朱小明，徐攀，楊麗紅

(1.上海豪高機(jī)電科技有限公司，上海 201614；2.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

0 前言

為減少在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程消耗不必要的時(shí)間精力，可借助現(xiàn)代輔助設(shè)計(jì)技術(shù)——虛擬樣機(jī)技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)能更好地適應(yīng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程，極大減小產(chǎn)品研發(fā)周期，降低產(chǎn)品生產(chǎn)周期，減少不必要的損失，可迅速地適應(yīng)市場(chǎng)需求[1]。

現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)備中，特別是需要自動(dòng)化和半自動(dòng)化的設(shè)備中，由于工藝或生產(chǎn)的要求，往往需要機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)周期性的轉(zhuǎn)位、分度動(dòng)作以及帶有瞬時(shí)停歇或停歇區(qū)的間歇性運(yùn)動(dòng)[2-3]。隨著負(fù)載的增大，同時(shí)為滿足功能要求，對(duì)重載的快速轉(zhuǎn)位、分度動(dòng)作顯得更為重要。而液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位、分度動(dòng)作的技術(shù)要求。

本文作者主要研究特種設(shè)備液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，初步實(shí)現(xiàn)液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒的功能要求，并對(duì)其液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì),為下一步物理樣機(jī)的探索研究提供參考。

1 液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒設(shè)計(jì)

1.1 基于系統(tǒng)化設(shè)計(jì)法的方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法是基于系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)方法。工程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是復(fù)雜的，如果僅對(duì)問(wèn)題的一個(gè)方面進(jìn)行分析，那么結(jié)論通常是單方面且有限的。系統(tǒng)工程方法關(guān)注研究對(duì)象內(nèi)部和外部環(huán)境之間的有機(jī)聯(lián)系，將研究對(duì)象及所受影響統(tǒng)一成整個(gè)系統(tǒng)，是一種更加全面的研究問(wèn)題的方法[4]。將液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒看成一個(gè)系統(tǒng)，利用系統(tǒng)化設(shè)計(jì)法的整體性和可分解性特征進(jìn)行研究，可以更加全面地分析液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒。

通過(guò)分析液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒的功能要求，進(jìn)一步明確了系統(tǒng)功能，獲得了系統(tǒng)功能分解圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能分解

1.2 液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒技術(shù)指標(biāo)

為滿足液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒總體功能要求，液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒由整體結(jié)構(gòu)(主要針對(duì)零部件)及提供動(dòng)力的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。

其技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒在推出負(fù)載物時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度(60°)，需用時(shí)2～6 s，轉(zhuǎn)角精度為 ±0.1°；

(2)液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒的圓周方向均布掛載6個(gè)負(fù)載物，每個(gè)負(fù)載物質(zhì)量約2 t；

(3)液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒圓周方向掛載的負(fù)載，要求在360°內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在最下方位置推出；

(4)液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)筒外輪廓尺寸，橫截面寬度不超過(guò)2 000 mm、長(zhǎng)度不超過(guò)2 000 mm；

(5)液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒的材料性能要符合剛度、強(qiáng)度的要求。

鑒于以上技術(shù)指標(biāo)，采用槽輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)等分轉(zhuǎn)筒實(shí)現(xiàn)等分要求，利用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)槽輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，采用液壓缸實(shí)現(xiàn)定位功能并用液壓盤剎實(shí)現(xiàn)配合制動(dòng)。文中初步將液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒機(jī)械系統(tǒng)劃分為五大功能部分：本體機(jī)構(gòu)、槽輪分度機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒機(jī)械系統(tǒng)組成

液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒的本體機(jī)構(gòu)起支撐固定其他部件的作用，保證整體結(jié)構(gòu)安全可靠，采用支座結(jié)構(gòu)，既能滿足強(qiáng)度和剛度的要求，又能牢靠地固定于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。減速機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)與槽輪機(jī)構(gòu)之間的減速傳動(dòng)。槽輪機(jī)構(gòu)作為六等分動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證等分動(dòng)作的準(zhǔn)確性。文中采用槽輪分度機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)比其他分度機(jī)構(gòu)可靠，但存在誤差需要補(bǔ)償。定位機(jī)構(gòu)的作用是補(bǔ)償槽輪分度機(jī)構(gòu)存在的誤差，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確機(jī)械定位。制動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用主要實(shí)現(xiàn)對(duì)等分轉(zhuǎn)筒的制動(dòng)，控制其偏載。液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒整體結(jié)構(gòu)示意

液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒詳細(xì)動(dòng)作如下：

(1)轉(zhuǎn)筒由相配合的槽輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，等分轉(zhuǎn)筒依次等分運(yùn)動(dòng)至最下方位置，推出負(fù)載物，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作；

(2)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)速度較快，無(wú)法與槽輪分度機(jī)構(gòu)相連接，因此需要減速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，使傳動(dòng)更加平穩(wěn)可靠；

(3)實(shí)現(xiàn)等分動(dòng)作的槽輪機(jī)構(gòu)，其分度存在誤差，無(wú)法滿足工作要求，需要使用液壓缸推動(dòng)定位裝置實(shí)現(xiàn)精確定位，以滿足要求；

(4)液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒質(zhì)量及體積較大，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，僅僅依靠槽輪分度機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)定位，為了在接近位置進(jìn)行定位，采用液壓盤剎裝置進(jìn)行制動(dòng)。

1.3 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

槽輪分度機(jī)構(gòu)具有機(jī)械構(gòu)造簡(jiǎn)單、分度準(zhǔn)確、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、機(jī)械效率優(yōu)良等特點(diǎn)[5]，其最主要的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：靜止時(shí)間與轉(zhuǎn)位時(shí)間之比為定值；槽輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度為固定值。采用槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒的六等分要求。槽輪機(jī)構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)筒內(nèi)部，槽輪及槽輪盤上有6個(gè)槽，對(duì)應(yīng)著等分轉(zhuǎn)筒的6個(gè)工位，每個(gè)槽都是一個(gè)等分位置，撥盤上有一個(gè)圓銷，則槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)系數(shù)τ=1/3、靜止系數(shù)g=2/3，即槽輪的靜止時(shí)間大于運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

槽輪軸上等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jmax=2 384.3 kg·m2、6轉(zhuǎn)位工位、中心距最大為320 mm、工位靜止時(shí)間td=2 s，則槽輪機(jī)構(gòu)各部分尺寸計(jì)算公式[6]如下：

R1=Csinβ

(1)

式中：R1為圓銷中心軌跡半徑，mm；C為中心距，mm；β為槽輪運(yùn)動(dòng)角，(°)。

RT為撥盤上圓銷半徑，單位為mm，公式為

RT=R1/3

(2)

R2為槽輪外徑，單位為mm，公式為

(3)

h=R1+R2-C+RT+δ

(4)

式中：h為槽輪深度，mm；δ為銷與槽底間隙，mm。

d1為撥盤回轉(zhuǎn)軸直徑，單位為mm，公式為

d1<2(C-R2)

(5)

γ=2π-2α

(6)

式中：γ為撥盤上鎖止弧所對(duì)中心角，(°)；α為撥盤運(yùn)動(dòng)角，(°)。

R0=R1-b-RT

(7)

式中:R0為鎖止弧半徑，mm；b為槽齒寬，mm。

(8)

式中:θmax為槽輪最大角速度所在位置，(°)；λ為圓銷中心軌跡半徑與中心距的比。

(9)

式中：M1max為撥盤軸上最大扭矩，kN·m；Jv為槽輪軸上等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

將參數(shù)代入以上計(jì)算公式，可得到槽輪及撥盤結(jié)構(gòu)分別如圖4、圖5所示。

圖4 槽輪

圖5 撥盤

槽輪安裝于等分轉(zhuǎn)筒上，撥盤經(jīng)支撐板與槽輪相配合運(yùn)動(dòng)，傳遞的動(dòng)力經(jīng)齒輪減速機(jī)構(gòu)傳遞至撥盤，撥盤帶動(dòng)與之配合的槽輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)等分轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.4 ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真

液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒的三維模型建立后，為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否滿足功能要求，利用ADAMS軟件，對(duì)液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。將建立的SolidWorks模型另存為格式為parasolid(*.x_t)的文件，導(dǎo)入到ADAMS后[7-9]可創(chuàng)建液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)。

建立ADAMS虛擬樣機(jī)之前，首先要對(duì)ADAMS軟件環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。在設(shè)置完坐標(biāo)系、單位、重力加速度后，即可進(jìn)入對(duì)導(dǎo)入模型進(jìn)行約束添加、驅(qū)動(dòng)和作用力的環(huán)節(jié)。在模型上設(shè)置了以上約束后，為使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，必須在相關(guān)的構(gòu)件上添加驅(qū)動(dòng)、載荷和外負(fù)載。

液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒虛擬模型上的驅(qū)動(dòng)有兩種：一種是驅(qū)動(dòng)槽輪機(jī)構(gòu)的撥盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)；另一種是推出轉(zhuǎn)筒中負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，為減少仿真運(yùn)算時(shí)間，只保留關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真。仿真模型如圖6所示。

圖6 動(dòng)力學(xué)仿真模型

通過(guò)仿真可以得到液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒6個(gè)行程(行程一為初始為6個(gè)負(fù)載時(shí)的第1個(gè)60°轉(zhuǎn)角，行程二為初始為5個(gè)負(fù)載時(shí)的第2個(gè)60°轉(zhuǎn)角，行程三為初始為4個(gè)負(fù)載時(shí)的第3個(gè)60°轉(zhuǎn)角，行程四為初始為3個(gè)負(fù)載時(shí)的第4個(gè)60°轉(zhuǎn)角，行程五為初始為2個(gè)負(fù)載時(shí)的第5個(gè)60°轉(zhuǎn)角，行程六為初始為1個(gè)負(fù)載時(shí)的第6個(gè)60°轉(zhuǎn)角；所有行程均先推出再轉(zhuǎn)動(dòng))下的負(fù)載驅(qū)動(dòng)力矩曲線。通過(guò)分析，液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒在行程三時(shí)處在最大的不平衡狀態(tài)，此時(shí)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)扭矩最大，所以選取行程三的驅(qū)動(dòng)扭矩作為液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù),其負(fù)載驅(qū)動(dòng)力矩曲線如圖7所示。

圖7 行程三的負(fù)載驅(qū)動(dòng)扭矩

圖8所示為轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)過(guò)角度的變化曲線，在第4.05 s轉(zhuǎn)筒開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，第6.75 s轉(zhuǎn)過(guò)60.07°，之后4 s內(nèi)轉(zhuǎn)筒位置保持不轉(zhuǎn)動(dòng)，在4 s內(nèi)轉(zhuǎn)筒內(nèi)的負(fù)載運(yùn)動(dòng)出去，以此類推，直至推出最后一個(gè)負(fù)載，符合在2～6 s內(nèi)快速轉(zhuǎn)動(dòng)60°的要求。通過(guò)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)過(guò)角度的變化曲線，可得到各行程轉(zhuǎn)過(guò)角度、轉(zhuǎn)角時(shí)間及角度誤差。經(jīng)過(guò)分析，各行程的角度誤差分別是0.07°、0.05°、0.18°、0.10°、0.09°及0.08°。行程三的角度誤差為0.18°，不符合±0.1°的精度要求，而轉(zhuǎn)角所用時(shí)間符合技術(shù)要求。

圖8 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)角

由于軟件運(yùn)行環(huán)境的穩(wěn)定性及導(dǎo)入的模型可能存在偏差，仿真結(jié)果結(jié)果會(huì)存在一定誤差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)突變，但基本符合運(yùn)動(dòng)要求。

2 液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒的液壓系統(tǒng)

2.1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于對(duì)液壓系統(tǒng)基本回路的分析與研究，結(jié)合實(shí)際工況所需，采用適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，可構(gòu)成該液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒液壓系統(tǒng)的基本回路，即泵控液壓馬達(dá)液壓系統(tǒng)原理圖,如圖9所示。

圖9 泵控馬達(dá)系統(tǒng)原理

泵控液壓馬達(dá)由變量泵和定量馬達(dá)組成，可通過(guò)改變變量泵的排量對(duì)馬達(dá)進(jìn)行控制。根據(jù)馬達(dá)負(fù)載需要的流量調(diào)節(jié)變量泵，能減小功率損失，最大效率可達(dá)90%[10]。

在泵控馬達(dá)系統(tǒng)中，一般采用恒定轉(zhuǎn)速的變量泵[11]，而馬達(dá)采用定量馬達(dá)，通過(guò)伺服閥控制的液壓缸來(lái)控制變量泵的變量機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)速度和旋轉(zhuǎn)方向的控制。為補(bǔ)償泵和馬達(dá)的泄漏，并保證低壓管道有一定的壓力，以防止出現(xiàn)氣穴和空氣滲入系統(tǒng)并幫助系統(tǒng)散熱，在泵控系統(tǒng)中設(shè)置了補(bǔ)油系統(tǒng)[12]。補(bǔ)油系統(tǒng)為小流量恒壓油源，也可為變量機(jī)構(gòu)供油。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，一條管線的壓力等于補(bǔ)油壓力，另一條管線的壓力由負(fù)載決定。為保護(hù)液壓元件不受壓力沖擊的損壞，必須在兩條管道之間對(duì)稱地橋接兩個(gè)高響應(yīng)安全閥，它們的規(guī)格應(yīng)允許在系統(tǒng)過(guò)載時(shí)將多余的流量從高壓管道注入低壓管道，防止氣蝕和系統(tǒng)的反向沖擊。

2.2 液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

1995年，IMAGINE公司推出了用于多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)的建模仿真軟件AMESim[13]，它為工程系統(tǒng)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、應(yīng)用工程及后期的仿真分析提供了強(qiáng)大的平臺(tái)。使用者可以從復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模中解放出來(lái)，從而關(guān)注所設(shè)計(jì)的實(shí)際物理系統(tǒng)，提高了設(shè)計(jì)效率。

本文作者利用AMESim軟件對(duì)液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，仿真過(guò)程分為4個(gè)步驟：草圖、子模型、參數(shù)設(shè)置模型和仿真[14]。在AMESim的草圖模式下，按照所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理，從標(biāo)準(zhǔn)液壓庫(kù)(HYD)及液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)(HCD)選取需要的液壓元件，進(jìn)而建立如圖10所示的仿真模型。按照原理要求，選取子模型進(jìn)行編譯。

圖10 泵控液壓馬達(dá)AMESim仿真模型

3 仿真結(jié)果分析

利用AMESim軟件對(duì)液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒進(jìn)行仿真分析，得到負(fù)載變化時(shí)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速、馬達(dá)壓力、液壓泵排量的變化曲線分別如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖12 馬達(dá)壓力響應(yīng)曲線

圖13 泵排量變化曲線

根據(jù)得到的負(fù)載扭矩變化曲線(見(jiàn)圖7)，在t=16.94 s時(shí)，負(fù)載扭矩增大至113 461.5 N·m，馬達(dá)壓力也隨之變化，增大至39.23 MPa(見(jiàn)圖12)，并隨著負(fù)載扭矩的波動(dòng)，發(fā)生相應(yīng)變化。由于存在負(fù)載扭矩的波動(dòng)干擾，馬達(dá)轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)波動(dòng)，由16 r/min躍至31 r/min(見(jiàn)圖11)。未出現(xiàn)因負(fù)載扭矩的突然增大，導(dǎo)致馬達(dá)轉(zhuǎn)速降低的情況，證明了泵控馬達(dá)液壓系統(tǒng)可以補(bǔ)償因負(fù)載增大而導(dǎo)致的馬達(dá)轉(zhuǎn)速減小，與之相對(duì)應(yīng)的泵排量也發(fā)生擾動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

在明確設(shè)計(jì)任務(wù)的基礎(chǔ)上，提出液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒總體功能要求，明確了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、確保尺寸小、質(zhì)量輕、滿足運(yùn)輸?shù)纫??；谏鲜鲆螅肧olidWorks對(duì)液壓重載快速等分轉(zhuǎn)筒主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了本體機(jī)構(gòu)、分度機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

分析了負(fù)載變化對(duì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速、壓力響應(yīng)、泵排量的影響。仿真結(jié)果表明：負(fù)載變化時(shí)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速及泵排量隨負(fù)載變化，該液壓系統(tǒng)會(huì)補(bǔ)償因負(fù)載增大而導(dǎo)致的馬達(dá)轉(zhuǎn)速減小、泵排量下降的問(wèn)題，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能夠滿足功能要求。