支架安裝車保壓夾具系統(tǒng)設(shè)計分析

施發(fā)永，張富榕，劉志雙，李科軍，代四飛，吳建建，蘇 杰，楊 岳

(1.中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 101300；2.中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410000)

引言

核島建設(shè)過程中，廠房內(nèi)布置有大量工藝管道和電氣線路托架，這些管道和托架均固定在頂墻或側(cè)墻的支架上。而支架(50～300 kg)需要從室內(nèi)地面搬運到墻頂或墻壁指定的預(yù)埋板位置進行焊接安裝，傳統(tǒng)的利用腳手架安裝支架的工作方式，將很多時間耗費在腳手架搭建和人工搬運支架上，勞動強度大，作業(yè)效率低；且在支架定位好與預(yù)埋板焊接時，焊渣、火星直接掉落在下方托舉支架作業(yè)人員身上，易引發(fā)安全事故。為提高支架安裝效率和作業(yè)安全，中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司特開發(fā)一種支架安裝作業(yè)車，末端執(zhí)行器夾具機構(gòu)作為設(shè)備關(guān)鍵部件，主要用于夾持支架配合完成支架定位與焊接。因此，在支架焊接過程中，夾具系統(tǒng)能否保證夾持力處于設(shè)計值之上直接決定設(shè)備工作安全性。程相文等[1]從碼垛機抓手夾持機構(gòu)對稱性角度出發(fā)，建立了夾持機構(gòu)的數(shù)學模型，并采用基于AIWF的粒子群優(yōu)化算法對機構(gòu)參數(shù)進行數(shù)值優(yōu)化，實現(xiàn)夾持機構(gòu)的簡潔設(shè)計。劉艷妍等[2]根據(jù)楊晉[3]建立的鍛造操作機鉗口夾持力分析模型確定了影響夾持力的關(guān)鍵因素，并通過試驗對鉗口結(jié)構(gòu)、鉗口材料對夾持力的影響進行研究，確定了鉗口結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方向。邵浩東等[4]提出一種管道攀爬機器人夾持機構(gòu)，先后進行了力封閉性分析和連桿機構(gòu)優(yōu)化，并通過ANSYS瞬態(tài)仿真分析夾持機構(gòu)理論最大負載能力。周鑫等[5]提出了一種滿足榴彈任意姿態(tài)、自由跌落試驗要求的夾持裝置，實現(xiàn)了在夾持過程中可靠性和安全性的保證。曹毅等[6]提出一種基于柔性鉸鏈的二自由度開口型空間夾持機構(gòu)。李峰平等[7]通過分析修邊機器人夾緊機構(gòu)組成原理，考慮轉(zhuǎn)動副位置等設(shè)計參數(shù)，以夾緊機構(gòu)工作半徑最大化為優(yōu)化目標，開展夾緊機構(gòu)動力學與運動學優(yōu)化設(shè)計研究。胡垠等[8]基于搗固車搗固原理，建立搗固工作過程動力學模型，通過分析激振力對系統(tǒng)工作壓力影響規(guī)律，提出在夾持回路設(shè)置單向阻尼孔以穩(wěn)定液壓系統(tǒng)壓力，提高搗固裝置的作業(yè)性能?？梢姡壳暗难芯恐饕性趯A持機構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動力學、運動學和有限元分析方面，對如何長時間穩(wěn)定保持夾持力的研究并沒有涉及。因此，本研究根據(jù)支架安裝車夾具機構(gòu)工況特點，提出一種保壓夾持的液壓控制系統(tǒng)，并建立夾持工作過程的動力學模型，仿真分析各種工況下夾持系統(tǒng)的動態(tài)特性。

1 保壓夾具結(jié)構(gòu)

如圖1a所示，支架安裝車主要由履帶底盤、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、升降臂、伸縮臂、上下擺動機構(gòu)、左右擺動機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和夾具機構(gòu)組成。履帶底盤接地面積大、穩(wěn)定性好，對地面無破壞，適用于核島內(nèi)復雜的地面環(huán)境；升降臂用于支架的垂直升降，提高支架安裝作業(yè)高度；伸縮臂可調(diào)整臂的長度，實現(xiàn)不同高度支架安裝作業(yè)；回轉(zhuǎn)機構(gòu)能大幅度調(diào)整支架在回轉(zhuǎn)平面的安裝位置；上下擺動機構(gòu)用于調(diào)節(jié)支架變幅平面的安裝位置；左右擺動機構(gòu)配合回轉(zhuǎn)機構(gòu)，小幅度調(diào)整支架回轉(zhuǎn)平面的安裝位置；旋轉(zhuǎn)機構(gòu)用于調(diào)整支架與頂墻、側(cè)墻的對位焊接安裝。

如圖1b所示，保壓夾具主要由固定夾鉤、活動夾鉤，夾持油缸、固定夾板和夾持板組成。固定夾鉤底部和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)法蘭相連；活動夾鉤、夾持油缸和活動夾板在鉸點B處鉸接；夾持油缸缸筒與固定夾鉤在鉸點C處鉸接；固定夾鉤和活動夾鉤在鉸點A處鉸接。當夾持油缸活塞桿進行伸縮運動時，可以驅(qū)動活動夾鉤繞著鉸點A旋轉(zhuǎn)，從而控制夾具開口大小(50～300 mm)，且因活動夾板可以繞鉸點B旋轉(zhuǎn)，使得夾持板可以與不同截面尺寸支架表面緊密接觸。同時，為提高夾持板與支架表面接觸的摩擦系數(shù)，在夾持板上刻有紋路，夾持板由螺栓通過板上的沉孔固定在底板上，便于對磨損的夾持板快速更換。

2 保壓夾具液壓系統(tǒng)

如圖2所示，夾具液壓系統(tǒng)由柱塞泵、變量機構(gòu)、電比例負載敏感換向閥、液壓鎖、夾持油缸、壓力傳感器和蓄能器等組成。

1.柱塞泵 2.溢流閥 3.負載敏感換向閥 4.液壓鎖 5.夾持油缸 6.壓力傳感器 7.蓄能器 8.變量機構(gòu) 9.二位二通電磁閥

電機開始起動時，二位二通電磁閥通電，流量控制閥左控制腔直接和油箱連接，柱塞泵卸荷啟動，且其輸出流量僅為系統(tǒng)的泄漏流量，以保證電機小負載下啟動；15 s后，電機進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，二位二通電磁閥斷電，壓力控制閥工作，變量泵處于恒壓工作狀態(tài)，液壓系統(tǒng)處于高壓待命狀態(tài)，一旦電比例負載敏感換向閥處于工作位，可以立即將高壓油液供給夾持油缸或蓄能器，減少系統(tǒng)建壓時間。同時，當電比例負載敏感換向閥處于工作位時，流量控制閥重新工作，夾持油缸工作油壓通過梭閥組反饋到流量控制閥左側(cè)(彈簧腔)，而流量控制閥右側(cè)承受泵的控制壓力油(非彈簧腔)，使得泵輸出壓力和油缸油壓保持一個壓差，即為流量控制閥彈簧的等效油壓。由于電比例負載敏感換向閥內(nèi)部減壓閥的壓力補償作用，換向閥流量與閥芯開口成比例，使夾持油缸保持勻速穩(wěn)定運動[9-12]。

液壓鎖通過金屬油管與夾緊油缸相連，并安裝于夾持油缸外壁。當夾持油缸工作到位后，系統(tǒng)停止供油，液壓鎖將夾持油缸的高壓油液鎖住，以保證支架有足夠的夾持力?？紤]液壓元件長時間使用后，密封件磨損將導致系統(tǒng)有一定油液泄漏，在液壓鎖和夾持油缸無桿腔之間安裝有蓄能器，在支架焊接過程中及時給系統(tǒng)補油，保證油缸工作壓力在安全值之上。當焊接支架規(guī)格較大時，所需焊接時間較長，蓄能器有效工作容積放液完后，壓力傳感器檢測到夾持油缸的工作壓力即將處于安全值之下，電氣控制系統(tǒng)將控制信號發(fā)送至電比例負載敏感換向閥，換向閥右位通電，柱塞泵立即向蓄能器補充油液，當檢測到夾持油缸工作壓力達到蓄能器最大工作壓力時，電比例負載敏感換向閥斷電，系統(tǒng)停止給蓄能器充液，此時由蓄能器給夾緊油缸補油。如此循環(huán)動作，一直保證夾持油缸油液工作壓力高于安全值。

3 保壓夾具系統(tǒng)數(shù)學建模

3.1 鍵合圖模型

在建立保壓夾具系統(tǒng)鍵合圖模型前，需作如下簡化：

(1)不考慮變量泵控制機構(gòu)、負載敏感閥和液壓鎖等液壓元件閥芯的動作響應(yīng)時間，即對系統(tǒng)進行系統(tǒng)級建模，將各液壓元件等效為節(jié)流和可變節(jié)流元件；

(2)電機輸入轉(zhuǎn)速恒定，不考慮油源流量的脈動性；

(3)不考慮變量泵和換向閥等液壓元件的油液泄漏；

(4)假設(shè)在夾持油缸無桿腔連接1個與油箱相通微小節(jié)流孔，等效夾具系統(tǒng)的油液泄漏。

圖3 保壓夾具系統(tǒng)鍵合圖模型

3.2 動力學模型

根據(jù)鍵合圖模型狀態(tài)方程生成規(guī)則，可以快速得出保壓夾具系統(tǒng)數(shù)學模型[13-17]。

管路1工作容腔的流量連續(xù)性方程為：

(1)

(2)

(3)

式中，ppr——柱塞泵控制活塞無彈簧腔的油液壓力

pps——控制活塞彈簧預(yù)壓縮力的等效壓力

Δppb——斜盤從最大排量運動至零排量，即斜盤傾角為0°時，控制活塞彈簧變形量引起的壓力變化

Crf1——溢流閥閥口流量特性系數(shù)

Arf1——溢流閥開口面積

(4)

式中，Cvi——負載敏感閥進油口流量特性系數(shù)

Avi——進油口過流面積

pp12——壓力補償閥出口壓力，同時也是負載敏感閥進油節(jié)流口進口油壓

當負載敏感閥在正常壓力工作范圍內(nèi)時，pp12-pp2=C,C為常數(shù)，負載敏感閥進油節(jié)流口的壓差保持恒定；當負載敏感閥出口超出正常工作壓力范圍時，負載敏感換向閥集成的壓力補償閥失去控制作用，pp12=pp1，此時閥進油節(jié)流口的壓差為pp1-pp2。

管路2工作容腔的流量連續(xù)性方程為：

(5)

(6)

式中，Ccv1，Acv1——雙向液壓鎖壓力油進口流量特性系數(shù)和開口面積

管路3工作容腔的流量連續(xù)性方程為:

(7)

管路4工作容腔的流量連續(xù)性方程為：

(8)

管路5工作容腔(包含伸縮油缸2的無桿腔)的流量連續(xù)性方程為：

(9)

(10)

(11)

式中，Ccv1，Acv1——雙向液壓鎖壓力油進口流量特性系數(shù)和開口面積

Cvo，Avo——負載敏感閥進油口流量特性系數(shù)和過流面積

管路6工作容腔(包含伸縮油缸2的無桿腔)的流量連續(xù)性方程為：

(12)

各管路工作容器的壓力計算方程為：

ppi=kpiVi，i=1,2,…,5

(13)

蓄能器工作壓力計算方程為：

(14)

Vc=Vc0-Vct

(15)

式中，pc0，Vc0——蓄能器的初始充氣壓力和初始工作容積

pc，Vc——蓄能器的實時工作壓力和工作容積

活動夾鉤轉(zhuǎn)動動力學方程為：

(16)

活動夾鉤轉(zhuǎn)動速度為：

(17)

夾持油缸運動速度為：

(18)

4 仿真分析

保壓夾具的主要仿真參數(shù)如下：夾持油缸的缸筒內(nèi)徑和活塞桿直徑分別為50 mm和32 mm；活動夾鉤的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量分別為4.163 kg和0.053964 kgm2；負載敏感閥中的壓力補償閥控制壓差為1 MPa，最大流量為6 L/min；變量泵流量控制閥的控制壓差為1 MPa，壓力切斷閥控制壓力設(shè)定值為16 MPa；蓄能器的充氣壓力為8 MPa，最大工作壓力為20 MPa；夾持工件厚度為110 mm。

根據(jù)上述保壓夾具系統(tǒng)鍵合圖模型，基于多學科復雜系統(tǒng)建模平臺AMESim，搭建如圖4所示的仿真模型，采用四階-龍格庫塔算法進行數(shù)值模擬，仿真時間為375 s，仿真步長為0.01 s。在0～5 s時間內(nèi)，負載敏感閥工作在左位閥口全開位置，驅(qū)動夾持油缸活塞桿帶動活動夾鉤夾持工件，并給蓄能器充液；在5～369 s時間內(nèi)，用小節(jié)流孔模擬油缸泄漏，蓄能器給系統(tǒng)補油，且當夾持油缸無桿腔工作壓力降低8 MPa以下時(夾持壓力需大于7.5 MPa)，控制系統(tǒng)給負載敏感閥通電，柱塞泵自動給蓄能器充液2 s，仿真結(jié)果如圖5所示，可以看出：

圖4 保壓夾具系統(tǒng)仿真模型

圖5 保壓夾具系統(tǒng)響應(yīng)

(1)在0～3.1 s時間內(nèi)，柱塞泵給夾持油缸供油驅(qū)動活動夾鉤順時針轉(zhuǎn)動，泵出口壓力保持在2 MPa左右，這是因為活動夾鉤質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量均較小，系統(tǒng)工作壓力主要由回油阻力決定；泵輸出流量穩(wěn)定在6 L/min，活動夾鉤由110°順時針轉(zhuǎn)動到75.9°，夾持板在x軸方向由0 mm運動至190 mm；由于工作壓力不大，且模擬泄漏的阻尼孔很小，系統(tǒng)泄漏接近0 L/min；蓄能器氣室壓力保持初始充氣壓力8 MPa不變，這是因為系統(tǒng)工作壓力小于充氣壓力，系統(tǒng)還未開始給蓄能器充液；

(2)在3.1～5 s時間內(nèi)，負載敏感換向閥仍然工作在左位，柱塞泵繼續(xù)給夾持油缸無桿腔供油，但夾持板和工件表面已經(jīng)接觸，活動夾鉤和夾持板位置保持不變，系統(tǒng)開始憋壓，泵出口壓力突增，由于負載敏感閥的壓力補償作用，柱塞泵輸出流量經(jīng)過短時間的振蕩后穩(wěn)定在6 L/min，泵開始給蓄能器充液，蓄能器壓力由8 MPa增至20 MPa；在蓄能器工作壓力上升過程中，其值達到18.5 MPa時，泵流量補償閥控制作用開始失效，當蓄能器氣室壓力繼續(xù)上升至20 MPa時，充液完成，泵壓力切斷閥開始工作，泵出口輸出流量減至0 L/min；

(3)在5～187 s時間內(nèi),負載敏感閥開始工作在中位，由于壓力控制閥的作用，柱塞泵高壓待命，輸出流量為0 L/min；蓄能器放液，補償夾持油缸等液壓元件泄漏，蓄能器工作壓力由20 MPa逐漸降低，在185 s時，蓄能器工作壓力減至8 MPa，泄漏流量由0.044 L/min減至0.019 L/min；此時壓力傳感器將檢測數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，負載敏感換向閥又開始在左位工作，柱塞泵給蓄能器充液，充液過程和3.1～5 s時間內(nèi)系統(tǒng)響應(yīng)相同，在187～369 s時間內(nèi)，夾具系統(tǒng)充放液過程和5～187 s時間內(nèi)相同；

(4)在369～375 s時間內(nèi)，負載敏感換向閥工作在右位，柱塞泵給夾持油缸有桿腔供油，泵出口壓力由20 MPa突減至2.5 MPa，這是因為當柱塞泵由高壓待命狀態(tài)切換到工作狀態(tài)時，負載較小，系統(tǒng)工作壓力僅用來克服回油阻力；泵輸出流量經(jīng)過短時間波動后，穩(wěn)定在6 L/min；在370.5 s時，夾持油缸活塞桿收縮到位，活動夾鉤由75.9°逆時針旋轉(zhuǎn)到110°，泵出口壓力又由2.5 MPa升至20 MPa,泵輸出流量有6 L/min降至0 L/min；夾持油缸活塞桿收縮過程中，蓄能器保持初始充氣壓力8 MPa不變。

5 試驗研究

如圖6所示，在支架安裝作業(yè)車上搭建試驗測試平臺，將壓力傳感器安裝在夾持油缸無桿腔進油口采集油液工作壓力，設(shè)置傳感器的采樣周期為0.1 s。夾持油缸由電比例先導操作手柄控制，在系統(tǒng)建壓后，操作手柄進行夾持油缸的伸縮運動，試驗時間為10 s，前5 s負載敏感換向閥處于左位，后5 s負載敏感換向閥處于右位。通過上位機采集夾持油缸無桿腔壓力，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比如圖7所示。

圖6 支架安裝車夾持壓力測試

從圖7中可以看出，當換向閥打開時，夾持油缸有一個建壓時間，泵出口壓力出現(xiàn)10 MPa的峰值，但經(jīng)過0.2 s時間壓力振蕩后趨于穩(wěn)定；在第3.1秒左右，夾鉗和工件接觸，系統(tǒng)開始憋壓，蓄能器開始充液，在第4秒時，系統(tǒng)完成充液；在第5秒時，換向閥換向，夾持油缸無桿腔壓力迅速卸載，經(jīng)過短時間波動后穩(wěn)定在1.5 MPa左右，在第6.4秒時，油缸完全縮回，無桿腔壓力趨于0 MPa。在夾持油缸伸縮過程中，受液壓系統(tǒng)和實際操作的影響，試驗數(shù)據(jù)會有一定振蕩。這是因為在仿真過程中沒有考慮變量泵輸出油液的脈動性、傳感器測量精度、仿真變量與實際參數(shù)取值的差異，這些都對計算結(jié)果造成了實際影響，但油缸無桿腔工作壓力仿真曲線和試驗曲線的變化趨勢和曲線形狀能較好吻合，在整個夾鉗夾持過程中響應(yīng)曲線最大壓力差值在10%以內(nèi)，驗證了所建夾具系統(tǒng)動力學模型的準確性。

圖7 夾持油缸無桿腔壓力仿真與試驗曲線

6 結(jié)論

根據(jù)核電站支架安裝車夾持工件的作業(yè)要求，設(shè)計一種可適應(yīng)不同工件截面尺寸的保壓夾具系統(tǒng)，通過分析夾具結(jié)構(gòu)組成和夾持原理，基于鍵合圖理論建立系統(tǒng)的動力學模型，并進行仿真分析和試驗研究，可以得出如下結(jié)論：

(1)在活動夾板接觸支架憋壓之前，變量泵流量控制閥工作，泵輸出流量與換向閥開口面積正相關(guān)，活動夾鉤轉(zhuǎn)動平穩(wěn)；當夾持油缸伸至工作極限位置時，變量泵壓力控制閥工作，泵高壓待命；

(2)蓄能器能及時補充系統(tǒng)泄漏的油液，保證工件夾持力的安全穩(wěn)定，且當油缸夾持壓力低于安全值時，高壓待命的變量泵2 s時間內(nèi)可完成蓄能器充液，并在充液過程中保證工作壓力在支架夾持安全值之上；

(3)夾持油缸無桿腔工作壓力的數(shù)值模擬結(jié)果和試驗結(jié)果比較吻合，驗證了所建模型的準確性，為進一步分析和優(yōu)化夾具系統(tǒng)動力學性能提供參考。