兩級壓力源的移動機器人高效率液壓系統(tǒng)設計

房德磊，胡瑞彤，張峻霞，李 盼，張遵浩

(天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

“節(jié)能與環(huán)?！笔钱斀袷澜绨l(fā)展的主題，我國把節(jié)能高效作為國家經(jīng)濟發(fā)展的重要目標之一[1-3].隨著制造技術、電子技術以及控制技術的飛速發(fā)展，液壓系統(tǒng)已經(jīng)在移動機器人中廣泛應用，然而驅動效率低、能量消耗大等問題始終困擾這類系統(tǒng)[4-5].

對于移動機器人，系統(tǒng)效率低下會引起諸多問題[6-7].首先，效率低下會導致系統(tǒng)能量消耗大，在同等能量儲備情況下，系統(tǒng)輸出有用功減少，直接影響機器人的負載能力與工作范圍.其次，為了彌補浪費的能量，系統(tǒng)需要裝配功率更大的動力源，液壓元件的性能指標與結構參數(shù)相應增大，整個系統(tǒng)質量與體積增大.另外，效率低下導致系統(tǒng)發(fā)熱嚴重，如果散熱不及時，很可能影響機械部件正常運轉.對于移動機器人來說，液壓系統(tǒng)效率將是關乎其廣泛應用與性能提升的關鍵問題[8].

針對液壓系統(tǒng)效率問題，學者們已經(jīng)開展了很多研究工作[9-10].Kogler等[11]應用蓄能器、細長管以及高頻開關閥組件設計液壓變壓器，通過PWM信號控制系統(tǒng)輸出流量與壓力.然而，作為慣性元件，細長管的布置會占用很大空間.同時，由于存在壓力波，細長管內(nèi)回油將影響壓力與流量穩(wěn)定輸出.Ho等[12]利用液壓馬達與飛輪組件構成慣性元件，通過與大容量蓄能器相結合，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)能量的釋放與回收.鑒于重量和體積限制，這種方法只能適用于大型或者固定機械裝備中.以上方法可以一定程度上提高液壓系統(tǒng)效率，但大部分沒有考慮系統(tǒng)體積與重量，因此不利于在小型移動機器人系統(tǒng)中實現(xiàn)與應用.

移動機器人液壓系統(tǒng)大多采用單泵源驅動多執(zhí)行器結構.這種系統(tǒng)效率低下，因為泵源輸出壓力無法與多執(zhí)行器負載匹配，產(chǎn)生很大節(jié)流損失.本文以某型液壓驅動管道機器人為例，基于管道機器人不同液壓缸負載特性，提出一種兩級壓力源液壓系統(tǒng)，通過減小液壓閥節(jié)流損失，提高機器人液壓系統(tǒng)驅動效率.

1 系統(tǒng)構成與驅動方式

某型基于單向鎖止機構的管道機器人主要由三部分構成：機械系統(tǒng)、液壓動力系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng).如圖 1所示，機器人通過前后液壓支撐臂交替鎖止管道，中間伸縮液壓缸往復伸縮實現(xiàn)向前移動.此類型管道機器人設計參數(shù)如下：外徑 84mm，總長度5.2m，最大移動速度 0.15m/s，最大牽引力 8000N，適應管徑 106～220mm.管道機器人應用在石油水平井開發(fā)維護領域，機器人前端安裝井下作業(yè)工具及檢測儀器，完成各種作業(yè)任務.

圖1 基于單向鎖止機構的管道機器人系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Diagram of the in-pipe robot based on one-way locking mechanism

傳統(tǒng)機器人液壓系統(tǒng)為單級壓力源供能，為保證各執(zhí)行器全部正常工作，系統(tǒng)輸出壓力設定為所有執(zhí)行器中供油壓力最大值.然而，不同液壓缸在不同工作模式所受負載相差較大，即使在同一種工作模式下，液壓缸在不同時刻所受負載也有差別.以修井工況為例，機器人支撐臂 2鎖止管道，伸縮液壓缸活塞伸出，提供修井所需較大推力，修井完成，機器人支撐臂 1鎖止管道，伸縮液壓缸活塞收回，拖拽機器人機體后半段向前.上述過程中，伸縮液壓缸負載變化從-300N到6500N，差異十分明顯，如圖2所示中實線所示.

為保證機器人正常工作，單級壓力源系統(tǒng)壓力必須滿足液壓缸最大峰值負載需求，即 6500N，然而，其他液壓缸不需要這么大輸出壓力，因此系統(tǒng)多余油壓將會在液壓閥處進行節(jié)流.這種節(jié)流引起的能量損失會通過熱量形式向外界散失，不僅降低機器人負載能力與移動范圍，如果散熱不及時，還將影響整個系統(tǒng)運行的可靠性.

圖2 伸縮液壓缸負載特性曲線Fig. 2 Load characteristic of the hydraulic telescopic cylinder

結合管道機器人液壓缸負載變化大、峰值壓力時間短的特點，本研究提出一種新型高效率兩級壓力源液壓系統(tǒng)：利用開關閥和高壓蓄能器構建高壓源，配合低壓泵源系統(tǒng)實現(xiàn)兩級驅動方式，如圖 1所示.液壓系統(tǒng)低壓源對3個液壓缸進行低壓供能，而高壓源儲存能量，隨時準備高壓輔助供能.液壓缸執(zhí)行低壓負載時，開關閥關閉，液壓缸由低壓泵源供能；當液壓缸負載超過預設值，低壓泵源不能滿足所需壓力要求，開關閥打開，液壓缸由高壓源供能.采用兩級壓力源液壓系統(tǒng)，設計低壓泵源，其系統(tǒng)輸出壓力可以低于液壓缸峰值負載所需壓力，由于高壓源的存在，可以補充峰值壓力不足.因此，采用兩級壓力源液壓系統(tǒng)可以減小單級壓力源系統(tǒng)長時間高壓供能產(chǎn)生的節(jié)流損失，提高液壓系統(tǒng)驅動效率.

2 數(shù)學建模與分析

對于兩級壓力源液壓系統(tǒng)，高壓蓄能器是核心元件，其參數(shù)的選擇關乎系統(tǒng)供能的效果，因此有必要對蓄能器的參數(shù)進行匹配設計.設高壓蓄能器預設狀態(tài)為(p0，V0)，最低壓力工作狀態(tài)為(pl，Vl)，最高壓力工作狀態(tài)為(ph，Vh)，有氣體狀態(tài)方程

式中：px為蓄能器壓力；Vx為蓄能器體積；n為多變指數(shù)；C為常數(shù).對于充氣式蓄能器取 p0= k ?p1，一般情況下，k的取值為0.8～0.85.

忽略蓄能器進出口節(jié)流損失，在高壓供能階段，伸縮缸受力方程表示為

式中：p1為回油壓力；A1與 A2為液壓缸活塞面積；Bp為黏性阻尼系數(shù)；FL為負載.

因此，任意時刻，蓄能器體積表示為

同時，蓄能器壓力表示為

對于蓄能器容量的選擇，理論上容量越大越好，但同時要兼顧蓄能器充放能量動態(tài)性能.因此，要綜合伸縮缸負載，設定相關邊界條件，對蓄能器預充壓力與體積進行合適的選配.

為評價單級壓力源系統(tǒng)與兩級壓力源系統(tǒng)工作效率，建立相關數(shù)學表達式.對于單級壓力源系統(tǒng)，伸縮機構供給能量為

式中：Pin為單級壓力源輸出功率；ps與 Qs分別為單級壓力源系統(tǒng)輸出壓力與流量；T為單級系統(tǒng)供能時間.

對于兩級壓力源系統(tǒng)，供給能量為

設系統(tǒng)執(zhí)行相同任務，所受負載為 F，伸縮缸運動位移為 s，Pout為執(zhí)行負載所需功率.因此，伸縮機構周期內(nèi)運動所需能量為

綜上，計算得到兩種液壓系統(tǒng)效率為

3 仿真實驗

為了驗證兩級壓力源液壓系統(tǒng)的可行性與節(jié)能效果，基于Matlab與AMESim聯(lián)合仿真對兩級壓力供能與單級壓力供能過程進行分析.對于機器人伸縮機構，兩種液壓系統(tǒng)執(zhí)行相同負載與位移，相關曲線如圖 2所示.其中，位移輸入信號為理想正弦信號，頻率為1Hz，幅值為0.1m.

基于管道機器人運動原理和液壓系統(tǒng)在修井工況下工作需求，設定相關仿真參數(shù)見表1.

仿真得到兩種液壓系統(tǒng)輸出功率曲線，如圖3所示，在整個機器人運動過程中，兩級壓力源系統(tǒng)的輸出功率小于單級系統(tǒng)的輸出功率，僅在液壓缸負載力較大時段，兩級液壓系統(tǒng)的輸出功率略高于單級液壓系統(tǒng)的輸出功率.應用公式得到單級壓力源系統(tǒng)供能輸出總能量為2892J，兩級壓力源系統(tǒng)中系統(tǒng)所供給的總能量為1394J.由于2s內(nèi)伸縮運動需求總能量為 789J，因此完成機器人在 2s內(nèi)的運動，單級壓力源系統(tǒng)的效率為27.3%，而兩級壓力源系統(tǒng)效率為56.6%，兩級液壓系統(tǒng)效率比單級系統(tǒng)提高了29.3%.

表1 液壓系統(tǒng)主要仿真參數(shù)Tab. 1 Simulation parameters of the hydraulic system

圖3 兩種液壓系統(tǒng)功率曲線Fig. 3 Power curves of two hydraulic systems

對功率曲線進行積分計算，得到 2s內(nèi)機器人運動供給能量變化曲線，如圖 4所示，最下面綠色點劃線所描述的是伸縮液壓缸工況實際需要的能量變化，中間藍色實線描述的是兩級壓力源系統(tǒng)供給的能量變化，最上面紅色虛線描述的是單級壓力源系統(tǒng)供給的能量變化.

圖4 兩種液壓系統(tǒng)供給能量曲線Fig. 4 Energy curves of two hydraulic systems

從圖4可以看出：兩級壓力源系統(tǒng)的輸出能量始終低于單級壓力源系統(tǒng)的輸出能量，這表明相對于單級壓力源供能系統(tǒng)，兩級壓力源系統(tǒng)具有更高的驅動效率.

4 性能分析

前面驗證了兩級壓力源系統(tǒng)的節(jié)能效果，下面對供能系統(tǒng)工作性能進一步分析.兩級壓力源液壓系統(tǒng)驅動液壓缸活塞位移曲線如圖 5所示.兩級壓力源系統(tǒng)能夠使液壓缸按規(guī)劃路徑運動，并且跟隨性良好，控制精度達到 3mm，時間延遲為 0.05s，可以達到牽引器工作性能需求.在開關閥打開，蓄能器釋放油壓瞬間，引起液壓缸活塞波動，這種現(xiàn)象要通過對液壓閥開口的預先控制予以規(guī)避，保證液壓缸活塞穩(wěn)定運行.

圖5 兩級壓力源液壓缸活塞位移曲線Fig. 5 Displacement of the hydraulic cylinder piston with two-stage pressure source

分別對單級壓力源系統(tǒng)以及兩級壓力源系統(tǒng)進行仿真，得到輸出系統(tǒng)壓力曲線，如圖6所示.

圖6 兩種液壓系統(tǒng)輸出壓力曲線Fig. 6 Pressure curves of two hydraulic systems

對于單級壓力源系統(tǒng)，輸出壓力如紅色實線所示，一直保持在 16MPa.在兩級壓力源系統(tǒng)中，輸出壓力隨負載變化而變化(藍色實線)，當執(zhí)行器需要更大驅動力時，系統(tǒng)輸出壓力才會升高，而在其他時間，系統(tǒng)輸出壓力一直保持較低的水平(7.5MPa).因此，在兩級壓力源系統(tǒng)中的壓力損失比在單級壓力系統(tǒng)中少得多.

對比兩種液壓系統(tǒng)中液壓缸無桿腔壓力變化曲線，紅色虛線為單級系統(tǒng)無桿腔內(nèi)壓力，綠色虛線為雙級系統(tǒng)無桿腔內(nèi)壓力.可以看出，兩級壓力源系統(tǒng)中液壓缸進出油口的壓力比單級壓力源系統(tǒng)要小.尤其是在負載很小，執(zhí)行器不需要很大驅動力的時間段(0.5～1s，1.5～2s)，兩級壓力源系統(tǒng)中液壓缸驅動壓力會很小，這也反映了兩級壓力源系統(tǒng)中液壓閥的節(jié)流損失會更小.

5 結 語

(1)基于管道機器人工作原理以及液壓缸負載特性，提出一種新型兩級壓力源供能系統(tǒng)，通過實現(xiàn)輸出壓力與執(zhí)行器負載壓力相匹配，提高液壓系統(tǒng)驅動效率.

(2)對高壓蓄能器進行了數(shù)學建模與分析，并建立了液壓系統(tǒng)驅動效率計算方法，通過數(shù)學計算與仿真驗證了兩級壓力源液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果，效率比單級壓力系統(tǒng)提高了29.3%，主要原因在于大幅度減少節(jié)流損失.

(3)對兩級壓力源液壓系統(tǒng)驅動性能進行了仿真分析.結果顯示，活塞位移跟隨特性良好，控制精度達到 3mm，時間延遲為 0.05s，可以達到牽引器性能指標要求.