淺海移動(dòng)平臺(tái)行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)

董奇峰 李高峰 紀(jì)曉宇

1中交第二航務(wù)工程局有限公司 武漢 430040 2長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430040 3交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心 武漢 430040 4中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司 武漢 430040 5中交二航局結(jié)構(gòu)工程有限公司 武漢 430040

0 引言

近年來，隨著對(duì)海洋地域施工和資源開采的需求增多，海洋工程裝備的發(fā)展也愈發(fā)受到重視[1]。其中可移動(dòng)式海洋工程裝備具備較高的靈活性和適應(yīng)性，被廣泛研發(fā)應(yīng)用于各類海上工程中[2,3]。

淺海移動(dòng)平臺(tái)作為淺海重要的施工裝備，需要在凹凸不平的淺海地域穩(wěn)定的行走和作業(yè)，故對(duì)行走機(jī)構(gòu)的復(fù)雜地形適應(yīng)能力要求極高。如圖1所示，淺海移動(dòng)平臺(tái)為4點(diǎn)支撐式作業(yè)平臺(tái)，每個(gè)支撐點(diǎn)有一個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)型履帶式行走機(jī)構(gòu)，每個(gè)履帶行走機(jī)構(gòu)各有2個(gè)履帶總成，能夠使其在具有縱向坡度和橫向斜度的地形中行走作業(yè)。淺海移動(dòng)平臺(tái)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)決定了作業(yè)平臺(tái)的行走性能，故其行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析至關(guān)重要。

圖1 淺海移動(dòng)平臺(tái)示意圖

由于履帶行走機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、施工機(jī)械、煤礦機(jī)械等領(lǐng)域，故履帶式行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)類別十分龐雜。朱晨輝等[4]根據(jù)田間農(nóng)作物生長情況，針對(duì)高地隙履帶作業(yè)車的作業(yè)需求，設(shè)計(jì)了比例閥控定量馬達(dá)開式液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；趙海芳[5]根據(jù)伸縮臂履帶起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)受力特性，設(shè)計(jì)了比例閥控變量馬達(dá)開式液壓行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)；徐建超等[6]根據(jù)伸縮臂履帶起重機(jī)作業(yè)工況，設(shè)計(jì)了閥控定量馬達(dá)開式行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)；安四元[7]針對(duì)煤礦井下履帶車輛行走控制特性需求，設(shè)計(jì)了比例閥控變量馬達(dá)開式行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)。淺海移動(dòng)平臺(tái)每個(gè)履帶行走機(jī)構(gòu)有2個(gè)履帶總成，其行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需考慮的情況更為復(fù)雜?；诖?，本文針對(duì)淺海移動(dòng)平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

1 總體設(shè)計(jì)方案

淺海移動(dòng)平臺(tái)履帶行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器為8個(gè)液壓馬達(dá)，在行走過程中，不僅需要控制行走機(jī)構(gòu)的行走速度，還需要控制其行走方向，即對(duì)液壓馬達(dá)的方向和速度均需進(jìn)行控制。在作業(yè)平臺(tái)轉(zhuǎn)向過程中，每個(gè)履帶總成的行走速度均不相同，尤其對(duì)于4個(gè)履帶行走機(jī)構(gòu)的行走速度均需有所控制才能按照預(yù)定的轉(zhuǎn)向軌跡行走，故淺海移動(dòng)平臺(tái)4個(gè)行走機(jī)構(gòu)需獨(dú)立控制。

液壓系統(tǒng)主要有閉式系統(tǒng)和開式系統(tǒng)，閉式系統(tǒng)一般為泵控系統(tǒng)，液壓泵從液壓油箱吸入液壓油，輸出的壓力油通過管路進(jìn)入執(zhí)行器中，而執(zhí)行器中的回油不直接回到油箱，反而通過管路回到進(jìn)入液壓泵的進(jìn)油口，故可以通過改變液壓回路中的變量泵排量等調(diào)節(jié)方式對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行控制。由于該過程空氣進(jìn)入油液的機(jī)會(huì)較少，系統(tǒng)工作較為平穩(wěn)，且需要的油箱體積較小，不會(huì)占用設(shè)備過多的空間，但閉式系統(tǒng)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，散熱條件較差，且成本相對(duì)較高。開式系統(tǒng)往往為閥控系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，由于油箱較大，散熱較好，且控制方式靈活，成本也相對(duì)較低。經(jīng)上述分析，淺海移動(dòng)平臺(tái)履帶行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用開式閥控系統(tǒng)。

閥控系統(tǒng)主要有電液伺服系統(tǒng)、電液比例系統(tǒng)和開關(guān)控制系統(tǒng)3種，控制元件分別為伺服閥、比例閥和開關(guān)閥。其中，伺服閥雖然控制精度和頻響很高，但對(duì)于液壓油液的抗污染能力較差，且成本較高；開關(guān)閥雖然結(jié)實(shí)耐用、成本較低，卻不能有效地對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行速度控制；比例閥介于伺服閥和開關(guān)閥之間，在控制精度和頻響方面與伺服閥差距較小，且成本較低、容易控制、抗污染能力較強(qiáng)，既可實(shí)現(xiàn)開關(guān)可控制，也可根據(jù)系統(tǒng)需要加入檢測元件形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠滿足絕大多數(shù)的使用場合[8]。從穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性上考慮，淺海移動(dòng)平臺(tái)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電液比例系統(tǒng)。

開式電液比例系統(tǒng)大多可歸為恒壓系統(tǒng)和負(fù)載敏感系統(tǒng)，淺海移動(dòng)平臺(tái)在行走時(shí)每個(gè)行走機(jī)構(gòu)的行走驅(qū)動(dòng)力均不相同，存在負(fù)載差異，且各液壓馬達(dá)所需流量大小也需獨(dú)立控制。針對(duì)這種工況，為了提高能源利用效率且增加對(duì)工況的適應(yīng)性，采用電液比例負(fù)載敏感系統(tǒng)。

負(fù)載敏感系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各類農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械當(dāng)中，可以根據(jù)負(fù)載所需自動(dòng)將壓力和流量信號(hào)反饋至變量泵的控制機(jī)構(gòu)，達(dá)到泵的輸出功率與負(fù)載所需相匹配的目的[9]。同樣地，負(fù)載敏感系統(tǒng)能夠使系統(tǒng)中不同的執(zhí)行器在互不干擾的情況下穩(wěn)定協(xié)同動(dòng)作，該特性對(duì)淺海移動(dòng)平臺(tái)4個(gè)履帶行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獨(dú)立控制需要尤為重要。根據(jù)壓力補(bǔ)償閥和主控制閥相對(duì)位置關(guān)系，負(fù)載敏感系統(tǒng)可分為閥前補(bǔ)償和閥后補(bǔ)償系統(tǒng)。其中，閥后補(bǔ)償系統(tǒng)又稱為LUDV系統(tǒng)，具有良好的抗流量飽和性[10]。LUDV系統(tǒng)組成如圖2所示，由于執(zhí)行器A和執(zhí)行器B負(fù)載不同，所以梭閥通過對(duì)兩者產(chǎn)生的壓力進(jìn)行比較后，將較高的負(fù)載壓力反饋到負(fù)載敏感泵的控制閥處，使其對(duì)泵的排量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的壓力進(jìn)行調(diào)整，使系統(tǒng)壓力與最高負(fù)載壓力相匹配。壓力補(bǔ)償器由于處于平衡狀態(tài)，所以其左右控制油路的壓力相等，即主閥出油口壓力等于系統(tǒng)最高負(fù)載壓力，與進(jìn)油口壓力存在壓力差，該壓力差等于負(fù)載敏感泵所設(shè)定的壓力差值，通常為14 bar。由于主閥的流量僅與其進(jìn)、出油口的壓力差和通流面積有關(guān)，在壓力差不變的情況下，即使在泵輸出流量不足的情況下，其流量輸出大小也可以通過閥開口度進(jìn)行有效控制，使各執(zhí)行器的速度僅與對(duì)應(yīng)的控制主閥閥口開度相關(guān)，既保證了執(zhí)行器的可控性，又提高了多執(zhí)行器協(xié)同工作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖 2 LUDV系統(tǒng)原理圖

綜上所述，針對(duì)淺海移動(dòng)平臺(tái)4個(gè)行走機(jī)構(gòu)方向和速度均需獨(dú)立控制的需求，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、可靠性和可控性，采用將負(fù)載敏感泵和比例負(fù)載敏感多路閥相結(jié)合的LUDV系統(tǒng)作為其行走機(jī)構(gòu)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)組成及原理

淺海移動(dòng)平臺(tái)行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)如圖3所示，主要由泵站、電動(dòng)機(jī)、負(fù)載敏感泵、比例多路閥、分流集流閥、液壓馬達(dá)組成。其中截止閥、空氣過濾器、液位計(jì)、回油過濾器、風(fēng)冷集成到泵站上，為液壓系統(tǒng)的輔助元件；電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為系統(tǒng)提供原動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感泵為系統(tǒng)提供液壓能；比例多路閥集成壓力補(bǔ)償閥和比例換向閥，為執(zhí)行器輸入速度和方向可控的油液；分流集流閥則可實(shí)現(xiàn)雙馬達(dá)的單向同步運(yùn)動(dòng)。

圖3 行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)原理圖

淺海移動(dòng)平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)邏輯如圖4所示，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)變量泵，經(jīng)比例閥后傳遞至分流集流閥，后經(jīng)分流集流閥將流量平分后分別傳遞至單履帶行走機(jī)構(gòu)的2個(gè)履帶總成行走馬達(dá)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)作業(yè)平臺(tái)行走。該系統(tǒng)可分別對(duì)4個(gè)行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)立控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)向2種工作模式。

圖4 行走驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)路線圖

1）直行液壓系統(tǒng)工作原理是將相同的控制電流輸入到4個(gè)比例閥，使各比例閥開口度相同，則經(jīng)比例閥輸入到分流集流閥的流量相同，然后分流集流閥將流量均分，進(jìn)而使輸入各行走馬達(dá)的流量相同，各履帶總成行走速度相同，實(shí)現(xiàn)直行目的。

2）根據(jù)轉(zhuǎn)向行走各履帶行走機(jī)構(gòu)速度的控制需求，將不同的控制電流輸入到4個(gè)比例閥，使各比例閥開口度按照所給控制電流實(shí)現(xiàn)不同的流量輸出，經(jīng)分流集流閥分配到各行走馬達(dá)，各履帶行走機(jī)構(gòu)按照不同的行走速度前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向目的。另外，由于分流集流閥出口流量會(huì)根據(jù)負(fù)載壓力的不同而出現(xiàn)微小的自適應(yīng)調(diào)整，單履帶行走機(jī)構(gòu)上的2個(gè)履帶總成在轉(zhuǎn)向作業(yè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較小的速度差[11]，不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向行走造成干擾。

2.2 主要液壓元件參數(shù)的選用

行走馬達(dá)的最大行走速度v＝0.2 m/s，最大工作扭矩M＝3 270 N·m，排量V1＝45 mL/r，最大流量Q1＝25 L/min，額定壓力P＝21 MPa，減速器傳動(dòng)比i＝45。每片比例閥控制2個(gè)液壓馬達(dá)，故比例閥控制流量Q2需滿足

Q2＝2Q1＝50 L/min

由此，選擇最大流量為50 L/min規(guī)格的比例多路閥。

液壓泵需滿足8個(gè)液壓馬達(dá)同時(shí)以最大速度轉(zhuǎn)動(dòng)，所以液壓泵供油流量Q3需滿足

Q3＝8Q1＝200 L/min

液壓泵排量V2需滿足

式中：n為工作轉(zhuǎn)速，取n=1 800 r/min；η為液壓泵容積效率，取η=0.95。

由此得出，V2＝117 mL/r，選擇排量為140 mL/r規(guī)格的負(fù)載敏感泵，系統(tǒng)額定工作壓力為21 MPa。

3 液壓系統(tǒng)分析

3.1 仿真分析

液壓仿真技術(shù)能夠較真實(shí)地模擬液壓系統(tǒng)的各項(xiàng)特性，為技術(shù)人員的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考[12]。在液壓系統(tǒng)仿真過程中，往往以主要元件的仿真驗(yàn)證為主，而次要元件可以做簡化處理，行走液壓系統(tǒng)核心元件為分流集流閥。結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)，基于AMESim搭建淺海移動(dòng)平臺(tái)單行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型如圖5所示，系統(tǒng)主要元件為油箱、負(fù)載敏感泵、電動(dòng)機(jī)、溢流閥、比例閥、分流集流閥、行走馬達(dá)1、行走馬達(dá)2等。由于系統(tǒng)僅對(duì)單行走回路進(jìn)行仿真分析，不必考慮多回路的負(fù)載壓差，故使用普通比例閥將負(fù)載敏感比例多路閥進(jìn)行簡化代替。

圖5 單行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

對(duì)分流集流閥進(jìn)行同步性仿真分析，結(jié)果如圖6所示，可知分流集流閥在流量分配過程中，最大流量差值為0.4 L/min，且在2 s內(nèi)能將流量差消除，能夠較好地將流量平分給行走馬達(dá)，使單行走機(jī)構(gòu)的2個(gè)履帶總成具備良好的同步性。

圖6 流量曲線圖

3.2 試驗(yàn)分析

對(duì)淺海移動(dòng)平臺(tái)行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，如圖7所示。使淺海移動(dòng)平臺(tái)以標(biāo)定速度0.2 m/s直線行走20 m 共3次，記錄其行走時(shí)間和偏航距離。

圖7 試驗(yàn)分析現(xiàn)場

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，淺海移動(dòng)平臺(tái)實(shí)際行走速度平均為0.198 m/s，與標(biāo)定速度差距在1%以內(nèi)；行走偏離距離平均為0.486 m，偏航角度為1.4°，故淺海移動(dòng)平臺(tái)行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)性能較好。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)綜合分析工程機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常用的液壓系統(tǒng)類型和特點(diǎn)，結(jié)合淺海移動(dòng)平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)特性，采用將負(fù)載敏感泵和比例負(fù)載敏感多路閥相結(jié)合的LUDV系統(tǒng)作為其行走機(jī)構(gòu)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2)基于AMESim對(duì)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析，分析結(jié)果表明：分流集流閥對(duì)雙履帶總成進(jìn)行流量分配時(shí)，最大流量誤差為0.4 L/min，且調(diào)整速度不超過2 s，具備良好的同步性能。

3)通過試驗(yàn)對(duì)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，測試結(jié)果表明：淺海移動(dòng)平臺(tái)行走速度與標(biāo)定速度誤差在1%以內(nèi)，行走偏航角度不超過1.4°，具備良好的作業(yè)性能。