王曄晗,鄒樹梁,朱平平

(1.南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.核設(shè)施應(yīng)急安全技術(shù)與裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽 421001)

0 引言

從三哩島核事故到切爾諾貝利核事故再到福島核事故，核環(huán)境機(jī)器人的使用具有重大價(jià)值已成為人們的共識(shí)[1，2]。核環(huán)境機(jī)器人面臨地形復(fù)雜難測、作業(yè)任務(wù)多種多樣的挑戰(zhàn)[3]。近年來，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、液壓控制技術(shù)不斷進(jìn)步，促使電液比例技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來越廣泛[4-6]。針對(duì)中低輻射水平的核事故應(yīng)急與核設(shè)施退役場景改造的某一型號(hào)核環(huán)境機(jī)器人以SWE-18為原型機(jī)，不僅加裝了抑塵裝置和屏蔽駕駛艙，更主要的是進(jìn)行了電液比例改造，使得改造后的核環(huán)境機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)人工駕駛和1 000 m遠(yuǎn)程遙控兩種工作模式[7，8]。由于改造后的電液比例位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性直接影響核環(huán)境機(jī)器人的工作性能，為提升機(jī)器人在核環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，急需分析改造后液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

1 模型建立與仿真

電液比例位置PID控制系統(tǒng)主要由信號(hào)源、比例放大器、電液比例閥、液壓缸、負(fù)載和位移傳感器組成。按照建立系統(tǒng)模型草圖、元件賦予首選子模型、參數(shù)設(shè)置3個(gè)步驟完成AMESim系統(tǒng)模型的搭建并開展仿真研究，建立的基于PID反饋的電液比例位置系統(tǒng)模型如圖1所示。

1.1 參數(shù)設(shè)置

基于PID反饋的電液比例位置系統(tǒng)主要液壓元件的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 電液比例位置系統(tǒng)主要液壓元件的參數(shù)設(shè)置

1.2 仿真分析

在仿真系統(tǒng)中，仿真時(shí)間設(shè)置為10 s，仿真時(shí)間間隔設(shè)置為0.01 s，對(duì)比例閥閥芯和液壓缸活塞桿的位移及液壓缸無桿腔的流量、壓力特性進(jìn)行仿真分析研究。得到的比例閥閥芯位置系數(shù)(比例閥閥芯實(shí)際運(yùn)動(dòng)在比例閥閥芯總運(yùn)動(dòng)行程中的占比，正向?yàn)樯斐?，?fù)向?yàn)榛乜s)曲線如圖2所示，液壓缸活塞桿實(shí)際位移與期望位移曲線如圖3所示。由圖2和圖3可知：比例閥閥芯的運(yùn)動(dòng)曲線隨著期望位移的變化而變化，在0 s～1 s時(shí)，期望位移輸出的電信號(hào)為0，比例閥的閥芯靜止不動(dòng)；在1 s～4 s時(shí)，期望位移輸出的電信號(hào)不斷上升，閥芯的位移也不斷上升；在4 s～6 s時(shí)，期望位移輸出的電信號(hào)保持不變，閥芯反向運(yùn)動(dòng)，在6 s末閥芯回到初始位置；在6 s～8 s時(shí)，期望位移輸出的電信號(hào)不斷減小，閥芯繼續(xù)反向運(yùn)動(dòng)，閥芯的位移不斷增加；在8 s～10 s時(shí)，期望位移輸出的電信號(hào)保持不變，閥芯的位移正向移動(dòng)，返回至閥芯初始位置，并保持不變。

圖2 比例閥閥芯位置系數(shù)曲線

圖3 液壓缸活塞桿實(shí)際位移與期望位移曲線

1-信號(hào)源；2-液壓缸；3-位移傳感器；4-電液比例閥；5-PID；6-比例放大器；7-溢流閥；8-電動(dòng)機(jī)；9-液壓泵圖1 基于PID反饋的電液比例位置系統(tǒng)模型

2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

根據(jù)建立的系統(tǒng)模型，采用單一變量法研究參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。本文主要研究電液比例閥和液壓動(dòng)力元件的阻尼比和固有頻率對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。

2.1 比例閥的阻尼比對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

將比例閥的阻尼比分別取0.8、10、30和50，其他變量參數(shù)值保持不變進(jìn)行仿真批處理，得到比例閥閥芯位置系數(shù)曲線、液壓缸活塞桿位移變化曲線、液壓缸無桿腔流量和壓力變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知：隨著比例閥阻尼比的不斷增大，閥的響應(yīng)速度不斷變慢，閥芯位移、液壓缸無桿腔的流量和壓力變化曲線愈發(fā)振蕩，活塞桿運(yùn)動(dòng)變化曲線跟蹤效果變差。

圖4 不同比例閥阻尼比下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性

2.2 比例閥的固有頻率對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

將比例閥的固有頻率分別取8 Hz、80 Hz、200 Hz和500 Hz，其他變量參數(shù)值保持不變進(jìn)行仿真批處理，得到比例閥閥芯位置系數(shù)曲線、液壓缸活塞桿位移變化曲線、液壓缸無桿腔流量和壓力變化曲線，如圖5所示。

由圖5可知：不同比例閥固有頻率下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性曲線基本重合，無明顯振蕩和偏移，說明比例閥的固有頻率對(duì)電液比例位置控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響很小，至少在同一數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)電液比例位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性幾乎沒有影響。

圖5 不同比例閥固有頻率下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性

2.3 液壓動(dòng)力元件的阻尼比和固有頻率對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

液壓動(dòng)力元件的固有頻率ωh和阻尼比ζh計(jì)算公式為：

(1)

(2)

其中：A1為液壓缸的有效作用面積；βe為液壓油體積彈性模量；m為負(fù)載質(zhì)量；Vt為液壓缸的等效總?cè)莘e；kce為總流量-壓力系數(shù)。

由式(1)、式(2)可知：適當(dāng)增大液壓缸的有效作用面積A1，能夠提高固有頻率ωh，但減小了阻尼比ζh；適當(dāng)增大負(fù)載的質(zhì)量m，能夠提高阻尼比ζh，但減小了固有頻率ωh；適當(dāng)提高液壓油體積彈性模量βe、減小液壓缸的等效總?cè)莘eVt對(duì)增大系統(tǒng)動(dòng)力元件的固有頻率ωh、阻尼比ζh均是有益的。

在工程實(shí)際中，一般通過縮短閥與缸之間管道的長度來降低Vt，此處研究增大液壓油體積彈性模量βe對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。將液壓油體積彈性模量分別取700 MPa、1 200 MPa、1 500 MPa和1 700 MPa，其他變量參數(shù)值保持不變進(jìn)行仿真批處理，得到比例閥閥芯位置系數(shù)曲線、液壓缸活塞桿位移變化曲線、液壓缸無桿腔流量和壓力變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同液壓油體積彈性模量下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性

由圖6可知：液壓油的體積彈性模量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)對(duì)比例閥閥芯位置系數(shù)曲線、液壓缸活塞桿位移變化曲線、液壓缸無桿腔流量變化曲線幾乎沒有影響；液壓缸無桿腔的壓力隨著液壓油體積彈性模量βe的減小而產(chǎn)生了偏移，所以在電液比例系統(tǒng)的工作及平時(shí)的維護(hù)過程中，應(yīng)該采取各種措施減少空氣、水、灰塵等物質(zhì)混入液壓油液中，避免液壓油體積彈性模量的減小。

3 結(jié)論

本文基于AMESim對(duì)核環(huán)境機(jī)器人電液比例位置系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：改變比例閥的阻尼比對(duì)系統(tǒng)的影響較大，隨著比例閥的阻尼比的增大，系統(tǒng)的振蕩增大，響應(yīng)速度變慢，選用阻尼比為0.8左右的比例閥可提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；增大液壓油的體積彈性模量、縮短閥與缸之間管道的長度可以增大液壓動(dòng)力元件的阻尼比和固有頻率，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。