基于四連桿的承罐穩(wěn)罐裝置設(shè)計(jì)與AMESim仿真分析

季紅濤

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082)

引言

隨著千米以上的深井不斷出現(xiàn)，需要通過罐籠提升的設(shè)備重量也越來越大，副立井提升系統(tǒng)的承接安全問題進(jìn)一步突出，傳統(tǒng)的搖臺(tái)結(jié)構(gòu)難以解決罐籠沖擊和反彈等問題?，F(xiàn)有大型承罐穩(wěn)罐裝置主要依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴。在此背景下，朱真才等[1]研制了一種罐籠彈性承接裝置，并提出罐籠彈性承接沖擊動(dòng)力學(xué)理論，隨后國(guó)內(nèi)有關(guān)承罐穩(wěn)罐裝置的研究不斷完善?，F(xiàn)有形式的承罐穩(wěn)罐裝置多采用液壓傳動(dòng)方式，直接實(shí)現(xiàn)對(duì)副立井提升罐籠的承接與穩(wěn)定功能[2]，由于罐籠載荷很大，需要液壓系統(tǒng)提供大壓力及流量的同時(shí)，具備良好的穩(wěn)定性，對(duì)系統(tǒng)的性能要求非常高。

通常，對(duì)于液壓系統(tǒng)的評(píng)估多采用定值的施載方式，機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性并沒有考慮進(jìn)去。隨著AMESim軟件在我國(guó)的普遍應(yīng)用，憑借多學(xué)科領(lǐng)域的集成優(yōu)勢(shì)，基于AMESim平臺(tái)的“機(jī)械-電氣-液壓”系統(tǒng)聯(lián)合仿真得到廣泛應(yīng)用，諸如基于AMESim穩(wěn)罐裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析[3]，TBM撐靴鞍架快速?gòu)?fù)位動(dòng)作[4]及拍擊大塊破碎裝置拍擊動(dòng)作[5]等。本研究利用平面四連桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)特性[6-8]，設(shè)計(jì)一種承罐穩(wěn)罐裝置，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)抵抗承罐穩(wěn)罐過程中產(chǎn)生的沖擊與反彈力，進(jìn)而降低液壓系統(tǒng)負(fù)載要求，保證承罐穩(wěn)罐過程的平穩(wěn)性，并基于AMESim平臺(tái)開展“機(jī)械-電氣-液壓”聯(lián)合仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性和優(yōu)越性。

1 承罐穩(wěn)罐裝置模型

1.1 結(jié)構(gòu)模型

基于四連桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)特性，本研究將承罐機(jī)構(gòu)及穩(wěn)罐機(jī)構(gòu)均設(shè)計(jì)為四連桿的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。托爪、承罐連桿1、承罐連桿2及機(jī)架組成承罐四連桿機(jī)構(gòu)，搖臂、穩(wěn)罐連桿1、穩(wěn)罐連桿2及機(jī)架組成穩(wěn)罐四連桿機(jī)構(gòu)。承罐穩(wěn)罐過程如圖2所示，承罐油缸縮回使托爪運(yùn)動(dòng)至低于裝卸載平面，穩(wěn)罐油缸縮回使搖臂抬起，待罐籠緩慢下降并停穩(wěn)后，在承罐油缸驅(qū)動(dòng)下，托爪緩慢將罐籠托起至裝卸載平面，此時(shí)承罐連桿1、承罐連桿2共線，承罐力作用于承罐連桿2的回轉(zhuǎn)力矩為0，忽略重力影響，承罐連桿機(jī)構(gòu)處于理論死點(diǎn)位置，承罐油缸不受載；待罐籠承接至裝卸載平面，穩(wěn)罐油缸驅(qū)動(dòng)穩(wěn)罐機(jī)構(gòu)至穩(wěn)罐連桿1、穩(wěn)罐連桿2共線，罐籠卸載產(chǎn)生的反彈力作用于搖臂，穩(wěn)罐連桿2的受到的回轉(zhuǎn)力矩為0，忽略重力影響，穩(wěn)罐連桿機(jī)構(gòu)處于理論死點(diǎn)位置，穩(wěn)罐油缸不受載。在托爪與搖臂共同作用下，罐籠底盤被牢牢鎖死，保證罐籠裝卸載過程的穩(wěn)定與安全；待罐籠裝卸載結(jié)束后，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)托爪及搖臂縮回，提升系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)罐籠離開并進(jìn)入下一階段工作。

1.機(jī)架 2.搖臂 3.穩(wěn)罐油缸 4.穩(wěn)罐連桿1 5.穩(wěn)罐連桿2 6.托爪 7.承罐連桿1 8.承罐連桿2 9.承罐油缸圖1 基于四連桿的承罐穩(wěn)罐裝置示意圖Fig.1 Structure of hold-stabilizing cage device based on four-bar linkage

圖2 承罐穩(wěn)罐過程示意圖Fig.2 Cage holding and stabilizing process

1.2 補(bǔ)償力學(xué)模型

目前，大型罐籠裝卸載過程面臨的關(guān)鍵問題為：由于提升鋼絲繩存在彈性伸長(zhǎng)，導(dǎo)致罐籠裝卸載過程中產(chǎn)生大幅沉降或反彈，很大程度上影響裝卸載過程的安全性和提升效率。當(dāng)前解決此問題的常見方式是對(duì)罐籠進(jìn)行定位鎖定，進(jìn)而保證罐籠裝卸載過程的穩(wěn)定性，但此時(shí)提升系統(tǒng)中鋼絲繩彈性伸長(zhǎng)問題[9-10]仍然存在，待卸載后需借助絞車消除彈性伸長(zhǎng)。通過對(duì)罐籠承接過程中提升系統(tǒng)進(jìn)行受力分析[11]，本研究采用補(bǔ)償承罐方法，待罐籠爬行速度停穩(wěn)后，承罐托爪將罐籠托起一定高度，補(bǔ)償鋼絲繩因罐籠載荷產(chǎn)生的彈性伸長(zhǎng)，降低甚至消除罐籠裝卸載過程中產(chǎn)生的反彈力，進(jìn)而提高承罐穩(wěn)罐過程的穩(wěn)定性。

分別取井底車場(chǎng)水平軌面方向及沿井筒豎直方向?yàn)閄,Y方向，取兩軸交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立直角坐標(biāo)系，以y=0，t=0時(shí)刻為起始點(diǎn)，罐籠于t(t≥0)時(shí)刻受力狀態(tài)如圖3所示。

圖3 補(bǔ)償力學(xué)模型Fig.3 Equalizing mechanics model

在此狀態(tài)下：

F+F1+F2-(M+m)g=-(M+m)a

(1)

式中，M——罐籠質(zhì)量

m——載荷質(zhì)量

F——罐籠所受承罐力

F1——罐籠空載時(shí)鋼絲繩張力，F(xiàn)1=Mg

F2——載荷為m時(shí)的鋼絲繩張力，F(xiàn)2=ky

y——鋼絲繩因罐籠載荷產(chǎn)生的彈性伸長(zhǎng)

a——托爪托起罐籠時(shí)的減速度

k——提升鋼絲繩彈性系數(shù)經(jīng)推導(dǎo)：

(2)

即為罐籠承接時(shí)需要的補(bǔ)償高度。

1.3 液壓系統(tǒng)

承罐穩(wěn)罐液壓系統(tǒng)需平穩(wěn)同步地驅(qū)動(dòng)兩側(cè)裝置完成承罐及穩(wěn)罐動(dòng)作，且保證工作過程中加載油缸的自鎖性能。如圖4所示，液壓系統(tǒng)同時(shí)控制左右兩側(cè)承罐穩(wěn)罐裝置，齒輪泵排出的高壓油依次通過電磁換向閥、同步閥及液控單向閥到達(dá)指定執(zhí)行元件。為保證兩側(cè)裝置的承罐及穩(wěn)罐動(dòng)作同步平穩(wěn)進(jìn)行，利用同步閥分別實(shí)現(xiàn)承罐油缸及穩(wěn)罐油缸的同步動(dòng)作；為防止加載油缸在受載時(shí)因泄漏造成移位，提高承罐穩(wěn)罐過程的安全性，在加載油缸進(jìn)油端設(shè)置液控單向閥。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic of hydraulic system

2 AMESim系統(tǒng)建模

本研究重點(diǎn)關(guān)注承罐穩(wěn)罐時(shí)的穩(wěn)定性及液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，建模過程中做如下簡(jiǎn)化處理：

(1) 對(duì)管路模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，忽略部分管路損失；

(2) 兩側(cè)承罐穩(wěn)罐裝置參數(shù)相同的機(jī)構(gòu)合并處理，承罐托爪及穩(wěn)罐油缸模型數(shù)量減半；

(3) 忽略電磁換向閥的泄漏，省略液控單向閥部分建模；

(4) 仿真重點(diǎn)關(guān)注執(zhí)行元件進(jìn)油工況，建模時(shí)只模擬同步閥分流同步功能；

(5) 工作狀態(tài)下罐籠裝卸載速度呈線性。

2.1 仿真模型搭建

模擬同步閥分流同步功能，利用液壓元件庫(kù)設(shè)計(jì)建模得到分流閥模型[12]，如圖5所示。

圖5 AMESim分流閥模型Fig.5 Model of diverter valve in AMESim

在此基礎(chǔ)上，基于AMESim液壓庫(kù)、液壓元件庫(kù)及平面機(jī)構(gòu)庫(kù)分別對(duì)裝置液壓系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行建模，應(yīng)用信號(hào)控制庫(kù)模塊施加控制信號(hào)，搭建承罐穩(wěn)罐裝置AMESim仿真模型，如圖6所示。

圖6 AMESim仿真模型Fig.6 Model of hold-stabilizing cage device in AMESim

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)液壓系統(tǒng)各元件選型設(shè)計(jì)，設(shè)置液壓模塊基本參數(shù)如表1所示。

表1 液壓模塊參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameters of hydraulic components

將罐籠裝卸載平面作為絕對(duì)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，根據(jù)各連桿機(jī)構(gòu)位置關(guān)系及形狀確定相對(duì)坐標(biāo)參數(shù)，并利用三維軟件計(jì)算相應(yīng)模塊重量，設(shè)置機(jī)械模塊參數(shù)如表2所示。

表2 機(jī)械模塊參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameters of mechanical model

3 AMESim仿真分析

分別對(duì)罐籠空載和動(dòng)載(工作狀態(tài))兩種工況進(jìn)行模擬仿真，對(duì)工作狀態(tài)下罐籠的運(yùn)動(dòng)特性及兩種狀態(tài)下液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性展開研究，進(jìn)而分析所設(shè)計(jì)承罐穩(wěn)罐裝置的工作特性是否符合預(yù)期效果。

模擬最大承罐力2×105N，最大穩(wěn)罐力1×105N，動(dòng)作油缸行程控制信號(hào)s及罐籠底盤受力控制信號(hào)F曲線分別如圖7及圖8所示。空載狀態(tài)下，罐籠底盤受到與重力相等的反向作用力，靜止懸掛于裝置上方。工作狀態(tài)時(shí)，0～3 s，罐籠底盤受到與重力相等的反向作用力，靜止懸掛于裝置上方，動(dòng)作油缸分別驅(qū)動(dòng)托爪及穩(wěn)罐搖臂縮回；3～5 s，托爪及搖臂保持不動(dòng)，等待罐籠降落；5～10 s，模擬承罐過程，罐籠底盤受力線性減小至0 N，底盤緩慢降落至托爪上方，托爪將罐籠底盤托起；10～15 s，模擬穩(wěn)罐過程，保持罐籠底盤受力為0 N，穩(wěn)罐搖臂緩慢搭接于底盤上方；15～25 s，模擬罐籠卸載工況，罐籠底盤受力線性增大，由于穩(wěn)罐油缸建模數(shù)量減半，穩(wěn)罐力數(shù)值及增長(zhǎng)速率減半；25～30 s，裝卸載過程結(jié)束，罐籠受力迅速恢復(fù)平衡，穩(wěn)罐搖臂抬起，仿真過程結(jié)束，承罐穩(wěn)罐裝置工作過程如圖9所示。

圖7 動(dòng)作油缸行程控制信號(hào)Fig.7 Displacement signal of action cylinder

圖8 罐籠受力信號(hào)Fig.8 Force signal of cage

圖9 工作過程Fig.9 Working process animation

工作狀態(tài)時(shí)罐籠在垂直方向上的位移h及加速度a曲線分別如圖10及圖11所示，罐籠由0.7 m高度降落至低于裝卸載平面時(shí)，托爪承接并托起罐籠底盤瞬間存在輕微的振動(dòng)，然后迅速恢復(fù)平穩(wěn)。當(dāng)托爪及搖臂將罐籠鎖住后，罐籠在承受變化的線性載荷時(shí)振動(dòng)非常小，最大振動(dòng)加速度約0.07 m/s2，罐籠卸載結(jié)束后搖臂抬起瞬間在豎直方向上存在約0.02 m的反彈，并迅速恢復(fù)穩(wěn)定。整個(gè)過程中，罐籠能夠平穩(wěn)地被承罐穩(wěn)罐裝置承接并鎖緊，罐籠承受線性變化載荷時(shí)非常穩(wěn)定，承罐穩(wěn)罐效果良好。

圖10 罐籠垂直方向位移曲線Fig.10 Displacement curve of cage in vertical direction

圖11 罐籠垂直方向加速度曲線Fig.11 Acceleration curve of cage in vertical direction

圖12a為承罐油缸活塞腔壓力變化曲線。空載狀態(tài)下，承罐油缸在縮回至行程末端時(shí)活塞腔承受約0.3 MPa的背壓，待液壓系統(tǒng)換向驅(qū)動(dòng)承罐油缸伸出時(shí)，油缸活塞腔受到一定幅度的沖擊，油壓迅速降至低壓并推動(dòng)承罐連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，待托爪完全伸出后活塞腔卸壓恢復(fù)零位。對(duì)比空載狀態(tài)，工作狀態(tài)時(shí)，罐籠被托爪承接并托起過程中，在罐籠底盤線性變化載荷的作用下，承罐油缸活塞腔承受約5.9 MPa峰值油壓而后逐漸降至低壓，待罐籠被抬起至設(shè)定高度時(shí)，承罐連桿到達(dá)死點(diǎn)位置，控制O形電磁換向閥停止供油，油缸活塞腔內(nèi)壓力維持在1.1 MPa。可以看出，較低的系統(tǒng)油壓便能滿足罐籠承接動(dòng)作，罐籠穩(wěn)定后負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)油壓影響非常小，承罐油缸對(duì)液壓系統(tǒng)性能整體要求很低。

圖12b為穩(wěn)罐油缸活塞腔壓力變化曲線。空載狀態(tài)下，穩(wěn)罐油缸在縮回至行程末端時(shí)活塞腔承受約0.6 MPa的背壓；待液壓系統(tǒng)換向驅(qū)動(dòng)穩(wěn)罐油缸伸出時(shí)，穩(wěn)罐連桿重力作用對(duì)穩(wěn)罐油缸產(chǎn)生一定的負(fù)值負(fù)載，造成穩(wěn)罐油缸活塞腔負(fù)壓現(xiàn)象，待穩(wěn)罐油缸到達(dá)行程末端后，活塞腔油壓上升，控制電磁換向閥停止供油，活塞腔壓力維持在0.14 MPa，并于油缸再次縮回后恢復(fù)零位。本研究重點(diǎn)研究承罐穩(wěn)罐機(jī)構(gòu)在承受變化載荷時(shí)對(duì)系統(tǒng)油壓帶來的影響，在實(shí)際應(yīng)用中將加入回油限速模塊改善系統(tǒng)整個(gè)過程油壓特性。對(duì)比空載狀態(tài)，工作狀態(tài)下穩(wěn)罐油缸的油壓變化與空載狀態(tài)整體趨于一致，當(dāng)罐籠卸載結(jié)束時(shí)，穩(wěn)罐油缸驅(qū)動(dòng)搖臂緩慢抬起離開死點(diǎn)位置，穩(wěn)罐油缸受力增大，活塞腔受到約0.6 MPa的尖峰壓力，隨著罐籠受力迅速恢復(fù)平衡，穩(wěn)罐油缸活塞腔壓力迅速降低至背壓狀態(tài)?？梢钥闯?，穩(wěn)罐負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)油壓影響非常小，僅穩(wěn)罐機(jī)構(gòu)脫離死點(diǎn)位置時(shí)存在小幅壓力波動(dòng)，穩(wěn)罐油缸對(duì)液壓系統(tǒng)整體性能要求很低。

圖12 動(dòng)作油缸活塞腔壓力曲線Fig.12 Piston chamber pressure curve of cylinder

4 結(jié)論

本研究提出了一種基于四連桿的承罐穩(wěn)罐裝置，并建立AMESim仿真模型，有效地驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性及優(yōu)越性，經(jīng)分析得出如下結(jié)論：

(1) 所設(shè)計(jì)承罐穩(wěn)罐裝置應(yīng)用補(bǔ)償承罐理論和四連桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)特性，能夠安全平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)罐籠的承接及穩(wěn)定功能，有效地避免了大型罐籠裝卸載過程中的劇烈振蕩及反彈現(xiàn)象，具有良好的承罐穩(wěn)罐效果；

(2) 所設(shè)計(jì)承罐穩(wěn)罐機(jī)構(gòu)利用四連桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)狀態(tài)克服罐籠裝卸載過程中產(chǎn)生的變化載荷，大幅降低了液壓系統(tǒng)的負(fù)荷及壓力波動(dòng)，擺脫了承罐穩(wěn)罐裝置對(duì)大型液壓系統(tǒng)及執(zhí)行元件的依賴，進(jìn)而提高了承罐穩(wěn)罐系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。