(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

引言

螺栓連接是設(shè)備安裝中應(yīng)用最為廣泛的可拆卸式連接之一。對(duì)大型螺栓的緊固，相比于人工緊固，液壓扳手不僅可減輕人工作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，還可提高施工效率和安全性[1]，優(yōu)勢(shì)明顯。因此液壓扳手已成為眾多工程項(xiàng)目施工中必不可少的裝配工具。

液壓扳手內(nèi)置有液壓油缸、棘輪組合機(jī)構(gòu)，其輸出扭力與油缸內(nèi)油壓平衡時(shí)，螺栓緊固扭力不再增加。對(duì)于液壓扳手作業(yè)時(shí)的自動(dòng)判停，最直觀的方法就是用扭矩傳感器及無(wú)線通訊模塊來(lái)測(cè)量、傳遞扳手輸出扭矩[2]，決定泵站是否停機(jī)或切斷油路供壓；也可通過(guò)輸出油路流量檢測(cè)來(lái)判定液壓扳手內(nèi)置油缸是否仍有推進(jìn)行程。但這兩種方法均需要額外增加高成本的扭矩或流量傳感器等設(shè)備。

液壓泵站驅(qū)動(dòng)扳手緊固螺栓是一個(gè)集機(jī)械、液壓于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，多學(xué)科領(lǐng)域的相互作用導(dǎo)致很難在單一的軟件平臺(tái)仿真其工作過(guò)程[3-4]。本研究通過(guò)ADAMS和AMESim軟件的聯(lián)合仿真模擬螺栓的緊固工況，提出一種采集既有泵站輸出油壓信息，分析緊固過(guò)程中油壓周期脈沖特性曲線的相似度，間接反映螺栓所受扭矩是否達(dá)到目標(biāo)扭矩的方法，可實(shí)現(xiàn)液壓扳手的自動(dòng)判停。

1 液壓扳手及液壓泵站工作原理

液壓扭矩扳手(簡(jiǎn)稱液壓扳手)，是以液體為介質(zhì)以傳遞動(dòng)力實(shí)現(xiàn)大扭矩輸出，用于螺栓安裝及拆卸的專業(yè)工具[5]。扳手的三維模型剖面如圖1所示。液壓泵站啟動(dòng)后通過(guò)馬達(dá)產(chǎn)生動(dòng)力，將內(nèi)部的液壓油通過(guò)油管介質(zhì)傳送到液壓扳手，通過(guò)活塞位移來(lái)推動(dòng)棘輪旋轉(zhuǎn)。泵站通過(guò)循環(huán)加壓回油重復(fù)上述扳手操作，最終液壓力轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)軸上的扭矩完成對(duì)螺栓的緊固[6]。由于扳手的輸出扭矩僅與其自身型號(hào)及泵站輸出油壓有關(guān)且成比例[7]，在緊固過(guò)程中扳手的輸出扭矩與螺栓對(duì)其的反向扭矩是相等的，每擰一次螺栓，其反饋扭矩在前一次擰操作累積的扭矩上增加一個(gè)扭矩量，對(duì)應(yīng)泵站在輸出油壓達(dá)到目標(biāo)值過(guò)程中的某一油壓值。因此泵站每次循環(huán)加壓輸出油壓的波形中存在逐漸增大的拐點(diǎn)，在螺栓緊固完成時(shí)，拐點(diǎn)增大至目標(biāo)壓力，實(shí)現(xiàn)擰緊。

為了契合螺栓負(fù)載從初始較小階段到隨著螺母與法蘭間的摩擦力逐漸增大而變大的過(guò)程，要求液壓泵站能夠同時(shí)滿足前期的低壓、大流量及后期的高壓、小流量。本研究采用低、中、高壓三聯(lián)泵站的三級(jí)供油方式，既能夠滿足高壓力的需求又能提升流量的供給范圍達(dá)到節(jié)能降耗的目的[8]，三聯(lián)泵站原理圖如圖2所示。隨著泵站輸出油壓的持續(xù)上升，溢流閥5,6依次打開(kāi)，泵站的供油泵組由剛開(kāi)始的三泵供油到中、高壓兩泵供油到最后的高壓泵單獨(dú)供油，實(shí)現(xiàn)流量的三級(jí)輸出。泵站驅(qū)動(dòng)扳手作業(yè)時(shí)圖2中左側(cè)油路通過(guò)油管連接如圖1所示的扳手進(jìn)油口，右側(cè)油路連接扳手出油口，換向閥10，11通過(guò)電信號(hào)聯(lián)動(dòng)配合完成泵站輸出油壓的換向控制，實(shí)現(xiàn)泵站循環(huán)加壓-回油過(guò)程，即對(duì)換向閥10，11同時(shí)供電時(shí)，泵站左側(cè)油路出油右側(cè)油路回油，泵站是正向加壓狀態(tài)，推動(dòng)扳手活塞完成正向行程即緊固螺栓一次；當(dāng)對(duì)換向閥10，11同時(shí)斷電時(shí)，泵站左側(cè)油路回油右側(cè)油路出油，泵站是反向加壓狀態(tài)(溢流閥12作為限壓閥，一般限制油壓在8 MPa左右)推動(dòng)活塞回到初始位置。

2 液壓扳手及三聯(lián)泵站建模仿真

2.1 建模

1) 扳手動(dòng)力學(xué)建模

運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)扳手進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，需要建立仿真模型，但直接在ADAMS中建模比較困難[9]。首先在SolidWorks軟件中建立扳手三維模型，并將其導(dǎo)入ADAMS軟件中建立扳手動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。

2) 三聯(lián)泵站液壓建模

三聯(lián)泵站液壓模型中電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 r/min；低、中、高壓三泵額定排量分別為5.6, 0.8, 0.8 mL/r;低、中、高壓溢流閥開(kāi)啟油壓分別為6，30，70 MPa；電磁換向閥阻尼比為0.8，額定電流為40 mA；螺栓選用M30型號(hào)，強(qiáng)度為5級(jí)；泵站與扳手間油路管道長(zhǎng)度為2.5 m，內(nèi)徑為0.025 m，液壓元件其他參數(shù)按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置[10-12]。

2.2 聯(lián)合仿真建模與分析

1) 聯(lián)合仿真建模

以AMESim軟件為主控軟件，ADAMS為輔助軟件的模式聯(lián)合仿真。通過(guò)接口文件將機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型和液壓系統(tǒng)模型聯(lián)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)工作裝置的機(jī)械與液壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，這種交互式的仿真方式，不僅能夠較準(zhǔn)確模擬液壓扳手及液壓系統(tǒng)的真實(shí)工作環(huán)境，而且能有效提高仿真精度和效率[13]。

首先，在ADAMS中設(shè)置活塞驅(qū)動(dòng)力及螺栓負(fù)載扭矩作為輸入變量，活塞位移及驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)角作為輸出變量；采用FMI(Functional Mock-up Inter-face)的方式完成AMESim和ADAMS聯(lián)合，調(diào)用ADAMS-Control模塊導(dǎo)出.fmu類型接口文件；最后，將接口文件與液壓系統(tǒng)AMESim模型結(jié)合構(gòu)成聯(lián)合仿真模型，如圖4所示。

聯(lián)合仿真模型期望能夠模擬液壓泵站驅(qū)動(dòng)扳手緊固螺栓的實(shí)際作業(yè)工況。對(duì)于液壓泵站，可以輸入可調(diào)的目標(biāo)壓力，如圖4局部放大3中p所示，在仿真前對(duì)泵站目標(biāo)輸出油壓p進(jìn)行設(shè)置，期望達(dá)到實(shí)際工況下扳手的輸出扭矩。通過(guò)泵站2個(gè)換向閥的信號(hào)控制，期望能夠模擬出整個(gè)作業(yè)過(guò)程泵站輸出油壓、螺栓實(shí)時(shí)扭矩等曲線，并通過(guò)比較分析其中變化對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于仿真過(guò)程中驅(qū)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)角抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致螺栓輸出扭矩不穩(wěn)定，從而影響泵站的輸出油壓波形，應(yīng)盡可能減小驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)角的波動(dòng)，在此模型中用到切比雪夫?yàn)V波器，預(yù)設(shè)通/阻帶截止頻率分別為1 Hz，20 Hz，通/阻帶波紋大小保持默認(rèn)，能夠達(dá)到較好的濾波效果。

聯(lián)合仿真過(guò)程中，機(jī)械與液壓系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞，不同軟件中相同物理量的單位必須相同。ADAMS 模型輸出液壓缸的位移及驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)角作為AMESim模型的輸入，AMESim模型輸出液壓缸的力和螺栓扭矩負(fù)載作為ADAMS模型的輸入[14]。

2) 仿真結(jié)果分析

由于扳手的輸出扭矩僅與其自身型號(hào)及泵站輸出油壓有關(guān)且與油壓成比例，此扳手型號(hào)對(duì)應(yīng)的油壓(0～70 MPa)/輸出扭矩(0～4553 N·m)轉(zhuǎn)換系數(shù)為65，結(jié)合實(shí)際存在的泵站油缸內(nèi)液壓油泄漏等其他因素，轉(zhuǎn)換系數(shù)可能有一定偏差。

預(yù)設(shè)泵的目標(biāo)輸出壓力為18 MPa，螺栓緊固完成時(shí)其反饋扭矩為1170 N·m。圖5a～圖5c分別為螺栓緊固過(guò)程扳手油缸內(nèi)活塞位移曲線、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角曲線及泵站輸出油壓、螺栓扭矩變化曲線。第一次加壓，0.29 s時(shí)油壓增至p1即5.5 MPa，螺栓反饋扭矩增加至T1即329 N·m，活塞運(yùn)動(dòng)到行程終點(diǎn)，而后泵站迅速加壓至目標(biāo)油壓，活塞位移、驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)角及螺栓扭矩保持不變。第二次循環(huán)，泵站迅速加壓1.21 s時(shí)達(dá)到p2即5.7 MPa ，螺栓反饋扭矩為T2即335 N·m，此過(guò)程油壓在活塞上的作用力體現(xiàn)較螺栓反饋扭矩在活塞上的反向作用力體現(xiàn)小，活塞在行程初始位置保持靜止；1.21 s后泵站緩慢加壓，2.45 s時(shí)達(dá)到p3即12.4 MPa，活塞移至行程終點(diǎn)螺栓扭矩增加至T3即785 N·m，而后泵站迅速加壓至目標(biāo)壓力。第三次循環(huán)，泵站迅速加壓在3.3 s達(dá)到p4即12.3 MPa，螺栓

反饋扭矩為T4即790 N·m，此過(guò)程活塞在行程初始位置保持靜止；3.3 s后泵站緩慢加壓在4.49 s達(dá)到p5即17.97 MPa ，活塞移動(dòng)至行程終點(diǎn)螺栓扭矩增加至T5即1140 N·m，輸出扭矩誤差約為2.5%。之后循環(huán)加壓，螺栓的扭矩、活塞及驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)角基本保持不變，螺栓緊固完成。整個(gè)過(guò)程中，每次擰操作螺栓扭矩都是在前一次操作累積的扭矩量基礎(chǔ)上增加的，且當(dāng)螺栓扭矩不變時(shí)(即活塞位于初、末位置時(shí))，油壓上升速度很快，克服螺栓扭矩；當(dāng)螺栓扭矩開(kāi)始增加時(shí)(活塞初位置移動(dòng)至末位置)，油壓上升很慢，所以緊固過(guò)程隨著螺栓越擰越緊，油壓曲線中第一個(gè)拐點(diǎn)(斜率降低)的位置是在上升的，每次油壓的波形都在發(fā)生改變；緊固完成后波形基本一致。 由于輸出扭矩存在一定的偏差，實(shí)際操作中為保證扳手輸出需求的扭矩，應(yīng)適當(dāng)調(diào)大目標(biāo)油壓。

此仿真過(guò)程未考慮實(shí)際扳手緊固作業(yè)中，螺栓初始較松的狀態(tài)下泵站驅(qū)動(dòng)扳手轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于空負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的階段，在空負(fù)載下進(jìn)行仿真泵站輸出油壓波形亦沒(méi)有發(fā)生變化，可以依此規(guī)律來(lái)設(shè)計(jì)判停算法。

3 油壓波形相似度判停算法設(shè)計(jì)

扳手緊固作業(yè)分為緊固前、中、后3個(gè)時(shí)期：前期泵站的輸出油壓波形基本保持一致；中期泵站的輸出油壓波形發(fā)生明顯改變；后期泵站的輸出油壓波形又恢復(fù)一致。由此，設(shè)計(jì)一種基于泵站輸出油壓波形相似度的判停算法來(lái)實(shí)現(xiàn)泵站對(duì)扳手的自動(dòng)判停。

相關(guān)性分析是信號(hào)處理的基本方法[15]。油壓波形相似度判停算法以相關(guān)性分析為基礎(chǔ)，期望通過(guò)計(jì)算特定的2組油壓脈沖數(shù)據(jù)的相似度找出扳手負(fù)載狀態(tài)改變的時(shí)間點(diǎn)，繼而判斷螺栓實(shí)時(shí)狀態(tài)。當(dāng)分析到螺栓完成緊固時(shí)，泵站控制扳手停止工作。為進(jìn)行波形間的相似度來(lái)分析，采用皮爾森相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式[16]：

(1)

式中,E—— 數(shù)學(xué)期望

X，Y—— 待比較的2組數(shù)據(jù)點(diǎn)

將待比較的2組數(shù)據(jù)的協(xié)方差與2組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差之積相除得到2組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)越高波形越相似，最高為1。

相似度判停算法主要包括2層判斷：第一層為啟動(dòng)判停判斷，旨在找到扳手由前期空載轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橹衅趲ё兓?fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)，即泵站實(shí)時(shí)相鄰或相間2組油壓波形相似度低于閾值(記為A1)來(lái)開(kāi)啟第二層判停判斷；第二層判斷為判停判斷，旨在找出扳手由中期帶變化負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)楹笃诰o固完成帶恒定負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)，即泵站實(shí)時(shí)相鄰2組油壓波形相似度高于閾值(記為A2)時(shí)，扳手判停。

3.1 判停算法設(shè)計(jì)

在算法中分別用3個(gè)數(shù)組new，mid，old來(lái)存放最近的3組相鄰油壓數(shù)據(jù)，通過(guò)循環(huán)值傳遞能夠保證old，mid，new按照時(shí)間順序存儲(chǔ)最近3次油壓波形的數(shù)據(jù)，便于實(shí)時(shí)計(jì)算相鄰(new-mid)與間隔(new-old)2組油壓波形的相關(guān)系數(shù)，分別記為C1，C2。第一次判斷中用于比較的相關(guān)系數(shù)記為C3(初始值0)，每一次循環(huán)加壓取C1,C2,C3中的較小值賦給C3，這樣能夠很好的避免3.2節(jié)濾波處理中情況(2)的發(fā)生。當(dāng)C3小于A1時(shí)開(kāi)啟判停判斷，判停判斷中取實(shí)時(shí)相鄰的2組油壓波形相似度C1與A2比較，C1>A2時(shí)，扳手判停。實(shí)現(xiàn)流程圖如圖6所示，index為油壓脈沖的數(shù)量，pa為實(shí)時(shí)壓力，pb為目標(biāo)壓力，當(dāng)實(shí)時(shí)壓力達(dá)到目標(biāo)壓力時(shí)，泵站完成一次脈沖，index加1。

控制算法中index對(duì)應(yīng)泵站輸出油壓脈沖的次數(shù)，對(duì)應(yīng)2次電磁閥動(dòng)作(打開(kāi)、閉合)，記錄一次成功的判停實(shí)驗(yàn)中index的數(shù)值，在相同的工況(螺栓的初始狀態(tài)、型號(hào)及使用工況)下，泵站輸出一定目標(biāo)油壓螺栓達(dá)到目標(biāo)扭矩扳手判停時(shí)index應(yīng)該相等，可以作為相同工況下螺栓判停的一個(gè)參考依據(jù)。index也可用于記錄電磁閥動(dòng)作次數(shù)，作為對(duì)電磁閥使用壽命的一個(gè)參考指標(biāo)。

3.2 濾波處理

用于計(jì)算相關(guān)系數(shù)的2組油壓數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，直接關(guān)系到算法中開(kāi)啟判停判斷及停止扳手工作的準(zhǔn)確性。當(dāng)壓力傳感器由于外在環(huán)境因素影響，如泵站自身的抖動(dòng)產(chǎn)生測(cè)量誤差時(shí)，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的油壓波形之間的相關(guān)系數(shù)存在偏差，產(chǎn)生如下3種誤判情況：

(1) 在扳手空載作業(yè)時(shí)可能由于偏差相關(guān)系數(shù)低于A1，提前開(kāi)啟判停判斷；

(2) 在扳手從空載變?yōu)樨?fù)載時(shí)可能由于偏差相關(guān)系數(shù)仍高于A1，導(dǎo)致開(kāi)啟判停判斷延遲；

(3) 在扳手滿載時(shí)可能由于偏差導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)低于A2，導(dǎo)致扳手判停延遲。

因此，本研究選用5點(diǎn)滑動(dòng)平均法對(duì)采集到的油壓數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，即數(shù)據(jù)中相鄰 5 個(gè)采樣值進(jìn)行平均處理，該方法能有效的抑制異常點(diǎn)[17]。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選用2XLCT-50型液壓扳手及三聯(lián)扳手泵，分別設(shè)置泵站的輸出壓力為18，25，30, 35 MPa進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(隨機(jī)設(shè)置，驗(yàn)證判停算法對(duì)于不同油壓的適應(yīng)性)，設(shè)置A1為85%，A2為96%。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同目標(biāo)，油壓泵站在驅(qū)動(dòng)一把扳手作業(yè)時(shí)均能夠精準(zhǔn)判停；在驅(qū)動(dòng)2把扳手作業(yè)時(shí)，會(huì)偶爾出現(xiàn)扳手判停但一個(gè)螺栓未擰緊的情況。經(jīng)分析是由于扳手在其中一個(gè)螺栓擰緊后的2次擰操作中，另一個(gè)螺栓還處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)泵站輸出的2次油壓波形基本一致，扳手判停。因此對(duì)于2把扳手的判停，在一把扳手?jǐn)Q緊后的2次擰操作過(guò)程，另一個(gè)螺栓至少開(kāi)始擰緊即另一把扳手開(kāi)始受到變化的負(fù)載(2個(gè)螺栓的初始差異要限制在扳手5次擰操作之內(nèi))。

圖7為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工況圖，圖8為目標(biāo)壓力30 MPa時(shí)泵站驅(qū)動(dòng)1把扳手作業(yè)過(guò)程泵站輸出油壓實(shí)時(shí)顯示圖。

由圖8可得第7次油壓波形開(kāi)始發(fā)生變化，第8，9次油壓波形變化明顯，往后油壓波形基本無(wú)變化且和第7次前的油壓波形保持一致，可判斷在第9次加壓完成了扳手對(duì)螺栓的緊固作業(yè)。圖8中油壓曲線每次加壓均會(huì)在6 MPa附近產(chǎn)生一個(gè)抖降，這是由于在6 MPa 附近為流量切換點(diǎn)，流量瞬間減小時(shí)油壓會(huì)產(chǎn)生明顯的降低。表1為MCU(泵站控制器核心處理單元，此處使用的是STM32單片機(jī))處理數(shù)據(jù)后，計(jì)算得到的全過(guò)程實(shí)時(shí)及相鄰2組油壓波形間的相關(guān)系數(shù)。

表1 實(shí)時(shí)相鄰、間隔2組油壓波形相關(guān)系數(shù)計(jì)算表Tab.1 Real-time correlation coefficient calculation table of two groups of adjacent and interval oil pressure waveforms %

表1中第7次計(jì)算的相鄰及間隔相似度明顯降低，分別為89%，84%，表明泵站在第8次加壓過(guò)程中的油壓輸出波形較前2次發(fā)生明顯變化。取84%記為C3，小于A1，由此開(kāi)啟判停程序；第10次計(jì)算的相鄰2組油壓波形相似度恢復(fù)至99%，表明泵站第10次、第11次加壓過(guò)程的輸出波形基本恢復(fù)一致，由于99%大于96%，此時(shí)停止泵站，查看螺母狀態(tài)，達(dá)到了目標(biāo)。

5 結(jié)論

通過(guò)ADAMS和AMESim軟件完成對(duì)液壓泵站驅(qū)動(dòng)扳手緊固螺栓工況的聯(lián)合仿真，總結(jié)出螺栓緊固作業(yè)過(guò)程扳手的實(shí)際輸出扭矩要略小于理論輸出扭矩值及螺栓緊固前、中、后3個(gè)時(shí)期泵站輸出油壓波形的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于油壓波形相關(guān)性分析的液壓扳手自動(dòng)判停算法，該算法能夠?qū)崿F(xiàn)扳手作業(yè)的準(zhǔn)確判停，解決用扭矩等其他傳感器實(shí)現(xiàn)扳手自動(dòng)判停方法所存在的問(wèn)題。在雙(多)油路輸出驅(qū)動(dòng)雙(多)扳手的工作場(chǎng)景中，對(duì)螺栓的初始狀態(tài)有約定(同步控制)條件下，上述判停算法仍可適用。