水下開(kāi)挖機(jī)器人液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

王 振 程雪聰 劉修成 董奇峰

1中交二航局第二工程有限公司 重慶 400000 2中交第二航務(wù)工程局有限公司 武漢 430040

0 引言

液壓傳動(dòng)具有功重比大、驅(qū)動(dòng)力大、調(diào)速范圍廣、響應(yīng)快、剛度大、安全性高等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于各大重工行業(yè)重載驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。工程機(jī)械由于工作環(huán)境惡劣、對(duì)速度控制寬度要求較高且常處于重載作業(yè)狀態(tài)，出于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積、工作效率以及可靠性等方面的考慮，常采用液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[2]。

隨著電液控制技術(shù)的興起，以控制技術(shù)、液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)等多學(xué)科融合技術(shù)為基礎(chǔ)，工程機(jī)械逐漸向著機(jī)器人化、智能化方向發(fā)展，促進(jìn)了我國(guó)工程機(jī)械的改造升級(jí)[3]，而以液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)形式的特種工程機(jī)器人也隨著各行業(yè)的需求被相繼開(kāi)發(fā)研制。鄧三鵬等[4]為實(shí)現(xiàn)建筑物拆破的自動(dòng)化，設(shè)計(jì)了超高壓水射流拆破機(jī)器人，并根據(jù)機(jī)器人特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)液壓系統(tǒng)的特性進(jìn)行了分析；曹建樹(shù)等[5]根據(jù)污水管道清淤機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性，為提高其負(fù)載能力進(jìn)行了行走單元和清理裝置的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性；趙云偉等[6]根據(jù)管道泄漏機(jī)器人的功能需求和技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了行走、轉(zhuǎn)向、調(diào)速、臂架控制全套液壓系統(tǒng)，完成了機(jī)器人搶修行為作業(yè)的驅(qū)動(dòng)；房德磊等[7]針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人多負(fù)載同時(shí)作業(yè)的工作特點(diǎn)，采用2級(jí)壓力源系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人較高效率的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。

上述研究者針對(duì)各自領(lǐng)域工程機(jī)器人工作特性設(shè)計(jì)了相應(yīng)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，均取得了較好的應(yīng)用效果。水下開(kāi)挖機(jī)器人是用于沉井取土作業(yè)的特種工程機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，支撐平臺(tái)和支撐臂構(gòu)成了機(jī)器人的上部總成，通過(guò)支撐臂將機(jī)器人整體固定于沉井墻壁上；伸縮臂、擺幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)構(gòu)成了機(jī)器人的下部總成，通過(guò)控制銑挖刀頭對(duì)沉井下的土層進(jìn)行銑挖工作。水下開(kāi)挖機(jī)器人有4個(gè)支撐臂驅(qū)動(dòng)液壓缸、1個(gè)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、1個(gè)擺幅機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸、1個(gè)伸縮臂驅(qū)動(dòng)液壓缸和1個(gè)銑挖刀頭驅(qū)動(dòng)馬達(dá)共計(jì)8個(gè)液壓執(zhí)行器，需綜合考慮各執(zhí)行器工作特性，進(jìn)而進(jìn)行液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖1 水下開(kāi)挖機(jī)器人

1 負(fù)載特性分析

1.1 支撐臂負(fù)載特性分析

水下開(kāi)挖機(jī)器人通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)吊入沉井之后，伸縮臂從支撐平臺(tái)內(nèi)伸出，抵住沉井墻壁，一方面用以支撐機(jī)器人在井下的作業(yè)姿態(tài)，防止機(jī)器人作業(yè)時(shí)晃動(dòng)；另一方面搭配卷?yè)P(yáng)機(jī)給機(jī)器人垂直向上的力，用以防止機(jī)器人下滑。取其中一個(gè)支撐臂受力特性進(jìn)行分析，如圖2所示。假定機(jī)器人一半質(zhì)量由伸縮臂與井壁之間的摩擦力進(jìn)行承載抵消，以機(jī)器人整機(jī)質(zhì)量為垂直向上負(fù)載，則有

圖2 支撐臂受力特性分析

式中：FG為機(jī)器人一半總重，取值100 000 N；μ為支撐臂與井壁之間的摩擦系數(shù)，取值0.2；F1為伸縮臂對(duì)井壁的壓緊力；Ff為井壁對(duì)伸縮臂的摩擦力。

由式（1）可得，F(xiàn)f=25 000 N、F1=125 000 N，即支撐臂驅(qū)動(dòng)液壓缸需提供頂推力為125 000 N。

1.2 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)負(fù)載特性分析

回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)為低速大扭矩傳動(dòng)裝置，由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)作為主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將驅(qū)動(dòng)馬達(dá)小扭矩、高轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為低速大扭矩運(yùn)動(dòng)[8]。水下開(kāi)挖機(jī)器人所用回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)傾覆力矩Mq為180 kN·m，輸出扭矩Ms為12 kN·m，傳動(dòng)比i為108:1，保持力矩Mb為98 kN·m，輸出轉(zhuǎn)速ns為 1.5 rad/min。

由回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)參數(shù)可知，其驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)參數(shù)為

式中：M1為回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)輸出扭矩；n1為回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速。代入驅(qū)動(dòng)技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)，可得M1=0.1 kN·m，n1=162 rad/min。

1.3 擺幅機(jī)構(gòu)負(fù)載特性分析

擺幅機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸控制伸縮臂進(jìn)行擺動(dòng)，液壓缸每個(gè)伸長(zhǎng)狀態(tài)受力均不相同，故采用動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)其進(jìn)行負(fù)載特性分析。

在Solidworks/Motion環(huán)境下建立機(jī)器人下部總成三維模型，并根據(jù)實(shí)際材料和受力特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。其中，設(shè)置引力場(chǎng)重力加速度g方向按實(shí)際工況垂直向下，大小為9.8 m/s2；外負(fù)載Fx施加于銑挖刀頭，方向垂直于伸縮臂伸縮方向，大小為10 000 N；擺幅機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸由最大行程狀態(tài)縮回320 mm，仿真時(shí)間10 s，最終銑挖刀頭形成弧形運(yùn)行軌跡，如圖3所示。擺幅機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸受力情況仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 擺幅機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真示意圖

圖4 擺幅機(jī)構(gòu)液壓缸受力曲線圖

由圖4可知，擺幅機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸縮回時(shí)拉力F2在作業(yè)時(shí)最大值為170 500 N。由于非對(duì)稱液壓缸在系統(tǒng)壓力相同時(shí)，縮回時(shí)的最大負(fù)載力要小于伸出時(shí)最大負(fù)載力，故以該值作為擺幅機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸選型的計(jì)算參考值。

1.4 伸縮臂負(fù)載特性分析

伸縮臂結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由內(nèi)套筒、外套筒、伸縮臂驅(qū)動(dòng)液壓缸組成。其中，伸縮臂驅(qū)動(dòng)液壓缸分別鉸接于內(nèi)套筒和外套筒相應(yīng)的耳板上，當(dāng)液壓缸伸縮時(shí)，帶動(dòng)內(nèi)套筒相對(duì)于外套筒產(chǎn)生平移運(yùn)動(dòng)。由于內(nèi)、外套筒之間的摩擦力遠(yuǎn)小于銑挖支撐力F3，可忽略不計(jì)；而F3取值50 000 N，方向沿伸縮臂縮回方向。

圖5 伸縮臂結(jié)構(gòu)圖

另外，由于銑挖刀頭為外購(gòu)件，已根據(jù)施工要求內(nèi)置相應(yīng)液壓馬達(dá)，故不再對(duì)其進(jìn)行分析。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

經(jīng)上述分析，水下開(kāi)挖機(jī)器人8個(gè)液壓執(zhí)行器中，4個(gè)支撐臂驅(qū)動(dòng)液壓缸負(fù)載特性相同，其余4個(gè)執(zhí)行器與之均不相同。其中，支撐臂驅(qū)動(dòng)液壓缸和銑挖刀頭驅(qū)動(dòng)馬達(dá)無(wú)需進(jìn)行精確的速度控制，也無(wú)需做閉環(huán)控制運(yùn)動(dòng)；相對(duì)地，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)、擺幅機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸和伸縮臂驅(qū)動(dòng)液壓缸則要做到精確的軌跡控制，故需要進(jìn)行閉環(huán)控制。

液壓系統(tǒng)主要可分為開(kāi)式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和半開(kāi)式系統(tǒng)3種，其中尤以開(kāi)式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)最為常用。閉式系統(tǒng)常為泵控系統(tǒng)，即主要控制元件為液壓泵；開(kāi)式系統(tǒng)常為閥控系統(tǒng)，即主要控制元件為液壓控制閥，二者主要區(qū)別如表1所示。

表1 開(kāi)式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)比

水下開(kāi)挖機(jī)器人對(duì)液壓油箱體積的大小沒(méi)有具體要求，且在條件允許的情況下需要對(duì)每個(gè)執(zhí)行器進(jìn)行獨(dú)立控制，同時(shí)結(jié)合成本因素，綜合考慮采用開(kāi)式閥控液壓系統(tǒng)。

工程機(jī)械中常用的閥控系統(tǒng)有電液比例系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，其中電液比例系統(tǒng)可以通過(guò)加入傳感器對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行閉環(huán)控制且控制精度能夠滿足絕大多少場(chǎng)景的使用需求[9]。由于回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)、擺幅機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸和伸縮臂驅(qū)動(dòng)液壓缸需要做精確的位置控制，故考慮對(duì)上述執(zhí)行器使用電液比例閥進(jìn)行控制。

電液比例閥控系統(tǒng)可分為恒壓系統(tǒng)和負(fù)載敏感系統(tǒng)，其中負(fù)載敏感系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力取決于所有執(zhí)行器中最高的負(fù)載壓力，可以根據(jù)各執(zhí)行器工況進(jìn)行相應(yīng)的自適應(yīng)調(diào)整，故屬于節(jié)能系統(tǒng)的一種。由于水下開(kāi)挖機(jī)器人各機(jī)構(gòu)執(zhí)行器的負(fù)載特性均不相同，為增加液壓系統(tǒng)的適應(yīng)能力，采用負(fù)載敏感系統(tǒng)。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)的抗流量飽和性能，最終確定采用負(fù)載敏感系統(tǒng)中的LUDV系統(tǒng)[10]。

2.2 液壓子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）支撐臂液壓子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 支撐臂在抵住沉井墻壁之后，需要根據(jù)負(fù)載特性對(duì)其進(jìn)行保壓操作。常用的保壓回路有換向閥中位特性保壓、鎖緊閥保壓和蓄能器保壓回路，由于機(jī)器人不需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保壓作業(yè)，而換向閥中位特性保壓回路的保壓性能較差，可考慮較經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的鎖閥回路方式[11]，如圖6所示，比例多路閥控制高壓油路進(jìn)入支撐臂驅(qū)動(dòng)液壓缸，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到油路壓力等于所需保壓值時(shí)，比例多路閥回到零位，切斷液壓缸進(jìn)油路，同時(shí)通過(guò)液壓鎖對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行保壓。

圖6 伸縮臂液壓子系統(tǒng)原理圖

2）下部總成液壓子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)器人下部總成各執(zhí)行元件在作業(yè)時(shí)除需要進(jìn)行位置和速度控制外，無(wú)其余特殊要求，考慮到各執(zhí)行器在啟、停時(shí)刻的運(yùn)行平穩(wěn)性，在控制閥和執(zhí)行器之間增加雙向平衡閥，如圖7所示。

圖7 伸縮臂液壓子系統(tǒng)原理圖

綜上所述，加入液壓附件以及動(dòng)力元件，水下開(kāi)挖機(jī)器人液壓原理圖如圖8所示。其中電動(dòng)機(jī)、負(fù)載敏感泵組成了液壓系統(tǒng)的動(dòng)力總成，為液壓系統(tǒng)提供液壓能；進(jìn)油過(guò)濾器、回油過(guò)濾器、液位計(jì)、空氣過(guò)濾器、冷卻器等為液壓系統(tǒng)輔助元件，為液壓系統(tǒng)的正常使用提供必要的輔助作用。

圖8 液壓系統(tǒng)原理圖

2.3 主要液壓元件的參數(shù)選取

1）系統(tǒng)工作壓力 液壓系統(tǒng)工作壓力一般由載荷大小、工作場(chǎng)合等相關(guān)技術(shù)要求確定，工程機(jī)械常用的工作壓力在中、高壓范圍內(nèi)。由于水下開(kāi)挖機(jī)器人使用負(fù)載敏感系統(tǒng)，常用的負(fù)載敏感泵工作壓力可達(dá)28 MPa，考慮到各執(zhí)行元件的體積和結(jié)構(gòu)緊湊性，選定系統(tǒng)工作壓力為28 MPa。

2）執(zhí)行元件與對(duì)應(yīng)控制閥主要參數(shù) 不考慮執(zhí)行元件的回油背壓，設(shè)定該參數(shù)為0，則非對(duì)稱液壓缸活塞桿伸出時(shí)推力為

式中：Fa為活塞桿伸出時(shí)推力；D為液壓缸缸徑；p為系統(tǒng)工作壓力；β為負(fù)荷率，取值0.8。

活塞桿伸出時(shí)流量為

式中：Qa為活塞桿伸出時(shí)流量，va為活塞桿伸出時(shí)速度。

活塞桿縮回時(shí)拉力為

式中：Fb為活塞桿縮回時(shí)拉力，d為液壓缸桿徑。

活塞桿縮回時(shí)流量為

式中：Qb為活塞桿縮回時(shí)流量，vb為活塞桿縮回時(shí)速度。

液壓缸的選型不僅要考慮受力和速度，還要考慮行程、安裝形式以及現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)。水下開(kāi)挖機(jī)器人對(duì)各部分機(jī)構(gòu)液壓缸的速度無(wú)具體要求，只需選擇滿足負(fù)載和行程的液壓缸即可。根據(jù)實(shí)際需求，最終確定各液壓缸技術(shù)參數(shù)。其中，支撐臂驅(qū)動(dòng)液壓缸缸徑D1=100 mm，桿徑d1=70 mm，保壓壓力值p1=25 MPa；擺幅機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸缸徑D2=150 mm，桿徑d2=105 mm；伸縮臂驅(qū)動(dòng)液壓缸缸徑D3=125 mm，桿徑d3=100 mm。另外，各液壓缸控制閥流量均按Q=50 L/min進(jìn)行選型。

根據(jù)所選回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，廠家配套了對(duì)應(yīng)的液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，該馬達(dá)工作壓力p2≤6.5 MPa、控制流量Q2≤20 L/min；銑挖刀頭配套液壓馬達(dá)最大工作壓力不大于32 MPa、控制流量Q3≤60 L/min。因此，各液壓馬達(dá)控制閥也可以按照Q=50 L/min進(jìn)行選型。

3）液壓泵主要參數(shù) 水下掘進(jìn)機(jī)器人在作業(yè)時(shí)，最大流量使用場(chǎng)景為4個(gè)支撐臂同時(shí)以最大速度工作，該工況下系統(tǒng)最大使用流量為200 L/min，但實(shí)際上支撐臂無(wú)需以最大速度工作，只要在允許時(shí)間內(nèi)抵住井壁即可；而銑挖刀頭在作業(yè)時(shí)，最多有銑挖刀頭液壓馬達(dá)、伸縮臂驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)和擺幅機(jī)構(gòu)液壓馬達(dá)同時(shí)動(dòng)作，因此可以考慮按照最大系統(tǒng)流量150 L/min進(jìn)行液壓泵的參數(shù)計(jì)算。液壓泵排量V計(jì)算公式為

式中：n為工作轉(zhuǎn)速，n=2 200 r/min；為液壓泵容積效率，?=0.95；Qm為系統(tǒng)最大流量，Qm=150 L/min，所以V=71 mL/r。

因此，選擇排量為71 mL/r規(guī)格的負(fù)載敏感泵，同時(shí)可以液壓泵工作轉(zhuǎn)速選擇相應(yīng)型號(hào)的電動(dòng)機(jī)。

3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與應(yīng)用

在完成整機(jī)裝配后，開(kāi)始進(jìn)行液壓系統(tǒng)的調(diào)試和整機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，如圖9所示。液壓系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，液壓系統(tǒng)各部分運(yùn)行狀況良好，各機(jī)構(gòu)動(dòng)作平穩(wěn)、流暢。經(jīng)過(guò)初步液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的調(diào)試，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)、擺幅機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓缸、伸縮臂液壓缸可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，控制精度在10 mm左右。

圖9 水下開(kāi)挖機(jī)器人

當(dāng)調(diào)試結(jié)束后，水下開(kāi)挖機(jī)器人投入某工程項(xiàng)目作業(yè)中。在一個(gè)點(diǎn)位作業(yè)過(guò)程中，伸縮臂驅(qū)動(dòng)液壓缸壓力始終能保持在預(yù)定范圍內(nèi)，銑挖過(guò)程中系統(tǒng)最高壓力達(dá)到26.4 MPa，在系統(tǒng)工作壓力之內(nèi)，基本達(dá)到工程設(shè)計(jì)預(yù)期。

4 結(jié)論

1）綜合分析水下開(kāi)挖機(jī)器人支撐臂、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、擺幅機(jī)構(gòu)、伸縮臂等機(jī)構(gòu)的負(fù)載特性，通過(guò)理論計(jì)算和仿真分析的方法求解出各執(zhí)行元件的負(fù)載值。

2）對(duì)工程機(jī)械常用的液壓系統(tǒng)類型和特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合水下開(kāi)挖機(jī)器人特點(diǎn)，采用負(fù)載敏感系統(tǒng)中的LUDV系統(tǒng)作為其液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

3）對(duì)機(jī)器人液壓系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和應(yīng)用，結(jié)果表明：機(jī)器人各液壓子系統(tǒng)運(yùn)行良好，且在實(shí)際應(yīng)用能夠達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。