李生保，謝振平，康俊峰

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

隨著城市化的不斷加深和城市人口的不斷增加，造成城市生活垃圾暴增，這給城市排水系統(tǒng)帶來越來越大的壓力，常常出現(xiàn)因窨井堵塞而帶來的城市排水系統(tǒng)癱瘓。而人工作業(yè)排堵效率低、成本高，且窨井惡劣工作環(huán)境極易造成工作人員缺氧和中毒，甚至危及生命，所以對(duì)窨井清掏機(jī)有迫切需求。

窨井下淤積物主要包括生活污水污泥、工業(yè)廢水污泥、壞的井蓋及其它生活雜物，井下工作條件比較惡劣及負(fù)載繁重，要求窨井清掏機(jī)經(jīng)常處于起制動(dòng)狀態(tài)，具備大負(fù)載、抗沖擊、大功率和過載保護(hù)等能力。這就使驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為重中之重。 機(jī)械手是清掏機(jī)的主要部分，它由機(jī)械手臂和抓斗組成，如圖1 所示。

圖1 機(jī)械手的三維模型

1 機(jī)械手的工作狀況

窨井清掏機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)主要包括以下幾個(gè)動(dòng)作：機(jī)械臂的伸縮、抓斗的裝卸、機(jī)械手回轉(zhuǎn)。液壓機(jī)械手一個(gè)作業(yè)循環(huán)組成如圖2 所示。

2 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 機(jī)械手的作業(yè)循環(huán)圖

窨井清掏機(jī)械手的液壓系統(tǒng)主要用來控制機(jī)械臂伸縮和液壓抓斗的開閉，采用液壓控制方式，具有移動(dòng)快、結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)力強(qiáng)大、操作方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。

2.1 液壓系統(tǒng)的組成

液壓系統(tǒng)的主要組成部分包括：液壓驅(qū)動(dòng)裝置、控制裝置和執(zhí)行裝置。 驅(qū)動(dòng)裝置采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵來提供動(dòng)力，控制裝置采用電磁換向閥來控制液壓缸的移動(dòng)和換向，執(zhí)行裝置為液壓缸。

由工況分析可知：油缸的進(jìn)程和回程速度基本相同，在具體的工作環(huán)境下，可能出現(xiàn)負(fù)載變化的情況，因此系統(tǒng)要有調(diào)速功能，同時(shí)為了保證液壓系統(tǒng)的運(yùn)行安全， 采用過載保護(hù)裝置，并且不同執(zhí)行裝置的工作負(fù)載不同，在各回路中要設(shè)置減壓回路， 以保證各部分工作時(shí)所需的壓力。按照機(jī)械手整個(gè)作業(yè)循環(huán)過程中的要求對(duì)機(jī)械手的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3 所示。

2.2 液壓系統(tǒng)各元件的選取

這里主要對(duì)抓斗液壓控制系統(tǒng)各組成元件進(jìn)行設(shè)計(jì)和選取，主要包括液壓泵、抓斗液壓缸、調(diào)速閥、液控單向閥和電磁式三位四通換向閥。

2.2.1 液壓泵

液壓泵是向液壓系統(tǒng)提供一定壓力和流量的液壓動(dòng)力元件。 根據(jù)清掏機(jī)械手的工況、功率大小和系統(tǒng)對(duì)工作性能的要求，選取齒輪泵CBC。 主要參數(shù)：

額定壓力：10 MPa

轉(zhuǎn)速：1500 r/min

排量：10 mL/r

2.2.2 液壓油缸的選取

液壓油缸是抓斗實(shí)現(xiàn)張合的執(zhí)行元件，其選型根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和工作負(fù)載決定。抓斗閉合時(shí)需要的最大活塞推力約為19700 N， 工作壓力為10 MPa，活塞桿的最大行程為250 mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系列選用HSGF01 一50/25BE 一EZ1 型工程機(jī)械單桿雙作用液壓缸。

2.2.3 調(diào)速閥的選取

為了保持執(zhí)行元件（液壓缸）工作速度穩(wěn)定，不受負(fù)載壓力變化的影響，液壓回路中設(shè)置了調(diào)速閥。抓斗的最大移動(dòng)速度為25 mm/s，活塞直徑為50 mm，液壓缸的最大流量為：

根據(jù)其最大流量，選取北京華德DV6-1-10型調(diào)速閥。 其主要參數(shù)為：

流量：20 L/min

壓降：0.3 MPa

2.2.4 液控單向閥的選取

為了防止抓斗自重下落損壞液壓缸，在液壓缸出口處安置了液控單向閥。 北京華德Z2S61-40B 型液控單向閥符合工作要求。 主要參數(shù)：

流量：60 L/min

壓降：1.5 MPa

2.2.5 換向閥的選取

為實(shí)現(xiàn)抓斗工作中的張開與閉合，需選取換向閥對(duì)其進(jìn)行控制。 北京華德4WE4D10B/AG24Z4 型三位四通電磁閥能夠滿足要求， 工作時(shí)，通過電磁鐵的控制，實(shí)現(xiàn)不同油路的連接與斷開，從而實(shí)現(xiàn)抓斗的張合。 主要參數(shù)：

流量：25 L/min

工作壓力：10 MPa

3 液壓系統(tǒng)建模與仿真

3.1 液壓系統(tǒng)建模

AMESim 軟件采用圖形方式來描述系統(tǒng)中各元件的相互關(guān)系，能夠反映元件間的負(fù)載效應(yīng)及系統(tǒng)中功率流動(dòng)情況，能夠更直觀的反映系統(tǒng)的工作原理[2]。 參考機(jī)械手液壓原理系統(tǒng)圖創(chuàng)建抓斗液壓系統(tǒng)的模型，如圖4 所示。

3.2 系統(tǒng)加載仿真

本文仿真分析的側(cè)重點(diǎn)在于借助AMESim的系統(tǒng)仿真結(jié)果檢查液壓系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)是否合理、液壓元件參數(shù)選擇是否比較準(zhǔn)確。 表1 為液壓元件的主要參數(shù)，對(duì)抓斗液壓模型進(jìn)行數(shù)據(jù)加載，進(jìn)行仿真分析。

圖4 抓斗液壓系統(tǒng)AMESim 模型

表1 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

由圖5 和圖6 可以看出：活塞桿在0～2 s 時(shí)，由于有抓斗自重， 泵口0.37 MPa 的壓力就可以讓抓斗張開； 在2～3 s 時(shí)， 此時(shí)由于有載荷和自重，泵口2 MPa 的壓力可以讓抓斗閉合；因?yàn)榛钊湛s時(shí)的活塞桿受力面積小于活塞伸長時(shí)的受力面積，所以活塞收縮速度大于伸長速度。 在3～4 s 時(shí)，活塞到頂，泵口的壓力等于最大工作壓力10 MPa。

由圖7 和圖8 可以看出： 在整個(gè)運(yùn)行過程，液壓缸的流速都是趨于穩(wěn)定的，表明液壓缸的運(yùn)行狀態(tài)是相當(dāng)穩(wěn)定的。 唯有在啟動(dòng)時(shí)，液壓缸在充油，液壓缸流速有些波動(dòng)，符合實(shí)際工作情況。

圖5 控制信號(hào)

圖6 泵口壓力

圖7 液壓缸無桿腔流速

圖8 液壓缸有桿腔流速

圖9 液壓缸位移（加液控單向閥）

由圖9 和圖10 可以看出： 當(dāng)加液控單向閥時(shí)，液壓缸不運(yùn)動(dòng)；當(dāng)不加液控單向閥時(shí)，液壓缸勻速伸長；足以體現(xiàn)抓斗張開后，液控單向閥起到了保壓作用，抓斗不會(huì)自動(dòng)閉合，滿足了設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

通過對(duì)窨井清淘機(jī)械手抓斗的液壓系統(tǒng)模型工況仿真分析得知，該液壓系統(tǒng)滿足機(jī)械手的穩(wěn)定、保壓工作要求。 雖然液壓缸在充油過程中的波動(dòng)在實(shí)際工作中是不可避免的，但是可以在液壓系統(tǒng)中加蓄能器來給液壓缸瞬間大量供油來提高液壓缸工作的穩(wěn)定性。

[1]張久林.工程機(jī)械液壓行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及理論研究[D/R].上海：同濟(jì)大學(xué).2007：02.

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[3]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊液壓傳動(dòng)與控制[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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