液壓驅(qū)動(dòng)小車定位的研究

李玉文，雷澤勇，鄧 健，鐘 林，汪 盧

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

隨著人們對(duì)控制精度的要求越來越高，傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的精度不高這一缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)[6]。各類機(jī)械設(shè)備對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求越來越高，液壓技術(shù)往大容量、大行程、高速、高壓強(qiáng)方向發(fā)展；同時(shí)對(duì)液壓缸行程的精度要求越來越高，而液壓系統(tǒng)精度主要通過電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。由于液壓傳動(dòng)力大，所以為人們廣泛使用的一種傳動(dòng)方式；缺點(diǎn)是傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)行程運(yùn)行精度低，因此提高液壓缸行程精度作為液壓系統(tǒng)研究的主要部分。傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)通過節(jié)流閥減少液壓油的流量實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)小車減速，然而節(jié)流閥調(diào)控精度有限；行程末端經(jīng)常發(fā)生機(jī)械碰撞損壞設(shè)備，影響運(yùn)動(dòng)小車的位置精度。結(jié)合液壓控制、行程監(jiān)測(cè)、彈性碰撞等多學(xué)科，必將實(shí)現(xiàn)液壓缸行程精密控制得到長(zhǎng)足進(jìn)展。筆者研發(fā)一種電液伺服系統(tǒng)結(jié)合彈簧緩沖，在控制液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)行程精度具有良好效果。

1 液壓閥與液壓系統(tǒng)的組合圖

工作原理：小車(載重后總重量2 t)動(dòng)力源為液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4，小車接近行程末端時(shí)液壓系統(tǒng)節(jié)流閥啟動(dòng)，通過限制液壓缸流量到達(dá)控制小車運(yùn)行速度；小車靠近定位裝置時(shí)，緩沖彈簧1吸收小車殘余慣性力；小車移動(dòng)至終端位置時(shí)，觸碰電磁鐵2的觸點(diǎn)，電磁鐵2啟動(dòng)并吸住小車，完成小車定位，如圖1。

圖1 小車運(yùn)行及緩沖示意圖1.緩沖彈簧 2.電磁鐵 3.小車 4.液壓驅(qū)動(dòng)裝置

2 移動(dòng)小車位置精度的控制

液壓缸行程的精度由液壓缸活塞位置檢測(cè)精度、伺服電機(jī)調(diào)控精度共同決定。

2.1 行程檢測(cè)

電液伺服系統(tǒng)中液壓缸作為執(zhí)行元件，是小車移動(dòng)的動(dòng)力源；而電液伺服系統(tǒng)中，液壓缸行程的精度在很大程度由檢測(cè)設(shè)備的精度決定。位置檢測(cè)元件有自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和差動(dòng)變壓器等，檢測(cè)裝置的精度是系統(tǒng)控制精度的上限。

液壓缸檢測(cè)裝置，按設(shè)備安裝形式分為外置式和內(nèi)置式兩種[3]。外置式行程位置檢測(cè)設(shè)備不受空間限制，可以使用任何檢測(cè)范圍和精度要求的位移傳感器；缺點(diǎn)是空間占用量大、容易受到外界環(huán)境干擾。內(nèi)置式行程位置檢測(cè)設(shè)備正好相反，缺點(diǎn)是受到空間限制，安裝維護(hù)均不方便；優(yōu)點(diǎn)是空間占用量很小、有效避免外界環(huán)境干擾。結(jié)合本次裝備運(yùn)行的實(shí)際情況，液壓缸行程檢選擇超聲波外置式測(cè)裝置，如圖2。

圖2 液壓缸行程檢測(cè)

2.2 伺服電機(jī)的選擇

針對(duì)液壓缸驅(qū)動(dòng)小車定位技術(shù)的研究，核心技術(shù)是通過數(shù)字化控制液壓泵的給油量，實(shí)現(xiàn)液壓缸行程的精度控制；為了使液壓泵的給油量能夠按照液壓缸的預(yù)期行程實(shí)現(xiàn)可控，供油部分的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用交流伺服電機(jī)，因?yàn)榻涣魉欧姍C(jī)是數(shù)字化可控的。

根據(jù)伺服電機(jī)的特性，選取伺服電機(jī)作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中動(dòng)力源，擔(dān)負(fù)著自動(dòng)控制系統(tǒng)電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換。但是不同伺服電機(jī)的步距角和額定功率都不相同，所以需要根據(jù)系統(tǒng)工作情況選擇合適功率的伺服電機(jī)。

活塞桿的推力：

F=pA

式中：F為液壓缸的推力；p為液壓油的壓力；A為液壓缸中活塞桿推行缸徑的有效面積。

式中：v為液壓缸推行的速度；q為液壓缸中液壓油的流量。

液壓缸的輸出功率為：

P=Fv=pq

總效率η為：η=ηm·ηv

式中：ηm為機(jī)械效率，一般ηm為0.9～0.95；ηv為容積效率，取ηv≈1。

電機(jī)功率為：p0=p/η

p0=2000×2.5÷0.93≈11 kW

所以，選擇交流伺服電機(jī)SIEMENS/西門子1FK7，其額定功率大于上述功率。

3 移動(dòng)小車行程末端緩沖過程

液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力源時(shí)，移動(dòng)小車的行程末端采用液壓緩沖，其行程終端采用機(jī)械式再次緩沖。

3.1 液壓緩沖

液壓系統(tǒng)中，多數(shù)采用節(jié)流閥節(jié)流或間隙節(jié)流減速緩沖，這些裝置在控制液壓缸精度上均達(dá)到良好的作用。液壓系統(tǒng)通過對(duì)液壓油節(jié)流從而達(dá)到緩沖效果，其油路通道變窄形成節(jié)流間隙，實(shí)現(xiàn)背壓緩沖效果。通過液壓油的背壓力來緩解運(yùn)動(dòng)小車的慣性力，減輕運(yùn)動(dòng)小車與定位裝置的碰撞，維持系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及防止運(yùn)動(dòng)小車損傷，保證液壓系統(tǒng)精度。

液壓緩解系統(tǒng)能量計(jì)算，設(shè)背壓腔內(nèi)液壓油的能量為E1，運(yùn)動(dòng)部件的能量為E2。

E2=Ed+Em±Eg-Ef

通過計(jì)算可知，E2=13500-140l，在行程最后1 m(l≈1 m)需要實(shí)行液壓緩沖。

實(shí)際工程中運(yùn)動(dòng)部件慣性較大，E1≤E2運(yùn)動(dòng)部件的能量沒有被背壓腔內(nèi)液壓油完成吸收，其中一部分能量驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件與定位裝置碰撞。此次由于液壓緩解系統(tǒng)的限制性等，采用非完全緩沖裝置。液壓回路設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.2 機(jī)械緩沖

TB/T 1961-200上規(guī)定普通緩沖器的初壓力<250 kN，機(jī)車專用緩沖器的初壓力需要滿足100～300 kN[2]。在實(shí)際工程中采用電液伺服系統(tǒng)與機(jī)械緩沖相結(jié)合，對(duì)行程末端小車實(shí)施再次緩沖，以便實(shí)現(xiàn)小車與定位裝置軟接觸；小車到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，觸碰接近開關(guān)，電磁鐵自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)小車實(shí)行限位，此裝置在控制系統(tǒng)精度起到了良好的作用。

運(yùn)動(dòng)部件碰撞過程可分為接觸-彈性變形-恢復(fù)變形-接觸部件分離，若限定變形的接觸區(qū)域，運(yùn)動(dòng)部件與定位裝置碰撞過程的沖擊就可以采用線性彈簧-阻尼力函數(shù)，函數(shù)表達(dá)式為：

由以上公式計(jì)算，可知：

F=4τ+1.2τ2

積分得，

E=2τ2+0.4τ3

極限工作應(yīng)力為：

τlim=0.8σB(σB取值1500)

極限工作載荷為：

為滿足小車行程末端緩沖要求，極限工作載荷大于等于碰撞力：

F≤Flim

由計(jì)算可知，小車殘余慣性力遠(yuǎn)小于彈簧你夠承受的極限碰撞力，滿足實(shí)際需求。

3.3 緩沖過程模擬分析

通過模擬分析，由圖4可知運(yùn)動(dòng)小車動(dòng)能隨位移線性遞減，緩沖1 m動(dòng)能為零；由圖5可知彈簧緩沖位移越長(zhǎng)，所受到的碰撞力越大；圖6為碰撞前運(yùn)動(dòng)小車動(dòng)能與碰撞力的擬合曲線，可知位移越小兩者的擬合性越好；圖7和圖8為緩沖后小車受沖擊力未發(fā)生明顯變形，強(qiáng)度滿足要求；可知液壓系統(tǒng)緩沖選擇1 m行程，彈簧緩沖選擇5 cm行程，模擬實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相符合，滿足實(shí)際工程需求。

圖4 小車動(dòng)能 圖5 小車碰撞力

圖6 小車動(dòng)能與碰撞力擬合曲線

圖7 小車受碰撞等效應(yīng)力

圖8 小車受碰撞總變形

4 結(jié) 論

液壓驅(qū)動(dòng)小車定位過程的研究，小車行程末端通過啟動(dòng)節(jié)流閥節(jié)流控制液壓系統(tǒng)的供油量，有效地降低小車的運(yùn)行速度；接觸處實(shí)施機(jī)械式緩沖，消除小車殘余慣性力，實(shí)現(xiàn)小車與定位裝置軟接觸。此研究成果提高小車行程終端的定位精度，避免接觸處小車受到較大沖擊載荷。該裝置選擇理論計(jì)算與模擬仿真相結(jié)合，及實(shí)際工程驗(yàn)證此研究方案的可行性。此研究成果開啟了我國(guó)電液伺服系統(tǒng)精準(zhǔn)控制的新篇章，加快了我國(guó)電液伺服系統(tǒng)的升級(jí)，具有重要的研究意義。同時(shí)，此研究成果還可以在相關(guān)航空工業(yè)、起重裝備等行業(yè)推廣使用。