張曉偉 杜 方 王征宇

（凱邁（洛陽）測控有限公司，洛陽 471003）

升掛車液壓系統(tǒng)的性能直接影響升掛車的掛裝效率[1-2]。傳統(tǒng)的升掛車采用手搖和人工參與的方式實(shí)現(xiàn)掛裝操作，費(fèi)時費(fèi)力且效率低下。因此，介紹一種電液控制方式的5自由度升掛車，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升降、縱移、橫移、俯仰以及偏航5自由度姿態(tài)調(diào)整。它的液壓系統(tǒng)主要由油源、升降機(jī)構(gòu)和掛裝平臺3部分組成。其中：油源可為系統(tǒng)提供動力；升降機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)負(fù)載升降運(yùn)動；掛裝平臺用于實(shí)現(xiàn)負(fù)載縱移、橫移、俯仰及偏航姿態(tài)調(diào)整[3]。

1 5自由度升掛車液壓系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)主要為5自由度升掛車提供舉升、橫移、縱移、俯仰及偏航運(yùn)動，主要分為油源、升降機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)和掛裝平臺液壓系統(tǒng)，工作原理如圖1所示[4]。

2 液壓元件選型設(shè)計(jì)

2.1 輸入設(shè)計(jì)

系統(tǒng)輸入設(shè)計(jì)見表1。

表1 系統(tǒng)輸入設(shè)計(jì)

2.2 確定系統(tǒng)工作壓強(qiáng)

升掛車升降機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。

設(shè)L2小臂與垂直方向夾角為θ，θ取值范圍為0°～57°（0～1 rad）。當(dāng)θ為0°時，液壓缸處于水平位置，此時調(diào)整平臺位于最低點(diǎn)[5]。

舉升高度X(θ)隨θ變化，函數(shù)為：

液壓缸伸長量L(θ)隨θ變化，函數(shù)為：

對X(θ)、L(θ)進(jìn) 行 求 解， 根 據(jù) 虛 位 移 原 理G·dX(θ)-F·dL(θ)=0 可得 ：

可見，因?yàn)長1=500 mm、L2=200 mm、L3=1 908.7 mm、α=74°、H=526 mm、θ為0～1 rad，所以舉升缸推力與θ的變化曲線如圖3所示。

當(dāng)θ=1 rad時，最大推力為Fmax=11.03G。考慮到各鉸鏈處的摩擦，取系數(shù)n=1.4，則Fmax=11.03×1.4G=151 kN。

舉升液壓缸采用推缸的形式提供舉升動力，故此舉升缸拉力為151 kN[6]。設(shè)活塞直徑為D，活塞桿直徑為d，取舉升液壓缸機(jī)械效率ηm=0.9。

取活塞桿直徑D=140 mm、活塞桿直徑d=80 mm、活塞行程S=180 mm，則由可得p=10.9 MPa。

2.3 確定系統(tǒng)工作流量

最快舉升時間為15 s，此時舉升缸活塞運(yùn)動速度v=12 mm·s-1。取系統(tǒng)泄漏系數(shù)K=1.2，則升降機(jī)構(gòu)最大工作流量考慮到掛裝平臺最大工作流量為Q2=3.0 L·min-1，故系統(tǒng)最大工作流量為Q=Q1+Q2=16.3 L·min-1。

2.4 主要元件選型

2.4.1 液壓泵

考慮升降機(jī)構(gòu)與掛裝平臺復(fù)合運(yùn)動的需求，根據(jù)系統(tǒng)壓強(qiáng)、升降機(jī)構(gòu)流量和掛裝平臺流量（3 L·min-1）要求，選擇P2GF2/011+GF1/2.2型內(nèi)嚙合雙聯(lián)齒輪泵，工作壓強(qiáng)為 21 MPa、排量為 5 mL·r-1、轉(zhuǎn)速為 1 450 r·min-1。

2.4.2 電機(jī)及配套控制器

設(shè)液壓泵的總效率ηp=0.85，則電機(jī)功率為

考慮到系統(tǒng)供電48 V、500 Ah蓄電池，結(jié)合安裝空間的使用限制，選用XYQD-8.2H型電機(jī)，其輸出功率為8.2 kW、額定轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1、頻率范圍為0～100 Hz。選用FDK5013控制器，其輸出功率為7.5 kW，輸入電壓范圍為直流36～90 V。

3 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算

3.1 液壓系統(tǒng)壓強(qiáng)損失驗(yàn)算

驗(yàn)算壓強(qiáng)損失的目的在于了解執(zhí)行元件能否得到所需的工作壓強(qiáng)。

沿程壓強(qiáng)損失?pλ1、管道局部壓強(qiáng)損失?pξ1和閥類元件的局部壓強(qiáng)損失?pv1的計(jì)算公式分別為：

于是，系統(tǒng)進(jìn)油路壓強(qiáng)損失?p1為：

式中：管道局部壓強(qiáng)損失?pξ1是按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（7），可得?p1=1.77 MPa。

同理，回油路壓強(qiáng)損失?p2為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（8），可得?p2=1.25 MPa。

于是，可以獲得液壓系統(tǒng)總的壓強(qiáng)損失?p為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（9），可得?p=2.6 MPa。

最終，可得液壓泵出口壓強(qiáng)?p為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（10），可得pp=13.5 MPa≤21.0 MPa。

3.2 估算系統(tǒng)效率、發(fā)熱和溫升

3.2.1 估算液壓系統(tǒng)效率

液壓回路效率ηC為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（11），可得ηC=0.72。

取液壓泵的總效率ηp為0.85，液壓缸的總效率ηA為0.90，液壓回路效率ηC=0.72，則液壓系統(tǒng)效率η為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（12），可得η=0.55。

因此，升降機(jī)構(gòu)工作時液壓泵的輸入功率PP為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（13），可得PP=6.668 kW≤8.200 kW。

3.2.2 估算系統(tǒng)發(fā)熱功率

液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率?P為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（14），可得?P=3 600 W。

3.2.3 估算系統(tǒng)散熱功率

僅考慮油箱散熱時，散熱功率?P0可按式（12）計(jì)算：

式中：k為散熱系數(shù)，W·m-2·℃-1；A為油箱散熱面積，m2；t1、t2分別為系統(tǒng)中工作介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度，℃。

估算油箱的散熱體積A（a、b、h分別為油箱長、寬、高），有：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（16），可得A=0.8 m3。

根據(jù)系統(tǒng)散熱條件和溫升要求，取k=15 W·m-2·℃-1、t1-t2=40 ℃，則?P0=15×0.8×40=480 W。

3.2.4 估算系統(tǒng)連續(xù)工作時間

考慮油液本身的容熱能力，該系統(tǒng)油量按50 L計(jì)算，15號航空液壓油比熱為2 kJ·kg-1·℃-1，則溫升40 ℃時的吸熱量Q為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（17），可得Q=3 200 kJ。

系統(tǒng)中無法由主動散熱系統(tǒng)吸收的發(fā)熱功率?P-?P0=3.12 kW，則油液溫升40 ℃時的最長工作時間T為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（18），可得T=17 min>10 min?？梢?，油液溫升為40℃時可滿足升掛車連續(xù)工作要求。

4 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)了全新5自由度升掛車液壓系統(tǒng)，并估算了系統(tǒng)性能的相關(guān)參數(shù)，可為同類液壓系統(tǒng)的原理及選型設(shè)計(jì)提供參考，也為液壓驅(qū)動多自由度運(yùn)動機(jī)構(gòu)的開發(fā)提供借鑒。