張 天,葛 衛(wèi),聶松林,尹方龍,李開福,賈國濤
(1.北京工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院,北京 100124; 2.北京工業(yè)大學(xué)先進制造技術(shù)北京市重點實驗室,北京 100124;3.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所,湖北襄陽 441003; 4.中船重工七○五研究所昆明分部,云南昆明 650032)
海洋工作環(huán)境復(fù)雜難明,對其資源的探索開發(fā)只能依靠儀器設(shè)備。水下機械臂操縱精度高,作業(yè)范圍廣,是理想的勘探設(shè)備[1],液壓擺動缸又是水下機械臂最重要的執(zhí)行機構(gòu)之一。目前的擺動缸主要依靠油壓驅(qū)動,存在密封困難、污染環(huán)境、易失效和損失大等諸多問題[2]。而以水作為傳動介質(zhì)的閥控缸系統(tǒng),整個系統(tǒng)為開式回路,油壓系統(tǒng)采用封閉式回路無法補償深海下水壓,且回路一旦發(fā)生泄漏,除工作失效外還會對海洋生態(tài)造成破壞等問題得以解決。因此,研制一種水液壓閥控擺動缸系統(tǒng)尤為迫切。
擺動缸結(jié)構(gòu)精簡、加工方便,無需輪系等任何變速機構(gòu)即可將液壓能直接轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩,能產(chǎn)出較大扭矩,且轉(zhuǎn)動速度較為平穩(wěn),因此是工業(yè)應(yīng)用及海洋勘探裝備上理想的執(zhí)行元件[3]。而葉片式擺動液壓缸結(jié)構(gòu)緊湊,質(zhì)量轉(zhuǎn)矩輸出比較大,運行平穩(wěn)且維護成本低,因而得到大面積推廣,國內(nèi)外大量學(xué)者對其進行了深入研究。RANEDA A等[4]研究設(shè)計了一種水基擺動液壓缸,對關(guān)鍵部位的密封結(jié)構(gòu)提出了改進,并對其性能進行試驗驗證,證明了以純水作為傳動介質(zhì)是可行的。日本的神奈川大學(xué)研制的一種以水作為傳動介質(zhì)的三液壓腔的單葉片擺動缸,使得單葉片擺動缸的主軸軸承受力情況得以根本改善,使以往傳統(tǒng)的單葉片擺動缸主軸所特有的徑向力作用問題得以解決[5-6]。
吳若麟等[7]建立了閥控擺動缸系統(tǒng)的三大方程,并推導(dǎo)出了固有頻率式,研究了其中的4個單參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響,并通過遺傳算法迭代循環(huán)對閥控缸系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化,提高其動態(tài)性能。梅鵬等[8]建立了軸配流的水液壓擺動缸的MATLAB模型,得到了系統(tǒng)的開環(huán)函數(shù)Bode圖,表明水液壓擺動缸的跟隨性能良好。孟凡虎等[9]提出了一種神經(jīng)元PID控制器,對閥控擺動缸調(diào)速系統(tǒng)進行了優(yōu)化。王增等[10]分析出擺動缸泄漏量與壓力之間并非呈線性關(guān)系,在考慮了縫隙泄漏和軸肩泄漏后,提出了一種改進的泄漏量計算模型,指出葉片的轉(zhuǎn)動角度與泄漏量間存在周期性關(guān)系。謝良喜等[11-12]對擺動缸葉片密封進行了一系列的研究,建立了密封面接觸應(yīng)力模型,分析了預(yù)壓縮量及密封圓角對密封可靠性的影響,并對擺動缸葉片結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化[13-14]。李樹立等[15]基于靜壓支承技術(shù)設(shè)計了一種靜壓支承擺動缸,并分析了影響靜壓支承負載力的因素。通過試驗得出該結(jié)構(gòu)提高了軸向?qū)χ芯?,減小泄漏量,減小端面磨損[16]。
本研究以水壓高速開關(guān)閥為控制元件,以水壓擺動缸為執(zhí)行元件,構(gòu)建水壓閥控擺動缸系統(tǒng),進而驅(qū)動單關(guān)節(jié)機械臂運動[17]。該系統(tǒng)集成化、模塊化程度高,由于傳動介質(zhì)是純水,所以設(shè)計成開放式回路,無需壓力補償裝置,可與外界環(huán)境友好相融,適應(yīng)性好;通過特定的工業(yè)控制設(shè)備將脈沖調(diào)制信號傳輸給高速開關(guān)閥組,控制閥組的啟閉狀態(tài),通過高速開關(guān)閥組,控制擺動液壓缸的精確動作[18]。
本研究采用葉片式結(jié)構(gòu),以擺動油缸為基礎(chǔ),充分考慮葉片的密封特性以及軸的潤滑特性。擺動缸采用17-4PH合金加工制造,避免了水的腐蝕問題。水潤滑軸承采用氮化硅陶瓷加工制造,直接用水進行潤滑,避免潤滑介質(zhì)泄漏造成油水混合從而引起污染水源等問題。轉(zhuǎn)動葉片和固定葉片采用組合式密封結(jié)構(gòu),有效降低了內(nèi)泄漏。在轉(zhuǎn)動葉片和固定葉片的兩側(cè)均安裝緩沖片,防止轉(zhuǎn)動葉片對固定葉片產(chǎn)生撞擊,提高擺動缸工作時的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命。
水壓擺動缸的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示,圖2為水壓擺動缸的系統(tǒng)原理圖。當(dāng)水壓擺動缸需要正轉(zhuǎn)時,高壓水通過Ⅰ口進入左側(cè)工作水腔,壓力作用于轉(zhuǎn)動葉片左側(cè),產(chǎn)生順時針的轉(zhuǎn)動扭矩,從而驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸順時針轉(zhuǎn)動,另一工作水腔的水通過Ⅱ口直接排出。當(dāng)其需要反轉(zhuǎn)時,高壓水通過Ⅱ口進入右側(cè)工作水腔,壓力作用于轉(zhuǎn)動葉片右側(cè),產(chǎn)生逆時針的轉(zhuǎn)動扭矩,從而驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸逆時針轉(zhuǎn)動,另一工作水腔中的水通過Ⅰ口直接排出。
1.后端蓋 2.缸體 3.轉(zhuǎn)動葉片組合密封 4.前端蓋 5.定位銷6.前浮動盤 7.前法蘭 8.轉(zhuǎn)動軸 9.軸承內(nèi)套 10.軸承外套11.碟簧 12.固定葉片組合密封 13.后浮動盤 14.后法蘭圖1 水壓擺動缸結(jié)構(gòu)圖
由于傳動介質(zhì)采用的是水,且水的理化性質(zhì)要比液壓油較差,尤其是潤滑及摩擦特性,分子大小也遠小于液壓油,因此建立起高低壓腔壓差,保證容積效率就成了水壓擺動缸研發(fā)的重中之重,其最為關(guān)鍵的一處密封就是葉片與缸體和轉(zhuǎn)動軸之間的密封。采用O形密封圈與超高分子量聚乙烯(UPE)的組合式密封,組合密封示意圖如圖3所示。
1.過濾器 2.潛水電機 3.水壓柱塞泵 4.水壓溢流閥5.壓力表 6~9.水壓高速開關(guān)閥 10.水壓擺動缸 11.編碼器12.負載 13.程序控制器 14.工控機圖2 水壓擺動缸系統(tǒng)原理圖
1.超高分子量聚乙烯環(huán) 2.密封擋塊 3.O形圈圖3 組合密封示意圖
其工作機理是:采用了軟硬結(jié)合配對的組合密封方式,一般對于轉(zhuǎn)動副密封來說,密封圈溝槽要在O形圈裝入時使密封圈產(chǎn)生5%~10%的預(yù)壓縮量,這樣在密封面將形成初始接觸應(yīng)力。密封結(jié)構(gòu)外層是一圈UPE材料,通過O形圈產(chǎn)生的初始形變的回彈力與擺動缸內(nèi)壁緊密貼合在一起,當(dāng)工作腔壓力升高,O形圈變形越大,加載在UPE材料上的作用力就越大,由負載壓力自發(fā)調(diào)節(jié)貼緊程度,使得密封越可靠。且UPE材料在水中的自潤滑性能較好,不會產(chǎn)生過大的摩擦力降低擺動缸的機械效率。但水的理化特性較差,所以對密封元件的加工精度要求較高,且需視工作時長及時更換密封元件。
圖4所示為單個水壓高速開關(guān)閥的AMESim仿真模型,壓力源提供10 MPa的恒定壓力,通過2條通路作用于錐閥閥芯的左端和摩擦力模型右端。當(dāng)音圈電機反向通電時,利用吸力使得閥口打開。
圖4 水壓高速開關(guān)閥AMESim仿真模型
圖5為水壓擺動缸的AMESim模型,虛線框中的部分為擺動缸葉片與缸體間摩擦力矩的簡化模型,摩擦力矩采用了庫倫摩擦模型,并考慮了擺動缸的內(nèi)泄漏,采用了間隙泄漏模型,通過邏輯函數(shù)和角度控制信號模擬擺動缸的負載,采用固定角度采樣的信號設(shè)置角速度和角位移傳感器,以仿真擺動缸的擺動跟隨特性。泵站通過溢流閥和單向定量泵來輸出恒定壓力,通過對伺服閥的輸入信號來控制擺動缸的動作。
圖5 水壓擺動缸AMESim仿真模型
圖6 水壓閥控缸系統(tǒng)AMESim仿真模型
根據(jù)高速開關(guān)閥控擺動缸系統(tǒng)原理建立AMESim仿真模型,如圖6所示。壓力源提供10 MPa的恒定壓力,由4個高速開關(guān)閥聯(lián)合控制擺動缸的轉(zhuǎn)動,能實現(xiàn)擺動角的精準控制,通過角速度傳感器施加轉(zhuǎn)矩和擺動缸角度信號的測量,通過輸入轉(zhuǎn)動角度信號與實際測量角度信號的比較,然后通過閥1~4的開啟和關(guān)閉開控制擺動缸的轉(zhuǎn)動角度。閥1、閥3開啟,閥2、閥4關(guān)閉,則擺動缸右轉(zhuǎn);閥2、閥4開啟,閥1、閥3關(guān)閉,則擺動缸左轉(zhuǎn);閥1~閥4同時關(guān)閉,則擺動缸停止。
閥控缸系統(tǒng)AMESim仿真模型中,閥控缸系統(tǒng)仿真模型各個元件的主要參數(shù)如表1所示。用表中參數(shù)建立仿真模型,分析系統(tǒng)的各個元件參數(shù)(如排量、泄漏系數(shù)、水壓等)對閥控缸動態(tài)性能的影響,以達到優(yōu)化該系統(tǒng)參數(shù)的目的。
表1 元件主要參數(shù)表
1) 排量
保證擺動缸轉(zhuǎn)角輸入信號和其他參數(shù)不變,設(shè)定擺動缸排量分別為0.5,1.1,1.5,2.0 L/r。設(shè)定仿真時間為40 s,仿真步長取0.01 s,可得到擺動缸轉(zhuǎn)角位置α跟隨曲線,如圖7所示。
從圖7中可以看出,隨著擺動缸排量的增大,擺動缸到達指定角度時的振蕩幅度越小;當(dāng)擺動缸排量大于1.1 L/r后,擺動缸到達指定角度時的振蕩幅度基本不變,滿足擺動缸的設(shè)計基本要求。
圖7 不同排量下擺動缸轉(zhuǎn)角位置跟隨曲線
2) 泄漏系數(shù)
保證擺動缸轉(zhuǎn)角輸入信號和其他參數(shù)不變,設(shè)定擺動缸泄漏系數(shù)分別為0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 L·MPa/min。設(shè)定仿真時間為40 s,仿真步長取0.01 s,可得到擺動缸轉(zhuǎn)角位置跟隨曲線,如圖8所示。
隨著擺動缸泄漏系數(shù)的增大,擺動缸到達指定角度時的振蕩幅度基本不變,但擺動缸跟隨性能變差。而隨著擺動缸泄漏系數(shù)的增大,擺動缸內(nèi)泄漏量增大,容積效率大大降低。因此,對擺動缸密封的設(shè)計是研制擺動缸的一個關(guān)鍵因素。
3) 水源壓力
保證擺動缸轉(zhuǎn)角輸入信號和其他參數(shù)不變,設(shè)定擺動缸水源壓力分別為2.5,3.0,5.0,7.0 MPa。設(shè)定仿真時間為40 s,仿真步長取0.01 s,可得到擺動缸轉(zhuǎn)角曲線,如圖9所示,擺動缸的泄漏量如圖10所示。
圖8 不同泄漏系數(shù)下擺動缸轉(zhuǎn)角位置跟隨曲線
從圖9中可以看出,負載為450 N·m時,啟動壓力在2.5~3.0 MPa之間,隨著壓力的增大,擺動缸到達指定角度時的振蕩幅度基本不變。圖10顯示了擺動缸從2.5~7.0 MPa的內(nèi)泄漏量變化曲線,在p=2.5 MPa時,擺動缸未啟動,所以其泄漏量是一個恒定的正值(此處正負僅表示泄漏通道方向),當(dāng)壓力大于啟動壓力后,擺動缸開始做往復(fù)回轉(zhuǎn)運動,泄漏方向隨著轉(zhuǎn)動方向的改變而變化。隨著壓力的增大,擺動缸工作腔變形程度加大,動、靜葉片處的矩形組合密封工況變得困難,同時前后浮動盤與法蘭之間的靜密封面臨的工作壓力也增大,密封圈變形加大導(dǎo)致產(chǎn)生一定縫隙使得擺動缸泄漏量增大,容積效率大大降低。因此保證缸體和前后端蓋的剛度也是水壓擺動缸設(shè)計的重要因素。
由于AMESim與Simulink有很好的相互兼容性,所以在AMESim中建立閥控擺動缸的仿真模型,并設(shè)置邊界條件與響應(yīng)參數(shù),經(jīng)編譯后生成能被Simulink直接調(diào)用的“S函數(shù)”。這樣既可在Simulink中進行閥控缸系統(tǒng)的聯(lián)合仿真,仿真結(jié)果曲線可以在示波器中顯示,也可以在AMESim中調(diào)出進行分析。這樣高集成化、模塊化的聯(lián)合仿真方式可以更加直觀的實時顯示輸出信號,增強了搭建模型的精確性,提高了仿真工作的便利性。
圖9 不同水源壓力下擺動缸轉(zhuǎn)角位置跟隨曲線
最終在Simulink中搭建的PID控制模型如圖11所示。PID控制器有3個參數(shù)決定最終輸出的控制量和系統(tǒng)的控制性能。通過對比分析,選取PID控制器的經(jīng)驗參數(shù)為6,0.1,0.1。給系統(tǒng)加載的壓力為10 MPa,在10 s時給系統(tǒng)1個轉(zhuǎn)角100°的階躍信號,運行仿真,傳統(tǒng)PID控制下的階躍響應(yīng)曲線如圖12所示,系統(tǒng)經(jīng)約0.51 s達到穩(wěn)態(tài),但經(jīng)過PID控制器的預(yù)調(diào)與修正后,系統(tǒng)的超調(diào)振蕩有所減小。在實際應(yīng)用中除了研究系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性外,還需研究系統(tǒng)的跟隨性能。系統(tǒng)輸入幅值為220°,周期為10 s的類正弦信號,擺動缸的轉(zhuǎn)角位置跟隨曲線如圖13所示,滯后時間約為0.1 s,轉(zhuǎn)角的最大跟隨誤差約為2°。
圖10 擺動缸內(nèi)泄漏量變化曲線
圖11 PID控制模型
分析上圖可得,加入PID控制器后閥控擺動缸系統(tǒng)的動態(tài)性能得到一定的改善,響應(yīng)雖有一些滯后,但總體上滿足擺動缸設(shè)計需求,此外系統(tǒng)振蕩降低,抗干擾能力提高,通過精確模型仿真得出其跟隨特性良好。
對以水作為傳動介質(zhì)的液壓擺動缸進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計,并研究了水基擺動液壓缸的泄漏通道,對關(guān)鍵部位提出了一種密封方案;搭建水壓閥控擺動缸系統(tǒng),運用AMESim和MATLAB仿真軟件分析會對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能產(chǎn)生影響的因素,并在系統(tǒng)上加入PID控制器后,得出以下結(jié)論:
圖12 水壓擺動缸階躍響應(yīng)曲線
圖13 水壓擺動缸轉(zhuǎn)角位置跟隨曲線
(1) 通過對AMESim中批處理的單參數(shù)影響分析,隨著排量增大,擺動缸振蕩幅度減小;若增大泄漏系數(shù),則振蕩幅度基本沒有變化,但泄漏量增大導(dǎo)致容積效率大大降低;在負載為450 N·m時,啟動水壓力在2.5~3.0 MPa之間;
(2) 利用了AMESim和Simulink聯(lián)合仿真技術(shù),將在AMESim中建立的數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入Simulink中,在傳統(tǒng)MATLAB仿真中高精度模型難以建立的問題得以解決,并在模型中加入PID控制器,結(jié)果表明系統(tǒng)的超調(diào)振蕩減小,抗干擾能力增強,為提高系統(tǒng)的動態(tài)性能提供了思路;
(3) 采用純水作為傳動介質(zhì),因此要著重研究關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的密封方案,本研究采用軟硬配對的組合式密封,可以根據(jù)水壓自補償密封面接觸應(yīng)力,防止摩擦力矩過大導(dǎo)致缸爬行,影響擺動缸的機械效率,但后續(xù)的介質(zhì)腐蝕與轉(zhuǎn)動副磨損問題仍需進一步研究。