履带式水仓清挖机器人液压系统分析.pdf

针对当前机械清挖存在的功能单一、体积庞大、自动化程度低、操作人多的缺点，设计一种水仓清挖机器人，并对其行走单元的液压系统进行仿真分析。仿真分析平地直行、转向、爬坡等工况下的动态特性，结果表明清仓机器人的行走单元能够按照工况要求完成指定动作，行驶过程中不受外界阻力变化影响，同时各个执行器能够独立工作互不干扰，体现了良好的抗流量饱和能力。此外，还模拟了负载敏感系统和定量泵节流调速系统的节能效率，结果表明负载敏感系统的效率更高，节省的能量更多。关键词：水仓清挖机器人；负载敏感系统；履带行走机构；节能中图分类号：，（，；，）：，：；前言煤矿井下水仓和煤泥水沉淀池是煤矿安全生产的重要保证。矿井水是伴随煤炭开采产生过程的必然产物，矿井水中颗粒在主副水仓等待排水过程中会形成沉淀沉积，占用主副水仓的有效容积，严重影响主副水仓的储水量，给矿井带来潜在危险，必须清理。而传统的水仓清理方式需要的人力和物力巨大，并且劳动强度高、工作效率低，不能很好地满足生产需要。针对当前机械清挖存在的功能单一、体积庞大、自动化程度低、操作人多的缺点，本文作者设计一种水仓清挖机器人，以实现集煤泥清挖、煤泥脱水和煤泥连续输送一体化的高效煤泥清理。水仓清挖机器人系统组成水仓清挖机器人的三维图如图 所示，主要包括上料机构、升降油缸、回转油缸、行走机构、振动筛、二次构造泵、液压站、控制台。具体工作过程如下：绞龙把煤泥绞入到输送通道中，然后通过通道内的链条和挡板把煤泥输送到脱水振动筛中，随后激振器振动，把脱完水的煤泥送入二次构造泵的搅拌箱中，最后经由二次构造泵把煤泥排入输送管道，运向煤泥处理站。图 水仓清挖机器人三维图 液压系统组成及原理水仓清挖机器人的行走单元使用液压传动控制，液压系统内的执行元件包括绞龙升降油缸、回转油缸、左右履带马达。绞龙升降油缸可以控制上料机构的上下抬升角度，回转油缸可以控制上料机构的左右摆动角度，这样可以灵活地控制输入煤泥的方位。同时左右履带马达可以控制整车的履带行走。行走机构液压系统如图 所示。传统的履带清仓装置的行走液压系统大多具有多个泵源，单泵驱动单执行器，液压系统设计复杂、操作繁琐，且系统能耗巨大。针对这些问题，此系统选用负载敏感泵，配套 型多路换向阀，单泵驱动多执行器，每一路执行器的负载压力经过梭阀选择后将最高的负载压力信号传至变量泵的负载敏感接口，再经过泵的变量机构调节，使变量泵的输出压力和流量与系统相匹配，从而实现系统节能。图 行走机构液压系统 液压系统建模仿真分析基于液压仿真平台，搭建的模型如图 所示。此模型包括左右行走马达和绞龙升降油缸，因回转油缸参数和升降油缸参数基本相同，故只取一组油缸进行仿真分析。行走单元仿真分析根据设计要求：电机选择四级电机，转速为 ；泵选择力士乐 负载敏感泵，可通过的最大流量为 ；行走马达选择 马达减速机，马达的流量为 ；选择的绞龙升降油缸活塞直径为 ，活塞杆直径为 ；升降油缸质量为 ，根据，取重力加速度为 ，计算出油缸推力大约为 ；选择的升降油缸流量为 ，油缸的推出速度暂定为 。履带行走阻力分析煤矿井下水仓和煤泥水沉淀池路况较复杂，其中煤泥和土混合，路面土质较为松软，故水仓清挖机器人要在比较恶劣的地面上施工作业，行走阻力分布比较复杂，不能忽略。机床与液压第 卷图 多执行器履带行走液压系统 模型 履 带 接 地 核 心 区 域 的 条 件：整 车 重 心 在 ，其中 是履带的接地长度；是两履带中心距；是整车重心纵向偏移量；是整车重心横向偏移量。已知 ，取 ，。平地直行工况行走阻力分析（代表横向偏移量）其中：为单侧履带直行阻力；为整车重力，重力加速度 ；行走阻力系数 。计算得 。平地转弯工况行走阻力分析外侧履带转弯行驶阻力为 其中：履带弯曲阻力系数 ；履带的长宽比 。计算得到 。坡道直行工况行走阻力分析单侧履带爬坡阻力为（）式中：为滚动阻力；为坡度阻力；为坡度，取行走坡度 分别为、。得到 ，。内阻力、惯性阻力、空气阻力分析分配到单边履带的运行内阻力内 分配到单边履带的惯性阻力惯 分配到单边履带的空气阻力 其中：为空气阻力系数；为履带行走速度；为清仓机器人有效受风面积；为空气密度。履带行走机构总阻力将 内、惯、加到各工况行走阻力中，得出最终的行驶阻力为直行内惯 转弯内惯 坡内惯 坡内惯 坡内惯 液压马达与驱动轮之间会借助一系列中间过渡环节，将承载能力小、低扭矩的高速液压马达与系统参数进行匹配。选择蜗轮蜗杆减速器为中间减速器，减速比为 ，驱动轮与马达的连接如图 所示。其中马达输出轴与蜗杆相连，经过蜗轮蜗杆减速后，驱动轮把力传递到履带上。把阻力等效到圆周力 上，第 期段祯 等：履带式水仓清挖机器人液压系统分析 计算得出作用到马达轴上的圆周阻力。图 驱动轮与马达连接 由 ，（），得出 。其中、分别为作用到蜗杆、蜗轮、驱动轮 的阻力矩，为减速比，为蜗轮蜗杆的啮合效率，驱动轮分度圆直径 ，蜗杆分度圆直径 。将直行、转弯、坡、坡代入到 中，得到作用在马达轴上的阻力为：直行 ，转弯 ，坡 ，坡 ，坡 。平地直行工况仿真分析模拟清仓机器人初始静止，匀加速一段时间后匀速行驶，行驶一段时间后，开始匀减速，直至静止，对应行驶过程中的启动、匀速、制动工况。启动负载敏感泵，控制左右马达的多路阀 在中位工作，在 后阀芯接收信号开始移动，时阀口完全打开，多路阀右位工作，在 时阀口开始关闭，经过 后，阀口完全关闭。对应工况为 静止，启动，匀速运动，制动，静止。马达上承受的行驶阻力和马达转速如图（）所示，马达压力和流量如图 （）所示。图 平地直行工况仿真分析 ：（）；（）在起步阶段，泵启动而多路阀阀口没有开启，此时泵出口出现较小压力。在 时打开多路阀阀口后，压力先降低后迅速升高，此时行驶阻力较高，液压回路出现大的液压冲击。在正常工作后，负载压力和流量保持不变。平地转向工况仿真分析清仓机器人的转向方式有 种：一种是一侧履带制动，另一侧履带正常行驶实现两侧履带差速转向；另一种是两侧履带向不同方向行驶实现原地转向。单边转向工况仿真分析模拟清仓机器人单边转向，外侧马达正常工作，内侧马达制动。控制马达的外侧多路阀施加的信号和平地直行工况一致，内侧多路阀在中位工作。外侧马达上承受的行驶阻力和马达转速如图 （）所示，马达压力和流量如图 （）所示。图 单边转向工况仿真分析 ：（）；（）单向转弯工况的行驶阻力比较大，故马达的压力和流量波动比较大，但曲线在波动后迅速回归平稳。原地转向工况仿真分析左右马达转速相同、转向相反，实现原地转向。对应控制马达的外侧多路阀施加的信号和平地直行工况一致，控制马达的内侧多路阀和外侧多路阀的阀口运动方向相反。由于井下道路比较复杂，左右履带所受阻力并不相同，故对两侧马达施加不同的阻力。马达上承受的行驶阻力和马达转速如图 （）所示，外侧和内侧马达压力和流量分别如图（）和 （）所示。在行驶阻力变化比较复杂时，系统内的压力和流量的变化并不大，不会影响系统的正常工作。机床与液压第 卷图 原地转向工况仿真分析 ：（）；（）；（）坡道直行工况仿真分析分别模拟坡度为、时清仓机器人的坡道直行工况，清仓机器人从坡上开始起步，行走一段时间后进行平地行走，多路阀加载的信号和平地直行工况一致。马达上承受的行驶阻力和马达转速如图（）所示，马达压力和流量如图 （）所示。可以看出：在坡度增加时，马达压力增加，但马达的流量保持不变，这样整车行驶时比较平稳。图 坡道直行工况仿真分析 ：（）；（）整车行进时抬升上料机构工况仿真分析考虑履带行走的同时抬升上料机构。模拟履带第 静止，然后平地直行，接着制动，静止，最后平地后退 ，制动 。同时液压缸的活塞杆在前 伸出，在 时活塞杆开始缩回，直到顶到液压缸缸壁，液压缸负载为 。此工况的流量压力曲线如图 所示。图 整车行进时抬升上料机构工况仿真分析 ：（）；（）；（）；（）；（）第 期段祯 等：履带式水仓清挖机器人液压系统分析 由图 （）和图 （）中可以看出：在刚开始工作时，油缸无杆腔进油，活塞杆伸出。在第 控制液压缸的多路阀换向时，液压马达出现轻微的液压冲击，说明油缸的工作对马达的工作影响较小。在第 马达开始制动后，马达的进口压力逐渐为，而此时油缸的进油腔压力和流量受到影响，也轻微降低。在 时活塞顶到缸壁，压力瞬间升高，流量为，此时液压缸所在油路的负载压力过高，系统为过载状态。之后二次限压阀 动作，将负载压力限定到调定的 ，并使一部分流量从二次限压阀流回油箱。在整车工作的过程中梭阀会把负载的最高压力反馈到负载敏感阀上，故在开始时反馈压力为马达进油压力，在活塞杆顶到缸壁后反馈压力为油缸进油腔压力，注意到反馈压力和上述的负载压力有一个很小的差值，那是因为反馈流量经过多路换向阀油路时压力有一定的压降。由图 （）可知：在马达和油缸同时工作时，流量处于饱和状态，左右马达加上油缸通过的流量之和为泵出口的流量，最大流量为 ；在活塞杆碰到缸壁后，油缸通过流量为，泵只需供给马达流量，所以流量未饱和，此时马达流量适量增加，马达转速加快。定量泵节流调速系统和负载敏感系统节能效率的对比分析为了探究负载敏感液压系统的节能效果，可以用负载敏感液压系统的功率消耗与定量泵节流调速液压系统的功率消耗进行比较，选取与负载敏感泵规格相同的定量泵，建立液压系统如图 所示。图 定量泵液压系统 泵出口压力和负载压力的对比如图 所示。因为换向过程中马达的进油口和出油口发生翻转，故取单侧马达进油口压力作为马达负载压力，同理取液压缸进油腔压力作为油缸负载压力。可以看出：马达和液压缸的工作压力几乎互不影响，而且压力曲线波动也比负载敏感系统下的马达和液压缸小。这是因为定量泵的出口压力和流量几乎恒定，而负载敏感泵的出口压力和流量随着负载变化而变化，改变工况时不同负载间受到的影响较大。虽然负载敏感泵工作时的压力和流量波动比定量泵工作时的压力和流量波动大一些，但这些波动相对于整个系统来说比较小，基本不会影响液压系统的正常工作。图 泵出口压力（）和负载（）压力对比 （）（）功率等于相应的元件输出的流量和压力的乘积，通过计算得出泵输出功率和负载功率，如图 所示。液压系统的液压损失主要包括溢流损失和节流损失。溢流损失是流量损失，当回路中执行元件所需流量小于定量泵输出流量时，超出部分的油量就会通过溢流阀返回油箱，造成系统溢流损失。节流损失是指流量通过多路阀等节流口时，产生压降从而产生节流损失。节流损失 个液压系统全程都有，在 时部分流量从二次限压阀流回油箱，此溢流损失这 个系统也都有。此外定量泵出口并联了一个安全阀，全程存在着较大的溢流损失。能源的损失可用系统效率来判断，效率是负载输入功率与泵输出功率之比，根据图 （）可以计算出液压系统效率，如图 （）所示。从效率曲线可以看出：定量泵节流调速系统的效率稳定在 左右，而负载敏感液压系统的效率稳定在 左右，负载敏感液压系统的效率明显要高很多。机床与液压第 卷图 泵输出功率和负载功率的对比 ：（）；（）；（）消耗的能量等于功率与时间轴所围成的面积，面积通过 软件积分得出，最后得出 内定量泵输出能量 ，定量泵系统的负载消耗能量（也叫 有 用 功），负 载 敏 感 泵 输 出 能 量 ，负载敏感系统的负载消耗能量 。可以看出：虽然负载敏感泵的输出能量比定量泵低，但负载敏感系统做的有用功更多，节能效果显著。根据上面分析可以得出：负载敏感系统比定量泵节流调速系统要节省更多的能量，同时系统效率也得到了显著提高。实验验证根据履带行走机构的液压系统原理，搭建实验液压平台并应用于水仓清挖机器人进行实验，如图 所示。利用压力传感器和流量传感器对马达的进口压力与流量进行测量，使用数据采集仪采集数据。测试履带的直线行走工况，先进行仿真分析。将控制马达的多路换向阀调节至右位，将控制油缸的多路换向阀调节至中位，对应马达正转，油缸不工作，马达上加载的摩擦力矩为 。然后启动电动机，转速为 ，行走 ，然后停止，得出理论仿真曲线。同时在相同的实验条件下进行实验，实验过程中检测马达的进口压力和流量，结果如图 所示，结果显示实验测试结果与模型仿真结果吻合性良好，验证了履带行走机构仿真模型的准确性及其精度。图 实验液压平台 图 实验压力（）、流量（）曲线 （）、（）结论针对履带式水仓清挖机器人，文中设计了负载敏感行走液压系统，并建立了系统的 仿真模型，确立了设计参数，并通过实验验证了仿真模型，最终得出以下结论：仿真模拟了清仓机器人的行走单元在平地直行、转向、爬坡等工况下的动态特性，仿真结果说明清仓机器人的行走单元能够按照工况要求完成指定动作，且行驶过程中不受外界阻力变化影响，有很强的操控性。系统过载时，二次限压阀动作，使过载的执行器流量为，同时限制负载压力，而正常工作的执行器流量不受影响。这说明多执行器工作时，各个执行器能够独立工作互不干扰，体现了良好的抗流量饱和能力。此外梭阀会反馈最大的负载压力到负载敏感阀上，由负载变化对主泵的流量作相应的调节，达到最好的压力流量匹配效果。仿真模拟了负载敏感系统和定量泵节流调速系统的节能效率，结果说明负载敏感系统的效率更高，节省的能量更多。第 期段祯 等：履带式水仓清挖机器人液压系统分析 参考文献：任安才，王成军 型矿井水仓清理机的设计煤矿机械，（）：，（）：巩长勇，吴淼，张鹏程，等煤矿井下水仓清理技术及清挖输送机研制煤炭科学技术，（）：，（）：王刚，陶柳负载敏感液压系统节能设计及 仿真分析机床与液压，（）：，（）：邱鹏掘进机摇臂升降负载敏感控制系统设计与研究机床与液压，（）：，（）：蔚亚基于负载敏感原理的比例多路阀中溢流阀的稳定性分析与改进兰州：兰州理工大学，：，陈革新，王维福，宋佳，等负载敏感比例多路阀中二通压力补偿阀对微动特性的影响液压与气动，（）：，（）：旷水章液压挖掘机多路阀同步性能负载敏感性分析及优化湘潭：湘潭大学，：，武宝宝 履带式自卸车负载敏感行驶液压系统研究西安：长安大学，：，张云鹏，关满杰，刘强，等 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