劉志雙， 李科軍， 施發(fā)永， 蘇 杰， 代四飛， 張富榕

(1.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司， 北京 101300； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

引言

在核電站核島建設(shè)過程中，大量支架(50～300 kg)需要從室內(nèi)地面搬運(yùn)到墻頂或墻壁指定的預(yù)埋板位置進(jìn)行焊接安裝。傳統(tǒng)利用腳手架安裝支架的工作方式，將很多時(shí)間耗費(fèi)在腳手架搭建和人工搬運(yùn)支架上，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低。且支架進(jìn)行定位安裝時(shí)，需作業(yè)人員抬起支架對(duì)準(zhǔn)預(yù)埋板上的劃線位置進(jìn)行焊接，當(dāng)支架重量小時(shí)，容易調(diào)整位姿，可以保證支架定位精度；但當(dāng)支架重量大時(shí)，難以調(diào)整位姿，無法控制支架定位精度。焊接時(shí)，焊渣、火星直接掉落在下方托舉支架作業(yè)人員身上，容易引發(fā)安全事故。因此，可以實(shí)現(xiàn)支架精準(zhǔn)搬運(yùn)、定位和安裝的支架安裝車應(yīng)運(yùn)而生[1]，該設(shè)備主要由下車總成、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降臂、伸縮臂、飛臂和夾具等組成。其中，升降臂起垂直升降支架作用，其動(dòng)力學(xué)性能對(duì)支架定位精度等工作性能參數(shù)有很大影響[2]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)剪叉式升降臺(tái)和曲臂式高空作業(yè)車的運(yùn)動(dòng)學(xué)[3-4]、動(dòng)力學(xué)[5]、穩(wěn)定性[6-7]及其力學(xué)性能[8-10]進(jìn)行了較為深入的研究，但對(duì)雙四邊形連桿機(jī)構(gòu)的研究文獻(xiàn)較少，且現(xiàn)有研究大多數(shù)基于理論方法，將液壓缸驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化為活塞桿的理想運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)[3,6]，沒有考慮機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的耦合效應(yīng)。多領(lǐng)域建模軟件AMESim為機(jī)液耦合系統(tǒng)提供了工程設(shè)計(jì)和仿真分析平臺(tái)，本研究利用AMESim建立支架安裝車升降臂工作過程機(jī)液耦合動(dòng)力學(xué)模型，模擬分析升降臂起升過程中油缸的壓力響應(yīng)和雙平行四連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。

1 升降臂結(jié)構(gòu)組成與工作原理

圖1所示為升降臂的結(jié)構(gòu)組成，從圖中可以看出，通過鉸點(diǎn)A，B，C，D，連桿1、連桿2分別和轉(zhuǎn)臺(tái)、鉸支座1鉸接構(gòu)成下平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)；通過鉸點(diǎn)E，F(xiàn)，G，H，連桿3、連桿4分別和鉸支座1、鉸支座2鉸接構(gòu)成上平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，兩平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)上下對(duì)稱布置；通過鉸點(diǎn)M，N，中間連桿分別和連桿1、連桿3鉸接。升降油缸分別和轉(zhuǎn)臺(tái)和連桿1鉸接，當(dāng)升降油缸活塞桿伸出缸筒時(shí)，連桿1繞著鉸點(diǎn)B逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中連桿1通過中間連桿驅(qū)動(dòng)連桿3順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)中間連桿長(zhǎng)度以及與連桿1、連桿2的鉸接點(diǎn)位置設(shè)計(jì)合理時(shí)，連桿3和連桿1的轉(zhuǎn)動(dòng)速度大小基本相等，方向相反。此時(shí)，與鉸支座1鉸接的伸縮臂等機(jī)構(gòu)將與鉸支座2一起垂直上升，這有利于支架的姿態(tài)調(diào)整，以便支架的定位焊接。

圖1 升降臂結(jié)構(gòu)組成和工作原理

2 升降臂機(jī)液耦合動(dòng)力學(xué)建模

2.1 升降臂機(jī)械系統(tǒng)建模

AMESim的平面機(jī)構(gòu)庫(kù)是AMESim標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械庫(kù)的擴(kuò)展，包含運(yùn)動(dòng)副、剛體桿件、終端約束、力及力矩轉(zhuǎn)換器等建模單元。根據(jù)升降臂的結(jié)構(gòu)組成和工作特點(diǎn)，對(duì)升降臂進(jìn)行建模時(shí)主要用到剛體桿件、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸、移動(dòng)鉸和終端約束4種建模單元。剛體桿件用于模擬連桿和鉸支座；轉(zhuǎn)動(dòng)鉸用于模擬連桿與連桿、連桿與鉸支座之間的鉸接；移動(dòng)鉸作為連接機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的橋梁，用于模擬油缸缸筒和活塞桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；終端約束用來模擬升降臂和轉(zhuǎn)臺(tái)的鉸接位置。

1) 剛體桿件動(dòng)力學(xué)建模

如圖2所示，把體坐標(biāo)系固定在剛體桿件的重心上，桿件上任何一點(diǎn)(第i個(gè)點(diǎn))位置可以用體坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)(xG,yG)和體坐標(biāo)系相對(duì)絕對(duì)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度θG來表示，可以得到如下關(guān)系式：

(1)

(2)

圖2 剛體桿件簡(jiǎn)圖

式(2)可以簡(jiǎn)化為：

(3)

桿件的動(dòng)力學(xué)平衡方程為：

(4)

式中，F(xiàn)xi，F(xiàn)yi表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)x，y軸方向上的力，F(xiàn)xG，F(xiàn)yG，MzG表示質(zhì)心上x，y軸方向上力及通過質(zhì)心繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

2) 轉(zhuǎn)動(dòng)鉸動(dòng)力學(xué)建模

如圖3所示，兩剛體桿件通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接，將體坐標(biāo)系分別固定在兩桿件上。兩剛體桿件在轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鉸接處端口2和端口1沿x,y軸的作用力分別為：

(5)

式中，kx，ky為鉸接處x，y軸方向的接觸剛度系數(shù)；bx，by分別為鉸接處x，y軸方向的運(yùn)動(dòng)黏性阻尼系數(shù)；xa2，ya2，vx2，vy2分別為剛體桿件端口2在x，y軸方向的位移和速度;xa1，ya1，vx1，vy1分別為剛體桿件端口1在x，y軸方向的位移和速度。

轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鉸接處轉(zhuǎn)矩計(jì)算如下：

(6)

式中,T1，T2分別為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鉸接處端口1，2的轉(zhuǎn)矩；kz為鉸接處扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)；bz為鉸接處轉(zhuǎn)動(dòng)黏性阻尼系數(shù)；θ1,θ2,ω1,ω2分別為端口1,2的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和角速度。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)鉸簡(jiǎn)圖

3) 移動(dòng)鉸動(dòng)力學(xué)建模

如圖4所示，兩剛體桿件通過移動(dòng)副連接，將體坐標(biāo)系分別固定在兩桿件上。通過計(jì)算兩端口的幾何約束和運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系，可以求得油缸的壓力，而油缸的高壓液壓油又驅(qū)動(dòng)兩剛體桿件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作業(yè)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)力大小為油缸兩腔液壓油有效作用力之差。

圖4 移動(dòng)鉸建模

移動(dòng)鉸角度約束關(guān)系式為：

res(l1)=θ4+α4-θ3-α3

(7)

式中， res (l1)為兩剛體桿件的相對(duì)轉(zhuǎn)角；θ3，α3，θ4，α4分別為端口3，4所在剛體桿件和移動(dòng)鉸運(yùn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角。

端口3必須在端口4的ui軸上，可得：

(8)

(9)

式中，xr3,yr3,xr4，yr4分別為端口3、端口4在剛體桿件體坐標(biāo)系上的相對(duì)坐標(biāo)；x3,y3,x4,y4分別為端口3、端口4在絕對(duì)坐標(biāo)系上的運(yùn)動(dòng)位移；ui為端口4所在剛體桿件體坐標(biāo)系的x軸。

從而得到移動(dòng)鉸位移約束關(guān)系式如下:

res(l2)=-xr4sinα4+yr4cosα4+

(x3-x4)sin(θ4+α4)-

(y3-y4)cos(θ4+α4)+

xr3sin(θ4+α4-θ3)-

yr3cos(θ4+α4-θ3)

(10)

式中， res (l2)為端口3和端口4的相對(duì)距離。

4) 升降臂機(jī)械系統(tǒng)建模

圖5所示為利用平面機(jī)構(gòu)庫(kù)建立的升降臂雙平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，為簡(jiǎn)化建模過程，其余與升降臂連接的構(gòu)件如飛臂等，相關(guān)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均等效到伸縮臂上。在升降臂起升過程中，變幅油缸不參與運(yùn)動(dòng)，可用剛體桿件等效。從圖中可以看出，平面機(jī)構(gòu)庫(kù)建模單元和升降臂實(shí)際連桿機(jī)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)，建模過程具有快速、準(zhǔn)確、規(guī)則化的特點(diǎn)。

9.價(jià)值觀等方面的認(rèn)知錯(cuò)亂。多元文化使學(xué)生價(jià)值觀形成多元化，在面對(duì)價(jià)值觀的判斷和選擇時(shí)，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)難以形成，引起在價(jià)值觀等方面的認(rèn)知錯(cuò)亂。

圖5 升降臂機(jī)械系統(tǒng)建模

2.2 升降臂液壓系統(tǒng)建模

核島支架安裝作業(yè)車采用蓄電池驅(qū)動(dòng)，為提高設(shè)備能量利用率和連續(xù)作業(yè)時(shí)間，采用負(fù)載敏感液壓控制系統(tǒng)[11]。利用AMESim的標(biāo)準(zhǔn)液壓庫(kù)建立如圖6所示升降臂液壓系統(tǒng)。從圖中可以看出，升降臂的液壓回路主要由負(fù)載敏感閥、負(fù)載敏感泵、平衡閥和升降油缸組成。升降油缸活塞桿在高壓液壓油作用下進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，2個(gè)工作油口的壓力信號(hào)通過負(fù)載敏感閥的反饋回路傳遞到負(fù)載敏感泵的流量控制閥，流量控制閥根據(jù)感受到的壓力變化動(dòng)態(tài)調(diào)整閥芯工作位置控制斜盤傾角，使得變量泵排量實(shí)時(shí)滿足升降油缸運(yùn)動(dòng)速度需求。平衡閥可以保持升降臂穩(wěn)定地?？吭谌我夤ぷ魑恢?，并提供背壓控制升降臂下落速度，防止出現(xiàn)負(fù)值負(fù)載超速運(yùn)動(dòng)[12]。

圖6 升降臂液壓系統(tǒng)建模

2.3 升降臂機(jī)液耦合動(dòng)力學(xué)建模

升降油缸輸出端和移動(dòng)鉸輸入端連接后，建立起升降臂機(jī)液耦合動(dòng)力學(xué)模型如圖7所示。升降油缸活塞桿輸出位移給移動(dòng)鉸，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)升降臂的起升，而在起升過程中，連桿1通過移動(dòng)鉸將整個(gè)升降臂重心位置改變引起的負(fù)載變化傳遞給升降油缸活塞桿，升降臂負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)感受升降臂外負(fù)載變化，僅提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的壓力和流量，具有較高的能量利用率。

圖7 升降臂機(jī)液耦合動(dòng)力學(xué)建模

3 仿真分析

通過AMESim建立的升降臂機(jī)液耦合動(dòng)力學(xué)模型，不僅可以用來觀察升降油缸工作油口壓力變化等容易測(cè)量的狀態(tài)變量，也可以用來研究鉸接點(diǎn)約束力等不易測(cè)量的狀態(tài)變量，以便確定載荷以及對(duì)升降臂連桿等機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核。表1所示為升降臂主要參數(shù)設(shè)置。

表1 升降臂主要參數(shù)

升降臂系統(tǒng)仿真時(shí)間10 s，仿真步長(zhǎng)0.01 s，所得仿真結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出：

(1) 在0～2 s時(shí)間內(nèi)，由于升降臂啟動(dòng)時(shí)的慣性沖擊，兼之液壓系統(tǒng)壓力建立需要一定時(shí)間，負(fù)載敏感閥進(jìn)出口明顯出現(xiàn)壓力波動(dòng)，經(jīng)過2 s時(shí)間的反復(fù)振蕩后，系統(tǒng)壓力趨于穩(wěn)定。由于定差減壓閥的壓力補(bǔ)償作用，負(fù)載敏感閥進(jìn)出口壓差基本保持在1.5 MPa左右，使得系統(tǒng)出口流量穩(wěn)定在15 L/min，桿件1、桿件3穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)， 鉸接點(diǎn)D，H在豎直平面內(nèi)穩(wěn)定上升。鉸點(diǎn)B的約束力變化規(guī)律和系統(tǒng)壓力相似，這表明對(duì)升降臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，必須考慮系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間機(jī)液耦合作用引起的沖擊力;

(2) 在2～8.6 s時(shí)間內(nèi)，升降臂穩(wěn)定上升，負(fù)載敏感閥進(jìn)出口壓力變化平緩，進(jìn)口壓力由8 MPa穩(wěn)定減至5.7 MPa，出口壓力由6.5 MPa減至4.2 MPa，進(jìn)出口壓差保持在1.5 MPa，系統(tǒng)出口流量穩(wěn)定在15 L/min，連桿1、連桿3穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小基本相等。這是因?yàn)殡S著升降臂油缸活塞桿伸出位移增大，負(fù)載雖然沒有明顯變化，油缸的作用力臂卻逐漸增大，系統(tǒng)壓力隨著緩慢減小。鉸接點(diǎn)D的y軸方向位移由0.755 m增至1.5 m，x軸方向位移由0.38 m減至-0.2 m；鉸接點(diǎn)H的y軸方向位移由1.4 m增至2.87 m，x軸方向位移保持在-0.76 m不變。這是因?yàn)樯当凼怯?個(gè)機(jī)構(gòu)尺寸相同的平行四邊形對(duì)稱布置，鉸接點(diǎn)D在x軸方向有位移變化，但鉸接點(diǎn)H在x軸方向無明顯位移變化，這保證和鉸支座2鉸接的伸縮臂等機(jī)構(gòu)只在豎直平面垂直升降。在2～7.2 s時(shí)間內(nèi)，鉸接點(diǎn)B的約束力由31000 N減至3300 N，在7.2～8.6 s時(shí)間內(nèi)，鉸接點(diǎn)B的約束力又逐漸增大；

(3) 在8.6～10 s時(shí)間內(nèi)，由于伸縮臂油缸的活塞桿運(yùn)動(dòng)到最大位移，液壓系統(tǒng)開始憋壓，此時(shí)負(fù)載敏感閥出口壓力由4.2 MPa突增至16 MPa，進(jìn)口壓力由5.7 MPa突增至16 MPa， 進(jìn)出口壓力相等， 定差減壓閥失去壓力補(bǔ)償作用，伸縮油缸壓力反饋到變量泵，使得變量泵的壓力控制閥工作，斜盤傾角為0(仿真中沒有考慮泵的泄漏)，系統(tǒng)不再輸出流量。連桿1，3的轉(zhuǎn)角、鉸點(diǎn)D，H的位移以及鉸點(diǎn)B的約束力保持不變。

4 試驗(yàn)分析

在支架安裝車上搭建試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，將壓力傳感器安裝在升降油缸與平衡閥之間采集無桿腔工作壓力，將傾角傳感器安裝在連桿1上采集轉(zhuǎn)動(dòng)角度。設(shè)置傳感器的采樣周期均為0.1 s，連桿1的初始角度等于0。升降油缸由電比例先導(dǎo)操作手柄控制，操作手柄進(jìn)行升降臂的起升控制，當(dāng)升降臂到極限位置時(shí)，停止供油。通過數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)對(duì)升降油缸無桿腔油壓和連桿1轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和繪圖。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖9所示。

圖8 升降臂系統(tǒng)響應(yīng)曲線

圖9 升降臂試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

從圖9中可以看出，在升降臂起升開始和結(jié)束時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本相同，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，兩者的變化趨勢(shì)也基本相同，但由于設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，受液壓系統(tǒng)和實(shí)際操作的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)有一定振蕩，且無桿腔實(shí)際工作壓力大于仿真值。這是因?yàn)樵诜抡孢^程中沒有考慮變量泵輸出油液的脈動(dòng)性及平衡閥閥芯振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)影響，兼之傳感器測(cè)量精度、仿真變量與實(shí)際參數(shù)取值的差異，這些都對(duì)仿真結(jié)果造成了影響，但油缸無桿腔工作壓力和連桿1轉(zhuǎn)角的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)最大偏差率在10%以內(nèi)，可以認(rèn)為本研究建立的動(dòng)力學(xué)模型和仿真分析結(jié)果的正確性，利用該動(dòng)力學(xué)模型能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)升降臂升降的動(dòng)力學(xué)特性。

5 結(jié)論

根據(jù)核島支架安裝車升降臂的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，基于AMESim建立升降臂起升過程機(jī)液耦合動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論：

(1) 在升降臂起升開始階段，由于負(fù)載慣性和建壓延遲響應(yīng)，液壓系統(tǒng)的壓力沖擊較大，但最終趨于穩(wěn)定，且最大工作壓力小于變量泵壓力切斷設(shè)定值，滿足設(shè)計(jì)要求；

(2) 在整個(gè)升降臂起升階段，系統(tǒng)輸出流量穩(wěn)定，連桿1和連桿3的轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小基本相等，可以保證伸縮臂及其連接結(jié)構(gòu)的垂直升降，便于支架安裝定位；

(3) 利用建立的AMESim模型可以獲得鉸點(diǎn)約束力等難以測(cè)量的狀態(tài)變量變化規(guī)律，為升降臂連桿結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)準(zhǔn)確施加作用力提供指導(dǎo)；

(4) 仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步分析和優(yōu)化升降臂動(dòng)力學(xué)性能提供參考。