智能雙向勻速液壓滑移系統(tǒng)的設(shè)計*

□ 張俊杰 □周惠興 □劉天宇 □車學(xué)娜

1.北京建筑大學(xué) 北京市建筑安全檢測工程技術(shù)研究中心 北京 100044 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 北京 100083

1 設(shè)計背景

整體式超大廠房在安裝時,需要解決大跨度鋼結(jié)構(gòu)件安裝中的精度及人員安全問題,生產(chǎn)設(shè)備的移動和安裝也需要解決定位精度的問題[1]。液壓傳動系統(tǒng)經(jīng)充分發(fā)展,已衍生出不同形式。面對超大廠房施工及橋梁建設(shè)過程中遇到的物料質(zhì)量過大,人力難以運(yùn)輸問題,由于施工技術(shù)原因不能采用大型機(jī)械運(yùn)輸,液壓滑移系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[2]。利用液壓元件對物體進(jìn)行牽引、推拉,使物體產(chǎn)生線性位移,從而完成高難度的運(yùn)輸,使工廠整體廠房的建設(shè)更加簡便,設(shè)備的移動與定位更加精準(zhǔn)[3]。液壓滑移系統(tǒng)適用于現(xiàn)代工程中大型構(gòu)件的平移安裝,具有自重輕、承載能力強(qiáng)、安全可靠等優(yōu)點[4-5]。

目前的液壓滑移系統(tǒng)大多采用區(qū)域組裝設(shè)計,分為前中后三部分,依次與被滑移構(gòu)件、液壓缸、卡緊裝置相連接[6]?？ňo裝置通過小型液壓缸頂緊,為頂推滑移過程提供反力支點,具有單向鎖定功能。被滑移構(gòu)件一般為頂推或吊裝裝置,用于與移動對象相連。液壓缸作為主驅(qū)動部件，用于提供驅(qū)動力[7]。當(dāng)主液壓缸開始伸出時,卡緊裝置工作,自動夾緊鋼軌側(cè)表面,提供反力支點。當(dāng)主液壓缸開始縮回時,卡緊裝置停止工作,自動放松鋼軌側(cè)表面,并沿鋼軌以與主液壓缸縮回相同的方向移動,之后重復(fù)以上滑移過程[8]。

這種單液壓缸滑移設(shè)備存在一些缺陷,從運(yùn)輸效率看,液壓缸只在伸出過程中帶動物體做功,而在縮回過程中,并不會帶動物體一同滑移,因此整個滑移過程中的實際效率不高。

從運(yùn)輸安全性分析,單液壓缸在運(yùn)動開始或達(dá)到最大行程返回時，會產(chǎn)生速度突變,此時存在較大的剛性沖擊[9]。液壓缸與被滑移構(gòu)件之間是剛性連接,所以被移動對象同樣會受到剛性沖擊的作用,這樣運(yùn)輸?shù)陌踩噪y以保證。

從能源消耗的角度看,在液壓缸最大行程的兩個端點上,液壓缸每次都要克服被滑移構(gòu)件與軌道間靜摩擦力到動摩擦力的轉(zhuǎn)變,這樣會產(chǎn)生大量能量損失,造成能源浪費[10]。

對此,筆者設(shè)計一種新型智能雙向勻速液壓滑移系統(tǒng)。

2 運(yùn)動原理

智能雙向勻速液壓滑移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)為對稱分布,由一條滑移軌道、兩個夾軌反力支座、兩個液壓缸與一個被滑移構(gòu)件組成。夾軌反力支座可與滑移軌道實現(xiàn)抱閘夾緊，從而固定自身位置。在開閘松開后,夾軌反力支座在液壓缸的推拉力作用下沿軌道滑移。液壓缸主要實現(xiàn)運(yùn)動和力的輸出,被滑移構(gòu)件承擔(dān)連接被滑移物體,以及傳遞運(yùn)動和力的作用。

▲圖1 智能雙向勻速液壓滑移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能雙向勻速液壓滑移系統(tǒng)一個周期內(nèi)的工作過程可分三個環(huán)節(jié),滑移方向向右，各環(huán)節(jié)的系統(tǒng)運(yùn)動狀態(tài)如圖2所示。

▲圖2 智能雙向勻速液壓滑移系統(tǒng)運(yùn)動狀態(tài)

在滑移運(yùn)動開始之前,夾軌反力支座1與滑移軌道夾緊,兩液壓缸伸縮桿同時伸出,推動被滑移構(gòu)件與夾軌反力支座2沿滑移軌道滑移。此時，夾軌反力支座2的運(yùn)動速度是被滑移構(gòu)件的兩倍。

當(dāng)兩液壓缸伸縮桿伸出至指定位置后,夾軌反力支座2與滑移軌道夾緊,夾軌反力支座1與滑移軌道松開,兩液壓缸伸縮桿同時縮回,拉動被滑移構(gòu)件與夾軌反力支座1沿滑移軌道繼續(xù)滑移。此時，夾軌反力支座1的運(yùn)動速度是被滑移構(gòu)件的兩倍。

當(dāng)兩液壓缸伸縮桿縮回至指定位置后,夾軌反力支座1再次與滑移軌道夾緊,夾軌反力支座2與滑移軌道松開,系統(tǒng)回到最初狀態(tài)。之后，只需循環(huán)各步驟，即可實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)滑移運(yùn)動過程,滑移速度與滑移距離的控制通過調(diào)整兩液壓缸伸縮桿的運(yùn)動速度與推拉距離來實現(xiàn)。

3 液壓缸選型

在系統(tǒng)滑移過程中,處于夾緊狀態(tài)的夾軌反力支座受到滑移軌道接觸面的靜摩擦力,被滑移構(gòu)件與處于松開狀態(tài)的夾軌反力支座受到滑移軌道接觸面的滑動摩擦力。由于系統(tǒng)處于勻速運(yùn)動狀態(tài),由此靜摩擦力等于兩動摩擦力之和。

由于結(jié)構(gòu)限制,液壓缸與被滑移構(gòu)件之間的豎直夾角α一般為π/4～π/2。將液壓缸作用力F沿平行滑移軌道方向和垂直滑移軌道方向分解,可得:

(1)

分析液壓缸伸出時的滑移過程,在推力側(cè)有:

(N-Fcosα)μ=Fsinα

(2)

式中：μ為系統(tǒng)運(yùn)動過程中被滑移構(gòu)件與滑移軌道之間的靜摩擦因數(shù),μ=0.15；N為被滑移構(gòu)件最大負(fù)載產(chǎn)生的重力,N=980 kN。

推力Ft為：

(3)

Ft在α為π/4～π/2時隨α變化的曲線如圖3所示,當(dāng)α為π/4時,推力最大值Ftmax為180 kN。

分析液壓缸縮回時的滑移過程,在拉力側(cè)有:

(N+Fcosα)μ=Fsinα

(4)

拉力Fl為:

(5)

Fl在α為π/4～π/2時隨α變化的曲線如圖4所示。當(dāng)α為π/4時,拉力最大值Flmax為250 kN。

根據(jù)液壓缸推拉力要求,選用HSGL01-180/dE型液壓缸，其具體參數(shù)為公稱壓力16 MPa、缸徑180 mm、桿徑125 mm、最大行程2 150 mm、最小行程45 mm、最大推力407.159 kN、最大拉力281.500 kN。

▲圖3 Ft隨α變化曲線▲圖4 Fl隨α變化曲線

4 夾軌反力支座設(shè)計

夾軌反力支座的主要作用是通過對滑移軌道施加壓力P來獲得足夠大的摩擦力fk，作為臨時支點為液壓缸的運(yùn)動提供反力，工作原理如圖5所示。

▲圖5 夾軌反力支座工作原理

筆者在夾軌反力支座中采用液壓式卡緊裝置,由小型液壓缸提供推力,經(jīng)過楔塊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為對軌道表面的壓力,進(jìn)而產(chǎn)生卡緊所需的摩擦力。

在工作過程中,卡緊裝置主要受到來自液壓缸的作用力。液壓缸作用力與對應(yīng)時刻主體所受作用力大小相同,方向相反。為保證卡緊裝置的可靠性與工作的穩(wěn)定性,同時為使卡緊裝置可以在一定范圍內(nèi)過載,作用力取液壓缸在運(yùn)動過程中最大力從水平方向進(jìn)行加載。液壓缸作用力為F，其反作用力為Fgas。在推力側(cè)有Ftmax=F=180 kN,在拉力側(cè)有Flmax=F=250 kN。取兩側(cè)液壓缸作用力最大值,方向為沿水平方向，因此,夾軌反力支座需要提供的摩擦力fk=Flmax=250 kN。選擇鋼作為楔塊材料,則軌道對楔塊的支持力Nl為1.67×103kN。

在楔塊到達(dá)極限位置后,楔塊與裝置主體相對靜止,兩部分僅通過楔塊的斜面相接觸。因此,裝置主體作用力Fz與楔塊反作用力Fq均作用在垂直于接觸面的方向上。裝置主體對楔塊作用力的豎直分力由滑移軌道對楔塊的支持力抵消,滑移軌道與楔塊間的相互作用力產(chǎn)生阻礙卡緊裝置滑動的摩擦力。裝置主體對楔塊作用力的水平分力由卡緊液壓缸來抵消,整個裝置處于平衡狀態(tài)?？ňo裝置受力如圖6所示。

▲圖6 卡緊裝置受力

根據(jù)受力分析，可得出Fgas與傾角β和主體作用力Fz的關(guān)系為:

Fgas=Fzsinβ

(6)

N1與傾角β和主體作用力Fz的關(guān)系為:

N1=Fzcosβ

(7)

結(jié)合式(6)與式(7),可得到Fgas與傾角β和N1的關(guān)系為:

Fgas=N1sinβ/cosβ=N1tanβ

(8)

將N1=1.67×103kN代入式(8),得到Fgas與傾角β的關(guān)系為:

Fgas=1.67×103tanβ

(9)

傾角β越小,Fgas越小,但同時也會導(dǎo)致卡緊行程越長，傾角β取10°時最為合適。

5 液壓控制回路設(shè)計

智能雙向勻速液壓滑移系統(tǒng)的液壓控制回路如圖7所示,圖左側(cè)的兩個液壓缸為滑移液壓缸,圖右側(cè)的兩個液壓缸為夾軌液壓缸?；芈分惺褂盟膫€兩位四通電磁換向閥、兩個兩位三通電磁換向閥與四個流量控制閥。

▲圖7 液壓控制回路

當(dāng)推力側(cè)液壓缸工作時,觸點開關(guān)Y1閉合,推力側(cè)卡緊，此時拉力側(cè)卡緊液壓缸和拉力液壓缸處于伸出狀態(tài)。當(dāng)推力側(cè)液壓缸即將到達(dá)極限位置時,觸發(fā)觸點開關(guān)Y2,所有換向閥改變通路,拉力側(cè)液壓缸開始縮回,同時推力側(cè)卡緊液壓缸縮回,推力側(cè)卡緊裝置處于放松狀態(tài),推力液壓缸快速縮回。當(dāng)拉力液壓缸觸發(fā)觸點開關(guān)Y1時,所有換向閥再次改變通路,拉力側(cè)卡緊液壓缸伸出，拉力側(cè)卡緊裝置松開,拉力液壓缸快速伸出,同時推力側(cè)卡緊裝置卡緊。

6 雙液壓缸控制策略

為使整個系統(tǒng)實現(xiàn)快速響應(yīng)及精確運(yùn)動,應(yīng)對運(yùn)動元件雙液壓缸進(jìn)行協(xié)同控制。筆者采用多環(huán)模糊比例積分微分控制策略[11],對液壓缸比例閥開合角度、液壓缸推拉速度、液壓缸位移量分別進(jìn)行控制,再對各分控制量進(jìn)行整合，以輸出控制兩個液壓缸的節(jié)流閥開合度。

在設(shè)計模糊控制器的過程中,每種語言值的隸屬度函數(shù)形狀對控制性能有很大影響[12]。當(dāng)隸屬度函數(shù)具有尖銳的形狀時,模糊子集的分辨率高,并且控制靈敏度也高。當(dāng)隸屬度函數(shù)相對平坦時,控制特性越平滑,系統(tǒng)穩(wěn)定性越好。基于上述原因,在設(shè)計模糊控制器時,應(yīng)在較小的誤差區(qū)間內(nèi)提高量化水平,或提高隸屬度函數(shù)的分辨率,且在較大的誤差區(qū)間內(nèi)適當(dāng)降低量化水平，或降低誤差水平，隸屬度函數(shù)應(yīng)設(shè)置較低的分辨率，這樣可以有效改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性,增強(qiáng)抗干擾能力。結(jié)合經(jīng)驗,輸入偏差e、偏差變化量ec、Kp調(diào)節(jié)量ΔKp、Ki調(diào)節(jié)量ΔKi,Kd調(diào)節(jié)量ΔKd五個變量的隸屬度函數(shù)設(shè)計如圖8所示。圖8中，NB表示負(fù)大，NM表示負(fù)中，NS表示負(fù)小，Z表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。

▲圖8 隸屬度函數(shù)設(shè)計

對于不同的e和ec,應(yīng)根據(jù)以下原則設(shè)置比例調(diào)節(jié)因數(shù)Kp、積分調(diào)節(jié)因數(shù)Ki和微分調(diào)節(jié)因數(shù)Kd：

(1) 當(dāng)e較大時,為了使系統(tǒng)跟蹤性能更好,應(yīng)設(shè)置相對較大的Kp和相對較小的Kd,并且為了避免系統(tǒng)響應(yīng)過大,通常應(yīng)限制積分作用，將Ki設(shè)為零；

(2) 當(dāng)e和ec大小適中時,為了減小系統(tǒng)過沖,Kp應(yīng)該相對較小,并且Kd也應(yīng)該相對較小,因為Kd對系統(tǒng)的影響更大，同時Ki應(yīng)該適中；

(3) 當(dāng)e較小時,為了使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性,應(yīng)將Kp和Ki都設(shè)置為較大，同時,為了避免系統(tǒng)長時間振蕩，并增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力,當(dāng)ec較大時,Kd應(yīng)較小,當(dāng)ec較小時,Kd應(yīng)較大。

筆者選擇誤差和誤差變化率作為模糊比例積分微分控制器的輸入,每個輸入選擇七個語言變量,總共可以提取49條模糊邏輯規(guī)則,見表1～表3。

表1 ΔKp模糊邏輯規(guī)則

表2 ΔKi模糊邏輯規(guī)則

液壓缸比例閥開合角度控制框圖如圖9所示。將比例閥開合角度控制目標(biāo)值與當(dāng)前狀態(tài)值的差值,以及差值的倒數(shù)——比例閥開合角速度一同導(dǎo)入模糊控制器,輸出比例、微分參數(shù)的調(diào)整值,然后將調(diào)整值與設(shè)定好的比例、微分參數(shù)初值相加,得到比例、微分參數(shù)的輸出值。再將比例、微分參數(shù)的輸出值作為權(quán)重，分別附在比例閥開合角度與比例閥開合角速度上,一同導(dǎo)入比例閥開合角度控制子系統(tǒng),得到比例閥開合角度的輸出值。圖9中，Kp0、Kd0分別為Kp與Kd的初始值。

表3 ΔKd模糊邏輯規(guī)則

通過類似方法,可以繪制出液壓缸速度控制框圖和液壓缸位移控制框圖，分別如圖10、圖11所示。

▲圖9 比例閥開合角度控制框圖▲圖10 液壓缸速度控制框圖▲圖11 液壓缸位移控制框圖

對三個閉環(huán)控制的輸出量進(jìn)行整合,得到控制兩個液壓缸的節(jié)流閥輸出信息，繪制雙液壓缸輸出控制總框圖，如圖12所示。

7 仿真結(jié)果

通過Inventor軟件中的仿真平臺對筆者設(shè)計的智能雙向勻速液壓滑移系統(tǒng)進(jìn)行仿真,如圖13所示。

將通過計算得到的各類參數(shù)導(dǎo)入模型，將仿真環(huán)境設(shè)為工廠,使系統(tǒng)攜帶負(fù)載進(jìn)行滑移運(yùn)動,實現(xiàn)連續(xù)不間斷滑移運(yùn)動,并且位移偏差在10 mm之內(nèi),速度偏差在3 mm/s之內(nèi),可以很好地滿足工廠安裝與設(shè)備移動的需求[13]。

▲圖12 雙液壓缸輸出控制總框圖

▲圖13 智能雙向勻速液壓滑移系統(tǒng)仿真

8 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種新型智能雙向勻速液壓滑移系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)液壓滑移系統(tǒng)，具有更高的效率、更少的能耗，以及雙向勻速運(yùn)輸能力,能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)液壓頂推系統(tǒng)的不足，適宜推廣。