圖4所示。

由圖4可知，在大負(fù)載作用下，促動(dòng)器通過節(jié)流閥的節(jié)流調(diào)速，以30 mm/s左右的速度從0.42 m運(yùn)行到極限位置1.237 m。受液阻及摩擦力等因素影響，速度存在較小波動(dòng)，但未出現(xiàn)高速?zèng)_擊，滿足活塞桿可平穩(wěn)隨動(dòng)使用需求。

圖4　大負(fù)載隨動(dòng)時(shí)活塞桿位移及速度

2) 700 N以下變化小負(fù)載隨動(dòng)

在小負(fù)載隨動(dòng)時(shí)，需要考慮摩擦力的影響，但在實(shí)際工作中，負(fù)載與摩擦力均為變量且變化范圍及變化趨勢(shì)均不確定。為此，對(duì)負(fù)載及摩擦力采用估算值。設(shè)置負(fù)載變化滿足F=-0.47t+700，液壓缸摩擦力滿足f=-0.1t+150，t為時(shí)間。仿真時(shí)間為1 400 s，初始位置為0.1 m。對(duì)應(yīng)的位移、速度和負(fù)載變化如圖5所示。

圖5　小負(fù)載隨動(dòng)時(shí)活塞桿位移、速度及負(fù)載變化

圖5表明，在700 N以下變化小負(fù)載作用下，促動(dòng)器活塞桿可以實(shí)現(xiàn)靈活隨動(dòng)，活塞桿停止運(yùn)動(dòng)時(shí)的最小載荷約為180 N，即可得到促動(dòng)器故障隨動(dòng)的最小隨動(dòng)啟動(dòng)拉力約為180 N。

3　試驗(yàn)研究

試驗(yàn)樣機(jī)根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖搭建而成，為一體式結(jié)構(gòu)，液壓缸與液壓動(dòng)力系統(tǒng)間可實(shí)現(xiàn)快速分離。各閥體安裝在閥塊上，節(jié)約空間、便于維修。促動(dòng)器僅有進(jìn)、回油兩硬管連接，避免管道過多增大漏油點(diǎn)及軟管老化。整機(jī)重量不超過120 kg，便于運(yùn)輸和拆換，圖6是試驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖。其中，密封件、齒輪泵、液壓閥采用可靠性好、壽命長(zhǎng)且市場(chǎng)占有率高的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。位移傳感器為絕對(duì)式非接觸磁致伸縮傳感器，可以靈活設(shè)置零點(diǎn)，不需重新標(biāo)定。步進(jìn)電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為成熟的配套產(chǎn)品。控制器為促動(dòng)器專用控制器，內(nèi)置光電轉(zhuǎn)換模塊。

圖6　樣機(jī)實(shí)物圖

負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)分為定載荷和變載荷兩種，如圖7所示。圖7a為70 kN定載荷試驗(yàn)臺(tái)，由焊接架、定滑輪和重物組成，重物重力即為促動(dòng)器活塞桿所受拉力。圖7b為變載荷試驗(yàn)臺(tái)，由焊接架、兩個(gè)定滑輪、一個(gè)動(dòng)滑輪及重物組成，通過改變定滑輪、動(dòng)滑輪以及固定端的夾角改變促動(dòng)器所受拉力。

圖7　負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)

3.1　跟蹤試驗(yàn)

圖8是促動(dòng)器變載荷跟蹤的試驗(yàn)結(jié)果。圖8a是由測(cè)試軟件直接得到的位移和速度曲線，圖8b是對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)分析得到的位置誤差曲線，最大誤差為200 μm。與圖3對(duì)比可知，試驗(yàn)位移、速度及誤差整體趨勢(shì)與仿真一致，但齒輪泵換向時(shí)(對(duì)應(yīng)于仿真的II、III處)的速度跳動(dòng)以及促動(dòng)器的整體誤差較仿真結(jié)果偏大，這主要受到鋼絲繩彈性、位移傳感器精度以及滑輪摩擦力等因素影響。同時(shí)，速度曲線出現(xiàn)了細(xì)微的“毛刺”，經(jīng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)分析，該現(xiàn)象為重物與試驗(yàn)臺(tái)刮蹭所致。

圖8　變載荷跟蹤時(shí)活塞桿位移、速度及位置誤差

3.2　隨動(dòng)試驗(yàn)

1) 70 kN恒定大負(fù)載隨動(dòng)

圖9為促動(dòng)器在70 kN恒定大負(fù)載下的位移和速度。從中可以看出，活塞桿可以實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)，存在速度較小波動(dòng)現(xiàn)象，未出現(xiàn)高速?zèng)_擊，隨動(dòng)速度約為30 mm/s，以上試驗(yàn)結(jié)果與圖4仿真方法一致。

圖9　大負(fù)載隨動(dòng)時(shí)活塞桿位移及速度

2) 700 N以下變化小負(fù)載隨動(dòng)

圖10為700 N以下小負(fù)載隨動(dòng)時(shí)活塞桿位移、速度及負(fù)載曲線。圖10a表明：在1 280 s內(nèi)，促動(dòng)器活塞桿在負(fù)載作用下從0.1 m伸長(zhǎng)到0.52 m； 速度從1 mm/s 逐漸減小到0，整體呈線性減小趨勢(shì)；由圖10b可知，負(fù)載從680 N減小到160 N，變化范圍整體趨于線性,但局部負(fù)載在小范圍內(nèi)波動(dòng)，這主要因?yàn)樵囼?yàn)用拉力傳感器靈敏度有限，使得讀數(shù)出現(xiàn)“四舍五入”的情況。由于液阻、活塞桿自重及摩擦力等原因，負(fù)載減小到160 N后就不再減小，由此可得到促動(dòng)器最小隨動(dòng)拉力為160 N。與圖5比較可知，鑒于摩擦力、液阻等參數(shù)的差別，具體性能參數(shù)結(jié)果略有不同，但樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與仿真方法變化趨勢(shì)一致，可定性預(yù)知系統(tǒng)特性。

圖10　小負(fù)載隨動(dòng)時(shí)活塞桿位移、速度及負(fù)載變化

4　結(jié)論

根據(jù)FAST望遠(yuǎn)鏡對(duì)主動(dòng)反射面變形驅(qū)動(dòng)的要求，介紹了一種液壓促動(dòng)器方案。通過AMESim軟件建立了該液壓系統(tǒng)的仿真模型，分析了在促動(dòng)器跟蹤和隨動(dòng)兩主要模式下的性能參數(shù)。通過搭建的試驗(yàn)樣機(jī)和負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)并得到了相關(guān)實(shí)測(cè)參數(shù)。結(jié)果表明：液壓促動(dòng)器方案設(shè)計(jì)合理，試驗(yàn)樣機(jī)具有良好的軌跡跟蹤能力及故障隨動(dòng)功能，可以滿足FAST工程需求。通過AMESim仿真，可以在樣機(jī)開發(fā)前得到大量設(shè)計(jì)參數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率。由于結(jié)構(gòu)和成本問題，不可能對(duì)促動(dòng)器所有參數(shù)均安裝傳感器進(jìn)行測(cè)量，仿真卻可以方便得到，這為預(yù)知研制產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能提供了有效方法。

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