鍛造機(jī)械臂負(fù)載感應(yīng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真研究

李永強(qiáng) 張繼忠 姜媛媛

摘要：針對傳統(tǒng)鍛造機(jī)械臂液壓系統(tǒng)存在的能量浪費(fèi)問題，本文以變量泵代替定量泵作為動(dòng)力輸出元件的液壓系統(tǒng)，通過負(fù)載感應(yīng)反饋控制方法，使液壓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，調(diào)節(jié)變量泵的輸出壓力和流量，達(dá)到節(jié)能減耗的目的，并加入壓力補(bǔ)償器以保證系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定。通過理論計(jì)算和仿真結(jié)果表明，該液壓系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)液壓機(jī)械臂的基本動(dòng)作要求，而且在不同外負(fù)載壓力變化下，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)變量泵的輸出壓力，使回路中的最高壓力和液壓系統(tǒng)輸出壓力的壓差保持在設(shè)定值24 MPa左右，而且外負(fù)載壓力的變化，不會(huì)影響液壓回路中的流量。該液壓系統(tǒng)有效的減少了能源損耗，對工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：變量泵; 負(fù)載感應(yīng); 閥后補(bǔ)償; 節(jié)能

中圖分類號： TP241.2??文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

收稿日期： 20200403; 修回日期： 20200520

作者簡介：李永強(qiáng)（1994），男，山東日照人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

通信作者：張繼忠（1964），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)。Email： zjzqdu@163.com

鍛造是制造業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用的一種加工工藝，而液壓驅(qū)動(dòng)在工程機(jī)械領(lǐng)域一直以來都被廣泛應(yīng)用[1]。對于負(fù)載感應(yīng)液壓系統(tǒng)方向的研究，國內(nèi)外研究側(cè)重點(diǎn)不同，國內(nèi)的研究者著力于系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，能源利用率被廣泛關(guān)注，對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行理論研究[23]。在動(dòng)態(tài)特性研究方面，主要是分析管路、柱塞泵等液壓元件的參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性變化。同時(shí)，結(jié)合機(jī)械設(shè)備的特點(diǎn)及工作環(huán)境、工作狀態(tài)的不同，對負(fù)載感應(yīng)液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究分析[4]，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性;國外研究的側(cè)重點(diǎn)是生產(chǎn)設(shè)備的工作可靠性、安全性、高效節(jié)能性等方面[5]，通過提高壓力的利用效率，達(dá)到節(jié)約能源減少損耗的目的[6]。傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)采用定量泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力裝置[7]，但在鍛造過程中的空載或不同負(fù)載工作狀態(tài)下，定量泵作為動(dòng)力裝置只能輸出最大負(fù)載壓力下的預(yù)設(shè)流量和壓力[89]，因此會(huì)造成大量的能量損耗。同時(shí)，在液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，液壓調(diào)速回路存在一定的能量損耗和效率低的問題[10]。由于液壓系統(tǒng)的輸出壓力和負(fù)載壓力相對應(yīng)，所以采用負(fù)載信號反饋于變量泵的方法[1112]，負(fù)載的變化信號能夠反饋給液壓系統(tǒng)，進(jìn)而控制泵的工作狀態(tài)，輸出負(fù)載所需壓力值的油液[13]。該系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載的變化控制變量泵輸出相應(yīng)的穩(wěn)定流量，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能目的。另外，負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)還具有精確控制和恒流控制的優(yōu)越特點(diǎn)[1415]，在液壓系統(tǒng)中，壓力和流量是主要的研究指標(biāo)，負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)也是通過研究壓力變換來實(shí)現(xiàn)[1617]，液壓系統(tǒng)壓力輸出跟隨負(fù)載壓力變化的穩(wěn)定性和可靠性是研究的重點(diǎn)[18]。因此，本文以自主設(shè)計(jì)的鍛造機(jī)械臂液壓系統(tǒng)為研究對象，用變量柱塞泵代替定量泵作為動(dòng)力輸出元件，并建立相應(yīng)的負(fù)載感應(yīng)控制系統(tǒng)[1920]，使整個(gè)液壓系統(tǒng)可以根據(jù)液壓回路中的最高壓力，自動(dòng)調(diào)節(jié)變量泵的輸出壓力，達(dá)到節(jié)能的目的。該研究為負(fù)載感應(yīng)控制在工程中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1?多工況液壓缸外負(fù)載力計(jì)算分析

本文主要研究負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)在鍛造機(jī)械臂液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用性能，因此只選取負(fù)載力變化大的升降和伸縮系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載感應(yīng)液壓系統(tǒng)的仿真研究。由于升降系統(tǒng)負(fù)載較大，運(yùn)行過程系統(tǒng)平穩(wěn)性要求較高，以升降系統(tǒng)為例，分析了升降液壓缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，詳細(xì)計(jì)算了升降液壓缸在各工況狀態(tài)下所受外負(fù)載力。

1）?工作負(fù)載。相關(guān)部件的質(zhì)量可在三維軟件測算，得到升降缸在機(jī)械臂抓取工件后承受最大工作載荷為

G總=7306 N

2）?慣性載荷Fa。Fa=m總（δv/δt）=1864 N。其中，δv=005 m/s，δt=02 s。

3）?摩擦力Ff。由各部件重心到回轉(zhuǎn)中心軸線的距離，計(jì)算升降缸總負(fù)載重心位置到升降缸回轉(zhuǎn)軸線的位置為

L=∑10i=1Gili/G總

升降液壓缸的質(zhì)量作用于承重臺，由4根導(dǎo)柱承擔(dān)支承，升降液壓缸受力分析圖如圖1所示。

對圖1進(jìn)行受力分析，由受力平衡的原理得到平衡公式為

G總L=FR1h∑M=0， Ff=2μFR1FR1=FR2

式中，L是鍛件到機(jī)械臂軸心的距離;FR1和FR2表示導(dǎo)筒所受壓力;h為導(dǎo)筒的長度。

由于升降手臂在重力的作用下會(huì)有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢，因此有

FR1=FR2=G總Lh

升降立柱連接處選用直線軸承LMF50UU為連接件，其中μ=0012 8，h=100 mm。通過以上公式計(jì)算得機(jī)械臂負(fù)載狀態(tài)下摩擦阻力Ff1≈30191 N;在空載工作狀態(tài)上升時(shí)，摩擦阻力Ff2≈13958 N。

4）?密封處摩擦阻力Fm。本設(shè)計(jì)中液壓缸采用O型密封。當(dāng)液壓缸的工作壓力小于10 MPa時(shí)，液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似的計(jì)算為Fm=003 F。

取ηm=095，計(jì)算1）～4）部分，得到抓取鍛件上升時(shí)液壓缸所受外負(fù)載力即啟動(dòng)加速時(shí)，液壓缸所受外負(fù)載力為

F1=Fg+Ff+Fa+Fmηm=8 47208 N

穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓缸所受外負(fù)載力為

F1=Fg+Ff+Fmηm=8 26946 N

減速制動(dòng)時(shí)，液壓缸所受外負(fù)載力為

F1=Fg+Ff-Fa+Fmηm=7 9413 N

2?鍛造機(jī)械臂負(fù)載感應(yīng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的鍛造機(jī)械臂采用定量泵作為動(dòng)力輸出元件，只能輸出整個(gè)液壓回路中最高壓力流量，當(dāng)系統(tǒng)空載或者低負(fù)載工作時(shí)，過多的壓力輸出，導(dǎo)致相應(yīng)的能量浪費(fèi)。分析液壓基本回路的工作原理與特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)械臂的工作狀態(tài)和工作環(huán)境，確定機(jī)械臂的動(dòng)作要求，從而設(shè)計(jì)出該液壓系統(tǒng)原理圖，局部液壓原理圖如圖2所示。

考慮到該機(jī)械臂伸縮時(shí)不同的速度要求，對機(jī)械臂伸縮液壓回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了適應(yīng)不同速度的要求，同時(shí)考慮到負(fù)載感應(yīng)的工作機(jī)制，而且回油節(jié)流調(diào)速中活塞的運(yùn)動(dòng)速度受到負(fù)載的影響較小，所以加入回油節(jié)流調(diào)速回路，來控制伸縮液壓回路，以適應(yīng)不同的速度負(fù)載特性?；赜凸?jié)流調(diào)速回路液壓油通過節(jié)流閥后，由于和油箱直接相通的原因，不會(huì)出現(xiàn)密封等方面問題。

手臂升降系統(tǒng)負(fù)載較大，運(yùn)行過程系統(tǒng)平穩(wěn)性要求較高。加入平衡閥可以讓執(zhí)行元件在回油路處具有一定背壓值，以平衡負(fù)載壓力，由于平衡閥的原因，防止了機(jī)械臂因自重出現(xiàn)下滑的危險(xiǎn)狀況，增加了穩(wěn)定性和可靠性。鍛造機(jī)械臂一般是連續(xù)且持久的工作，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)沒有自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)需要輸出較大功率時(shí)，系統(tǒng)中的能量損失會(huì)很大。針對這一問題，通過用變量泵代替定量泵作為動(dòng)力輸出元件的方案，采用負(fù)載感應(yīng)液壓系統(tǒng)作為鍛造機(jī)械臂的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

3?鍛造機(jī)械臂負(fù)載感應(yīng)液壓系統(tǒng)的AMESim仿真分析

3.1?負(fù)載感應(yīng)液壓系統(tǒng)的AMESim建模

通過軟件中的Hydraulic Component Design庫，搭建負(fù)載敏感閥和流量控制閥，設(shè)置節(jié)流閥的開度，控制系統(tǒng)流量的大小，進(jìn)而模擬系統(tǒng)的流量壓力特性變化，得到各元件相應(yīng)的數(shù)據(jù)及參數(shù)曲線，閥后補(bǔ)償負(fù)載感應(yīng)液壓系統(tǒng)模型如圖3所示。

根據(jù)實(shí)際液壓缸選型和前面計(jì)算的外負(fù)載力大小，設(shè)置2個(gè)液壓缸參數(shù)，設(shè)定液壓系統(tǒng)中其他重要元件的參數(shù)，液壓泵的泵排量為42 mL/r。斜盤擺角調(diào)節(jié)閥、負(fù)載敏感閥和壓力補(bǔ)償閥參數(shù)如表1所示。

3.2?負(fù)載感應(yīng)液壓系統(tǒng)的AMESim仿真

負(fù)載感應(yīng)液壓系統(tǒng)采用AMESim進(jìn)行仿真分析，仿真時(shí)間為42 s。首先驗(yàn)證該液壓系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)給定的動(dòng)作要求，伸縮液壓缸和升降液壓缸的速度與位移曲線如圖4和圖5所示。

由圖4可以看出，伸縮缸伸出的速度為0050 4 m/s，回縮的速度為0100 7 m/s，滿足系統(tǒng)要求的慢速伸出快速回縮的要求;伸縮缸經(jīng)過8 s伸出了04 m，經(jīng)過4 s回縮了04 m，滿足伸縮系統(tǒng)的位移要求;由圖5可以看出，升降液壓缸伸出速度為0048 m/s，回縮速度為0054 m/s，滿足該動(dòng)作速度要求。機(jī)械臂先伸出005 m，再回縮02 m，最后伸出015 m回到初始位置，整個(gè)節(jié)拍滿足要求。

通過仿真，得到伸縮系統(tǒng)和升降系統(tǒng)的回路壓力與系統(tǒng)輸出壓力比較圖。伸縮缸壓力曲線和系統(tǒng)輸出壓力曲線比較如圖6所示，升降缸壓力曲線和系統(tǒng)輸出壓力曲線比較如圖7所示。

由圖6可以看出，當(dāng)伸縮液壓缸在12～20 s做伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸縮回路最高壓力為1679 MPa，此時(shí)液壓系統(tǒng)的輸出壓力為4009 MPa，壓力差為2330 MPa。在25～29 s做回縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸縮回路最高壓力為0498 MPa，液壓系統(tǒng)的輸出壓力為2853 MPa，壓力差為2355 MPa。本文設(shè)定的壓力差為24 MPa，由于液壓系統(tǒng)存在泄露，故符合設(shè)計(jì)要求。

由圖7可以看出，升降液壓缸在1～2 s做上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，升降回路最高壓力為2257 MPa，此時(shí)液壓系統(tǒng)的輸出壓力為4531 MPa，壓力差為2274 MPa。在21～25 s做回縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，升降回路最高壓力為1467 MPa，液壓系統(tǒng)的輸出壓力為3803 MPa，壓力差為2336 MPa。在39～42 s做上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，升降回路最高壓力為0141 MPa，系統(tǒng)的輸出壓力為2509 MPa，壓力差為2368 MPa，升降液壓回路的壓力差基本維持在本文設(shè)定的壓力差24 MPa左右的要求。

在工作過程中，機(jī)械臂需要良好的穩(wěn)定性，通過分析負(fù)載變化曲線和液壓缸的流量曲線對比圖，驗(yàn)證負(fù)載力的變化對液壓系統(tǒng)回路的流量是否產(chǎn)生影響，伸縮缸流量曲線與外負(fù)載力變化曲線比較如圖8所示，升降缸流量曲線與外負(fù)載力變化曲線比較如圖9所示。由于流量方向的改變受電磁換向閥的控制，執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)的要求，決定了流量的大小受節(jié)流閥調(diào)節(jié)。

由圖8和圖9可以看出，當(dāng)外負(fù)載壓力發(fā)生大幅度變化時(shí)，液壓回路中流量的大小和方向沒有受到影響，因此系統(tǒng)中的流量不會(huì)引起劇烈的波動(dòng)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4?結(jié)束語

針對傳統(tǒng)鍛造機(jī)械臂存在的不足，借鑒工業(yè)生產(chǎn)中其他設(shè)備的液壓控制方法，設(shè)計(jì)了一種負(fù)載感應(yīng)液壓控制系統(tǒng)的機(jī)械臂。為了驗(yàn)證機(jī)械臂的合理性，采用了理論計(jì)算和仿真分析相結(jié)合的方法進(jìn)行了進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。通過AMESim參數(shù)化建模和仿真分析方法，建立了機(jī)械臂負(fù)載感應(yīng)液壓系統(tǒng)的參數(shù)化模型，并進(jìn)行了仿真分析，得到了直觀的仿真數(shù)據(jù)圖形，并基于負(fù)載感應(yīng)液壓系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械臂復(fù)合動(dòng)作的仿真模擬，更能直觀的表現(xiàn)該液壓系統(tǒng)的合理性。該新型液壓系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了原有的動(dòng)作要求，還能使回路壓力與系統(tǒng)輸出壓力的差值基本維持在設(shè)定值左右。新的改進(jìn)設(shè)計(jì)可以提高液壓系統(tǒng)效率，降低能耗，為負(fù)載感應(yīng)控制在工程中的應(yīng)用提供了一定的指導(dǎo)價(jià)值。另外該課題存在較大的提升空間，例如增加機(jī)械臂復(fù)合動(dòng)作，增加馬達(dá)控制回路等進(jìn)行仿真研究。

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Design and Simulation Research of Load Inductive Hydraulic System for Forging Arm

LI Yongqiang， ZHANG Jizhong， JIANG Yuanyuan

（School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract： ??Aiming at the energy waste problem of the traditional forging arm hydraulic system， the variable pump is designed to replace the traditional quantitative pump as the power output element in the hydraulic system. The hydraulic system can automatically control the output pressure and flow rate of the variable pump by the method of load induction feedback control， and the pressure compensator is added to ensure the pressure stability of the system. In this paper， by combining theoretical calculation and simulation analysis， it is found that the hydraulic system can not only realize the basic operation requirements of the traditional hydraulic manipulator， but also automatically adjust the output pressure of the variable pump under different external load pressure changes， so that the difference between the maximum pressure in the loop and the hydraulic system output pressure always keeps at the set value 24 bar unchanged. At the same time， the change of external load pressure will not affect the flow rate in the hydraulic circuit. The hydraulic system can not only fulfill the requirement of work stably， but also achieve the goal of reducing energy waste.

Key words： variable pump; load induction; compensation after valve; energy saving