周成龍 宋政昌 曾群鋒 孫興漢
摘要:傳統(tǒng)壓差補(bǔ)償器只適用于體積不變的容腔,技術(shù)通用性不強(qiáng)、使用壽命短、可靠性差且存在變形阻力和驅(qū)動(dòng)力非線性的問(wèn)題。為此,設(shè)計(jì)了一款滾動(dòng)膜片式的壓差補(bǔ)償器,適用于水下液壓系統(tǒng)體積變化的容腔。對(duì)該壓差補(bǔ)償器進(jìn)行了理論計(jì)算,并使用ANSYS對(duì)滾動(dòng)膜片進(jìn)行了非線性有限元仿真。模擬結(jié)果顯示:該壓差補(bǔ)償器可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的位移,同時(shí)變形阻力較小,可以更靈活地實(shí)現(xiàn)較大范圍的壓力補(bǔ)償。最后將該滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器應(yīng)用于潛水清淤機(jī)器人并投入疏浚工程中,驗(yàn)證了其實(shí)際使用的可行性。研究成果可為此類(lèi)壓差補(bǔ)償器的優(yōu)化升級(jí)及系列化提供參考。
關(guān)鍵詞:潛水清淤機(jī)器人; 滾動(dòng)膜片; 壓差補(bǔ)償器; 非線性仿真
中圖法分類(lèi)號(hào): TP242
文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.027
0引 言
潛水清淤機(jī)器人是用于城市地下排水管網(wǎng)、暗涵、暗渠等清淤的一體化裝備[1]。液壓泵和液壓馬達(dá)分別作為液壓系統(tǒng)的“心臟”和“手臂”[2],其工作過(guò)程中常需要整機(jī)潛入水下進(jìn)行作業(yè),因而液壓系統(tǒng)的容腔體積是變化的。作為清淤機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水下作業(yè)的重要支持部件,壓差補(bǔ)償器起著平衡內(nèi)部油壓和外界水環(huán)境壓力的作用[3-5],同時(shí)也可以防止水滲入液壓系統(tǒng)[6-7]。
圖1列出了常見(jiàn)的3種壓差補(bǔ)償器形式:內(nèi)部裝有皮囊的皮囊式、彈性元件為薄壁金屬殼的金屬薄膜式、可伸縮的波紋管式。3種壓差補(bǔ)償器都是一個(gè)薄壁容器,允許有一定的彈性變形,以此來(lái)均衡壓差變化。它們只適用于體積不變的容腔,技術(shù)通用性不強(qiáng),難以形成系列化產(chǎn)品,使用壽命短,可靠性差且存在變形阻力和驅(qū)動(dòng)力非線性的問(wèn)題,大多屬于異形產(chǎn)品,在實(shí)際應(yīng)用中不便于設(shè)計(jì)和使用[8]。
滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器因其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有效作用面積不變,解決了傳統(tǒng)壓差補(bǔ)償器軸向變形量與驅(qū)動(dòng)力呈非線性關(guān)系的問(wèn)題,適用于體積變化的容腔,還擁有行程大、變形和摩擦阻力小、密封可靠等優(yōu)點(diǎn)[9-10]。但目前滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)更多依靠經(jīng)驗(yàn),對(duì)設(shè)計(jì)方法的研究較少,且沒(méi)有形成完整成熟的體系[11]。
本文通過(guò)對(duì)壓差補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論計(jì)算和仿真研究,設(shè)計(jì)出一款適合在潛水清淤機(jī)器人上使用的可系列化滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器,并在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證其性能可靠性。
1壓差補(bǔ)償器設(shè)計(jì)
1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示,整機(jī)示意如圖3所示。
1.2工作原理
壓差補(bǔ)償器的工作原理具體地說(shuō),是通過(guò)調(diào)節(jié)給定彈簧的預(yù)緊力來(lái)調(diào)節(jié)比較機(jī)構(gòu)的平衡狀態(tài)。當(dāng)輸出壓力、給定彈簧的力(或力矩、或位移)與輸入壓力(或力矩、或位移)平衡時(shí),可調(diào)減壓閥的開(kāi)度保持不變,輸出壓力就維持不變。若輸出壓力發(fā)生變化,平衡狀態(tài)被破壞,閥的開(kāi)度就發(fā)生變化,最終進(jìn)油量發(fā)生變化,從而使輸出壓力維持在給定彈簧設(shè)置的壓力上。
本文所述壓差補(bǔ)償器如圖2~3所示,一側(cè)和液壓油相通,另一側(cè)和外界水環(huán)境相通,中間通過(guò)法蘭盤(pán)連接,滾動(dòng)膜片在其中把液壓油和水環(huán)境隔離開(kāi)。在壓差補(bǔ)償器工作時(shí),驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生于壓力大的一側(cè),在驅(qū)動(dòng)力的作用下活塞帶動(dòng)滾動(dòng)膜片運(yùn)動(dòng),直到驅(qū)動(dòng)力與彈簧彈力達(dá)到平衡。水下壓力變化時(shí),膜片在活塞的驅(qū)動(dòng)下在內(nèi)部往復(fù)移動(dòng),平衡位置也隨之變化。出水后,在彈簧的作用下,活塞即可回到原始位置。同時(shí),作為彈性元件的滾動(dòng)膜片本身也具有調(diào)節(jié)作用,其自身的卷積變形可抵消一定程度的壓差驅(qū)動(dòng)力。膜片的卷積變形區(qū)域發(fā)生在活塞和補(bǔ)償器內(nèi)壁的空隙空間。
2壓差補(bǔ)償器理論計(jì)算
圖4為滾動(dòng)膜片結(jié)構(gòu),滾動(dòng)膜片的卷積寬度定義為[12]
Wc=Dc-Dp2(1)
式中:Wc為卷積寬度;
Dc為補(bǔ)償器殼體內(nèi)徑;
Dp為活塞直徑。
滾動(dòng)膜片滾動(dòng)時(shí)會(huì)有較多褶皺,其厚度δ越大,褶皺所占的空間就越大。滾動(dòng)寬度過(guò)小時(shí),褶皺處的膜片會(huì)互相摩擦,影響滾動(dòng);滾動(dòng)寬度過(guò)大時(shí),滾動(dòng)膜片的承壓能力會(huì)下降。根據(jù)文獻(xiàn)[11],有如下公式:
Dp+2δDc-2δ=0.8~0.9(2)
Wc=(8 ~ 12)δ(3)
較大的補(bǔ)償器殼體內(nèi)徑可以使壓力波動(dòng)減小[13],其實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸為:
補(bǔ)償器內(nèi)徑Dc=120 mm,
活塞直徑Dp=100 mm,
膜片厚度δ=1 mm,本文取Wc=10 mm。
由公式(2)驗(yàn)證活塞以及補(bǔ)償器殼體的尺寸:
Dp+2δDc-2δ=100+2×1120-2×1≈0.86(4)
計(jì)算結(jié)果在0.8~0.9范圍之內(nèi),滿(mǎn)足實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)條件。
由以上計(jì)算可知,比例系數(shù)取10時(shí),等式成立,在要求的8~12之內(nèi),即卷積寬度和膜片厚度滿(mǎn)足條件。
膜片的抗拉強(qiáng)度與厚度關(guān)系如下:
σr=Krδ(5)
式中:σr為滾動(dòng)膜片的抗拉強(qiáng)度;
Kr為滾動(dòng)膜片的抗拉強(qiáng)度系數(shù)。
膜片能承受的最大內(nèi)外壓差為
Pb=2σrWc(6)
式中:Pb為膜片的臨界壓力。
根據(jù)相關(guān)規(guī)范,可查得滾動(dòng)膜片的抗拉強(qiáng)度σr =(10~20)MPa,這里取值σr =10 MPa。
由式(6)計(jì)算可以得知Pb=2 MPa。
壓差補(bǔ)償器作為壓力容器,基于安全考慮,取安全系數(shù)n=4。則
膜片的安全工作壓力為
Pb=Pb4=0.5 MPa(7)
目前受橡膠材料和工藝水平的限制,滾動(dòng)膜片的厚度在0.5~1.0 mm之間[14-15],所能承受的最大內(nèi)外壓差不超過(guò)2 MPa。
3壓差補(bǔ)償器仿真分析
3.1仿真模型建立
考慮到滾動(dòng)膜片的變形主要集中發(fā)生在卷積區(qū)域[16-17],這里把滾動(dòng)膜片的實(shí)體仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,如圖5所示,這里重點(diǎn)對(duì)滾動(dòng)膜片滾動(dòng)時(shí)卷積處的應(yīng)力和位移進(jìn)行針對(duì)性研究。
膜片是橡膠材料,其物理化學(xué)性能與金屬材料有很大差別,所以采用的是非線性應(yīng)力分析,模型類(lèi)型選擇超彈性-Mooney Rivlin模型。
Mooney-Rivlin應(yīng)變能密度函數(shù)模型為[18]
W=Ni+j=1Cijl1-3il2-3j+Nk=11dkl32-12k(8)
式中:N、Cij和dk為材料常數(shù),由實(shí)驗(yàn)確定。
仿真求解時(shí)采用具體的參數(shù)如表1所列。
3.2邊界條件及網(wǎng)格劃分
如圖6(a)所示,固定區(qū)域?yàn)槟てc活塞缸體法蘭和補(bǔ)償器殼體法蘭連接未發(fā)生形變的區(qū)域,這里采用固定連接方式,定義位移為零;滑動(dòng)區(qū)域?yàn)榛钊麕?dòng)膜片向上或者向下同步移動(dòng)時(shí)未發(fā)生形變的區(qū)域,這里作滑動(dòng)處理,徑向位移為零,軸向位移為向上或向下移動(dòng)5 mm;卷積區(qū)域?yàn)槟て瑵L動(dòng)發(fā)生變形的區(qū)域。
如圖6(b)所示,滾動(dòng)膜片的仿真模型網(wǎng)格需要精細(xì)劃分,這里選取的網(wǎng)格尺寸大小為1.2 mm。
3.3應(yīng)力和位移分析
如圖6(a)所示,滑動(dòng)區(qū)域?yàn)槟てc活塞連接的一端,隨著活塞同時(shí)向上或者向下移動(dòng)5 mm,固定區(qū)域膜片另一端與活塞缸體法蘭連接固定,卷積區(qū)域在活塞向下移動(dòng)的過(guò)程中,膜片沿著法蘭內(nèi)壁滾動(dòng)。
這里為了對(duì)比滾動(dòng)膜片在活塞向上或向下移動(dòng)過(guò)程中的不同受力情況,利用ANSYS對(duì)滾動(dòng)膜片在上行程和下行程過(guò)程中的受力展開(kāi)分析,結(jié)果如圖7和圖9所示。
在圖6(b)中,選取節(jié)點(diǎn)4并研究其在膜片滾動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力和位移變化曲線,如圖8和圖10所示。
(1) 當(dāng)壓差補(bǔ)償器內(nèi)部液壓油壓力小于外界水壓力時(shí),活塞向上移動(dòng),滾動(dòng)膜片行程向上。
通過(guò)仿真分析的應(yīng)力和位移云圖可以看出:此時(shí)膜片的最大應(yīng)力為0.043 2 MPa,最大位移為5.06 mm。
在活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí),滾動(dòng)膜片行程向上,膜片受到牽引,應(yīng)力曲線曲率平緩達(dá)到峰值,最大值發(fā)生在膜片與活塞將要接觸的圓角處。位移曲線后半段陡然上升,此時(shí)膜片應(yīng)力達(dá)到峰值,膜片在應(yīng)力作用下發(fā)生變形,位移變化加快。
(2) 當(dāng)壓差補(bǔ)償器內(nèi)部液壓油壓力大于外界水壓力時(shí),活塞向下移動(dòng),滾動(dòng)膜片行程向下。
通過(guò)仿真分析的應(yīng)力和位移云圖可以看出:此時(shí)膜片的最大應(yīng)力為0.038 8 MPa,最大位移為5.11 mm。
在活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí),滾動(dòng)膜片行程向下,膜片受到擠壓,應(yīng)力曲線接近線性達(dá)到峰值,最大值發(fā)生在膜片與活塞將要接觸的圓角處。位移曲線比較平緩,膜片和活塞缸內(nèi)壁接觸后速度放緩,位移變化放慢。
仿真分析結(jié)果表明,滾動(dòng)膜片可以實(shí)現(xiàn)較大位移,即可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的壓力補(bǔ)償。在較大位移的同時(shí),其變形阻力較小,當(dāng)位移方向朝向底端的卷積區(qū)域時(shí),其變形阻力更小,可以使壓力補(bǔ)償過(guò)程更加快速靈活。
4應(yīng)用實(shí)例
本文設(shè)計(jì)的滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器應(yīng)用在了如圖11所示的潛水清淤機(jī)器人上,將機(jī)器人安裝在液壓系統(tǒng)的液壓油箱上,可構(gòu)成一種具備壓差補(bǔ)償功能的液壓油箱。使用時(shí)先在油箱內(nèi)加滿(mǎn)液壓油,啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),當(dāng)油箱內(nèi)液面降低時(shí)持續(xù)補(bǔ)油,直至再次加滿(mǎn)。密封液壓油加油口及油箱透氣孔,確保球閥處于關(guān)閉狀態(tài),卸下堵帽,在球閥上連接預(yù)壓設(shè)備,當(dāng)預(yù)壓到計(jì)算值時(shí),關(guān)閉球閥,卸下預(yù)壓設(shè)備,裝配堵帽即可。
疏浚工藝示意如圖12所示。在電纜、排泥管、浮體等附屬設(shè)備安裝完成后,清淤機(jī)器人采用吊機(jī)輔助進(jìn)入管涵,到達(dá)淤泥位置后,通過(guò)絞吸頭收集淤泥,經(jīng)過(guò)泥漿泵和排泥管輸送到地面。
此清淤機(jī)器人及整套疏浚工藝在深圳市龍崗區(qū)龍崗河流域、深圳河流域、觀瀾河流域河流水質(zhì)提升及污水處理提質(zhì)增效工程中得到了實(shí)際使用,驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器的可行性。
5結(jié) 語(yǔ)
本文基于清淤機(jī)器人的使用需求,對(duì)滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論計(jì)算,通過(guò)非線性有限元仿真計(jì)算對(duì)滾動(dòng)膜片進(jìn)行了力學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)膜片可以實(shí)現(xiàn)較大的位移,即較大范圍的壓力補(bǔ)償,同時(shí)其變形阻力較小,使得壓力補(bǔ)償過(guò)程更加快速靈活。設(shè)計(jì)出的壓差補(bǔ)償器最終在清淤項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用,為壓差補(bǔ)償器的下一步優(yōu)化升級(jí)及其系列化提供了參考依據(jù)。
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(編輯:胡旭東)