施發(fā)永，張富榕，劉志雙，李科軍，代四飛，吳建建，蘇 杰，楊 岳

(1.中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 101300；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410000)

引言

核島建設(shè)過程中，廠房內(nèi)布置有大量工藝管道和電氣線路托架，這些管道和托架均固定在頂墻或側(cè)墻的支架上。而支架(50～300 kg)需要從室內(nèi)地面搬運(yùn)到墻頂或墻壁指定的預(yù)埋板位置進(jìn)行焊接安裝，傳統(tǒng)的利用腳手架安裝支架的工作方式，將很多時(shí)間耗費(fèi)在腳手架搭建和人工搬運(yùn)支架上，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低；且在支架定位好與預(yù)埋板焊接時(shí)，焊渣、火星直接掉落在下方托舉支架作業(yè)人員身上，易引發(fā)安全事故。為提高支架安裝效率和作業(yè)安全，中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司特開發(fā)一種支架安裝作業(yè)車，末端執(zhí)行器夾具機(jī)構(gòu)作為設(shè)備關(guān)鍵部件，主要用于夾持支架配合完成支架定位與焊接。因此，在支架焊接過程中，夾具系統(tǒng)能否保證夾持力處于設(shè)計(jì)值之上直接決定設(shè)備工作安全性。程相文等[1]從碼垛機(jī)抓手夾持機(jī)構(gòu)對稱性角度出發(fā)，建立了夾持機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并采用基于AIWF的粒子群優(yōu)化算法對機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)的簡潔設(shè)計(jì)。劉艷妍等[2]根據(jù)楊晉[3]建立的鍛造操作機(jī)鉗口夾持力分析模型確定了影響夾持力的關(guān)鍵因素，并通過試驗(yàn)對鉗口結(jié)構(gòu)、鉗口材料對夾持力的影響進(jìn)行研究，確定了鉗口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方向。邵浩東等[4]提出一種管道攀爬機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)，先后進(jìn)行了力封閉性分析和連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化，并通過ANSYS瞬態(tài)仿真分析夾持機(jī)構(gòu)理論最大負(fù)載能力。周鑫等[5]提出了一種滿足榴彈任意姿態(tài)、自由跌落試驗(yàn)要求的夾持裝置，實(shí)現(xiàn)了在夾持過程中可靠性和安全性的保證。曹毅等[6]提出一種基于柔性鉸鏈的二自由度開口型空間夾持機(jī)構(gòu)。李峰平等[7]通過分析修邊機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)組成原理，考慮轉(zhuǎn)動(dòng)副位置等設(shè)計(jì)參數(shù)，以夾緊機(jī)構(gòu)工作半徑最大化為優(yōu)化目標(biāo)，開展夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。胡垠等[8]基于搗固車搗固原理，建立搗固工作過程動(dòng)力學(xué)模型，通過分析激振力對系統(tǒng)工作壓力影響規(guī)律，提出在夾持回路設(shè)置單向阻尼孔以穩(wěn)定液壓系統(tǒng)壓力，提高搗固裝置的作業(yè)性能?？梢?，目前的研究主要集中在對夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和有限元分析方面，對如何長時(shí)間穩(wěn)定保持夾持力的研究并沒有涉及。因此，本研究根據(jù)支架安裝車夾具機(jī)構(gòu)工況特點(diǎn)，提出一種保壓夾持的液壓控制系統(tǒng)，并建立夾持工作過程的動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析各種工況下夾持系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

1 保壓夾具結(jié)構(gòu)

如圖1a所示，支架安裝車主要由履帶底盤、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降臂、伸縮臂、上下擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、左右擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和夾具機(jī)構(gòu)組成。履帶底盤接地面積大、穩(wěn)定性好，對地面無破壞，適用于核島內(nèi)復(fù)雜的地面環(huán)境；升降臂用于支架的垂直升降，提高支架安裝作業(yè)高度；伸縮臂可調(diào)整臂的長度，實(shí)現(xiàn)不同高度支架安裝作業(yè)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能大幅度調(diào)整支架在回轉(zhuǎn)平面的安裝位置；上下擺動(dòng)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)支架變幅平面的安裝位置；左右擺動(dòng)機(jī)構(gòu)配合回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，小幅度調(diào)整支架回轉(zhuǎn)平面的安裝位置；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于調(diào)整支架與頂墻、側(cè)墻的對位焊接安裝。

如圖1b所示，保壓夾具主要由固定夾鉤、活動(dòng)夾鉤，夾持油缸、固定夾板和夾持板組成。固定夾鉤底部和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)法蘭相連；活動(dòng)夾鉤、夾持油缸和活動(dòng)夾板在鉸點(diǎn)B處鉸接；夾持油缸缸筒與固定夾鉤在鉸點(diǎn)C處鉸接；固定夾鉤和活動(dòng)夾鉤在鉸點(diǎn)A處鉸接。當(dāng)夾持油缸活塞桿進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)活動(dòng)夾鉤繞著鉸點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)，從而控制夾具開口大小(50～300 mm)，且因活動(dòng)夾板可以繞鉸點(diǎn)B旋轉(zhuǎn)，使得夾持板可以與不同截面尺寸支架表面緊密接觸。同時(shí)，為提高夾持板與支架表面接觸的摩擦系數(shù)，在夾持板上刻有紋路，夾持板由螺栓通過板上的沉孔固定在底板上，便于對磨損的夾持板快速更換。

2 保壓夾具液壓系統(tǒng)

如圖2所示，夾具液壓系統(tǒng)由柱塞泵、變量機(jī)構(gòu)、電比例負(fù)載敏感換向閥、液壓鎖、夾持油缸、壓力傳感器和蓄能器等組成。

1.柱塞泵 2.溢流閥 3.負(fù)載敏感換向閥 4.液壓鎖 5.夾持油缸 6.壓力傳感器 7.蓄能器 8.變量機(jī)構(gòu) 9.二位二通電磁閥

電機(jī)開始起動(dòng)時(shí)，二位二通電磁閥通電，流量控制閥左控制腔直接和油箱連接，柱塞泵卸荷啟動(dòng)，且其輸出流量僅為系統(tǒng)的泄漏流量，以保證電機(jī)小負(fù)載下啟動(dòng)；15 s后，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，二位二通電磁閥斷電，壓力控制閥工作，變量泵處于恒壓工作狀態(tài)，液壓系統(tǒng)處于高壓待命狀態(tài)，一旦電比例負(fù)載敏感換向閥處于工作位，可以立即將高壓油液供給夾持油缸或蓄能器，減少系統(tǒng)建壓時(shí)間。同時(shí)，當(dāng)電比例負(fù)載敏感換向閥處于工作位時(shí)，流量控制閥重新工作，夾持油缸工作油壓通過梭閥組反饋到流量控制閥左側(cè)(彈簧腔)，而流量控制閥右側(cè)承受泵的控制壓力油(非彈簧腔)，使得泵輸出壓力和油缸油壓保持一個(gè)壓差，即為流量控制閥彈簧的等效油壓。由于電比例負(fù)載敏感換向閥內(nèi)部減壓閥的壓力補(bǔ)償作用，換向閥流量與閥芯開口成比例，使夾持油缸保持勻速穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)[9-12]。

液壓鎖通過金屬油管與夾緊油缸相連，并安裝于夾持油缸外壁。當(dāng)夾持油缸工作到位后，系統(tǒng)停止供油，液壓鎖將夾持油缸的高壓油液鎖住，以保證支架有足夠的夾持力?？紤]液壓元件長時(shí)間使用后，密封件磨損將導(dǎo)致系統(tǒng)有一定油液泄漏，在液壓鎖和夾持油缸無桿腔之間安裝有蓄能器，在支架焊接過程中及時(shí)給系統(tǒng)補(bǔ)油，保證油缸工作壓力在安全值之上。當(dāng)焊接支架規(guī)格較大時(shí)，所需焊接時(shí)間較長，蓄能器有效工作容積放液完后，壓力傳感器檢測到夾持油缸的工作壓力即將處于安全值之下，電氣控制系統(tǒng)將控制信號發(fā)送至電比例負(fù)載敏感換向閥，換向閥右位通電，柱塞泵立即向蓄能器補(bǔ)充油液，當(dāng)檢測到夾持油缸工作壓力達(dá)到蓄能器最大工作壓力時(shí)，電比例負(fù)載敏感換向閥斷電，系統(tǒng)停止給蓄能器充液，此時(shí)由蓄能器給夾緊油缸補(bǔ)油。如此循環(huán)動(dòng)作，一直保證夾持油缸油液工作壓力高于安全值。

3 保壓夾具系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

3.1 鍵合圖模型

在建立保壓夾具系統(tǒng)鍵合圖模型前，需作如下簡化：

(1)不考慮變量泵控制機(jī)構(gòu)、負(fù)載敏感閥和液壓鎖等液壓元件閥芯的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間，即對系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級建模，將各液壓元件等效為節(jié)流和可變節(jié)流元件；

(2)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速恒定，不考慮油源流量的脈動(dòng)性；

(3)不考慮變量泵和換向閥等液壓元件的油液泄漏；

(4)假設(shè)在夾持油缸無桿腔連接1個(gè)與油箱相通微小節(jié)流孔，等效夾具系統(tǒng)的油液泄漏。

圖3 保壓夾具系統(tǒng)鍵合圖模型

3.2 動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)鍵合圖模型狀態(tài)方程生成規(guī)則，可以快速得出保壓夾具系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[13-17]。

管路1工作容腔的流量連續(xù)性方程為：

(1)

(2)

(3)

式中，ppr——柱塞泵控制活塞無彈簧腔的油液壓力

pps——控制活塞彈簧預(yù)壓縮力的等效壓力

Δppb——斜盤從最大排量運(yùn)動(dòng)至零排量，即斜盤傾角為0°時(shí)，控制活塞彈簧變形量引起的壓力變化

Crf1——溢流閥閥口流量特性系數(shù)

Arf1——溢流閥開口面積

(4)

式中，Cvi——負(fù)載敏感閥進(jìn)油口流量特性系數(shù)

Avi——進(jìn)油口過流面積

pp12——壓力補(bǔ)償閥出口壓力，同時(shí)也是負(fù)載敏感閥進(jìn)油節(jié)流口進(jìn)口油壓

當(dāng)負(fù)載敏感閥在正常壓力工作范圍內(nèi)時(shí)，pp12-pp2=C,C為常數(shù)，負(fù)載敏感閥進(jìn)油節(jié)流口的壓差保持恒定；當(dāng)負(fù)載敏感閥出口超出正常工作壓力范圍時(shí)，負(fù)載敏感換向閥集成的壓力補(bǔ)償閥失去控制作用，pp12=pp1，此時(shí)閥進(jìn)油節(jié)流口的壓差為pp1-pp2。

管路2工作容腔的流量連續(xù)性方程為：

(5)

(6)

式中，Ccv1，Acv1——雙向液壓鎖壓力油進(jìn)口流量特性系數(shù)和開口面積

管路3工作容腔的流量連續(xù)性方程為:

(7)

管路4工作容腔的流量連續(xù)性方程為：

(8)

管路5工作容腔(包含伸縮油缸2的無桿腔)的流量連續(xù)性方程為：

(9)

(10)

(11)

式中，Ccv1，Acv1——雙向液壓鎖壓力油進(jìn)口流量特性系數(shù)和開口面積

Cvo，Avo——負(fù)載敏感閥進(jìn)油口流量特性系數(shù)和過流面積

管路6工作容腔(包含伸縮油缸2的無桿腔)的流量連續(xù)性方程為：

(12)

各管路工作容器的壓力計(jì)算方程為：

ppi=kpiVi，i=1,2,…,5

(13)

蓄能器工作壓力計(jì)算方程為：

(14)

Vc=Vc0-Vct

(15)

式中，pc0，Vc0——蓄能器的初始充氣壓力和初始工作容積

pc，Vc——蓄能器的實(shí)時(shí)工作壓力和工作容積

活動(dòng)夾鉤轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程為：

(16)

活動(dòng)夾鉤轉(zhuǎn)動(dòng)速度為：

(17)

夾持油缸運(yùn)動(dòng)速度為：

(18)

4 仿真分析

保壓夾具的主要仿真參數(shù)如下：夾持油缸的缸筒內(nèi)徑和活塞桿直徑分別為50 mm和32 mm；活動(dòng)夾鉤的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為4.163 kg和0.053964 kgm2；負(fù)載敏感閥中的壓力補(bǔ)償閥控制壓差為1 MPa，最大流量為6 L/min；變量泵流量控制閥的控制壓差為1 MPa，壓力切斷閥控制壓力設(shè)定值為16 MPa；蓄能器的充氣壓力為8 MPa，最大工作壓力為20 MPa；夾持工件厚度為110 mm。

根據(jù)上述保壓夾具系統(tǒng)鍵合圖模型，基于多學(xué)科復(fù)雜系統(tǒng)建模平臺(tái)AMESim，搭建如圖4所示的仿真模型，采用四階-龍格庫塔算法進(jìn)行數(shù)值模擬，仿真時(shí)間為375 s，仿真步長為0.01 s。在0～5 s時(shí)間內(nèi)，負(fù)載敏感閥工作在左位閥口全開位置，驅(qū)動(dòng)夾持油缸活塞桿帶動(dòng)活動(dòng)夾鉤夾持工件，并給蓄能器充液；在5～369 s時(shí)間內(nèi)，用小節(jié)流孔模擬油缸泄漏，蓄能器給系統(tǒng)補(bǔ)油，且當(dāng)夾持油缸無桿腔工作壓力降低8 MPa以下時(shí)(夾持壓力需大于7.5 MPa)，控制系統(tǒng)給負(fù)載敏感閥通電，柱塞泵自動(dòng)給蓄能器充液2 s，仿真結(jié)果如圖5所示，可以看出：

圖4 保壓夾具系統(tǒng)仿真模型

圖5 保壓夾具系統(tǒng)響應(yīng)

(1)在0～3.1 s時(shí)間內(nèi)，柱塞泵給夾持油缸供油驅(qū)動(dòng)活動(dòng)夾鉤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，泵出口壓力保持在2 MPa左右，這是因?yàn)榛顒?dòng)夾鉤質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均較小，系統(tǒng)工作壓力主要由回油阻力決定；泵輸出流量穩(wěn)定在6 L/min，活動(dòng)夾鉤由110°順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到75.9°，夾持板在x軸方向由0 mm運(yùn)動(dòng)至190 mm；由于工作壓力不大，且模擬泄漏的阻尼孔很小，系統(tǒng)泄漏接近0 L/min；蓄能器氣室壓力保持初始充氣壓力8 MPa不變，這是因?yàn)橄到y(tǒng)工作壓力小于充氣壓力，系統(tǒng)還未開始給蓄能器充液；

(2)在3.1～5 s時(shí)間內(nèi)，負(fù)載敏感換向閥仍然工作在左位，柱塞泵繼續(xù)給夾持油缸無桿腔供油，但夾持板和工件表面已經(jīng)接觸，活動(dòng)夾鉤和夾持板位置保持不變，系統(tǒng)開始憋壓，泵出口壓力突增，由于負(fù)載敏感閥的壓力補(bǔ)償作用，柱塞泵輸出流量經(jīng)過短時(shí)間的振蕩后穩(wěn)定在6 L/min，泵開始給蓄能器充液，蓄能器壓力由8 MPa增至20 MPa；在蓄能器工作壓力上升過程中，其值達(dá)到18.5 MPa時(shí)，泵流量補(bǔ)償閥控制作用開始失效，當(dāng)蓄能器氣室壓力繼續(xù)上升至20 MPa時(shí)，充液完成，泵壓力切斷閥開始工作，泵出口輸出流量減至0 L/min；

(3)在5～187 s時(shí)間內(nèi),負(fù)載敏感閥開始工作在中位，由于壓力控制閥的作用，柱塞泵高壓待命，輸出流量為0 L/min；蓄能器放液，補(bǔ)償夾持油缸等液壓元件泄漏，蓄能器工作壓力由20 MPa逐漸降低，在185 s時(shí)，蓄能器工作壓力減至8 MPa，泄漏流量由0.044 L/min減至0.019 L/min；此時(shí)壓力傳感器將檢測數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，負(fù)載敏感換向閥又開始在左位工作，柱塞泵給蓄能器充液，充液過程和3.1～5 s時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)響應(yīng)相同，在187～369 s時(shí)間內(nèi)，夾具系統(tǒng)充放液過程和5～187 s時(shí)間內(nèi)相同；

(4)在369～375 s時(shí)間內(nèi)，負(fù)載敏感換向閥工作在右位，柱塞泵給夾持油缸有桿腔供油，泵出口壓力由20 MPa突減至2.5 MPa，這是因?yàn)楫?dāng)柱塞泵由高壓待命狀態(tài)切換到工作狀態(tài)時(shí)，負(fù)載較小，系統(tǒng)工作壓力僅用來克服回油阻力；泵輸出流量經(jīng)過短時(shí)間波動(dòng)后，穩(wěn)定在6 L/min；在370.5 s時(shí)，夾持油缸活塞桿收縮到位，活動(dòng)夾鉤由75.9°逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到110°，泵出口壓力又由2.5 MPa升至20 MPa,泵輸出流量有6 L/min降至0 L/min；夾持油缸活塞桿收縮過程中，蓄能器保持初始充氣壓力8 MPa不變。

5 試驗(yàn)研究

如圖6所示，在支架安裝作業(yè)車上搭建試驗(yàn)測試平臺(tái)，將壓力傳感器安裝在夾持油缸無桿腔進(jìn)油口采集油液工作壓力，設(shè)置傳感器的采樣周期為0.1 s。夾持油缸由電比例先導(dǎo)操作手柄控制，在系統(tǒng)建壓后，操作手柄進(jìn)行夾持油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)時(shí)間為10 s，前5 s負(fù)載敏感換向閥處于左位，后5 s負(fù)載敏感換向閥處于右位。通過上位機(jī)采集夾持油缸無桿腔壓力，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比如圖7所示。

圖6 支架安裝車夾持壓力測試

從圖7中可以看出，當(dāng)換向閥打開時(shí)，夾持油缸有一個(gè)建壓時(shí)間，泵出口壓力出現(xiàn)10 MPa的峰值，但經(jīng)過0.2 s時(shí)間壓力振蕩后趨于穩(wěn)定；在第3.1秒左右，夾鉗和工件接觸，系統(tǒng)開始憋壓，蓄能器開始充液，在第4秒時(shí)，系統(tǒng)完成充液；在第5秒時(shí)，換向閥換向，夾持油缸無桿腔壓力迅速卸載，經(jīng)過短時(shí)間波動(dòng)后穩(wěn)定在1.5 MPa左右，在第6.4秒時(shí)，油缸完全縮回，無桿腔壓力趨于0 MPa。在夾持油缸伸縮過程中，受液壓系統(tǒng)和實(shí)際操作的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)有一定振蕩。這是因?yàn)樵诜抡孢^程中沒有考慮變量泵輸出油液的脈動(dòng)性、傳感器測量精度、仿真變量與實(shí)際參數(shù)取值的差異，這些都對計(jì)算結(jié)果造成了實(shí)際影響，但油缸無桿腔工作壓力仿真曲線和試驗(yàn)曲線的變化趨勢和曲線形狀能較好吻合，在整個(gè)夾鉗夾持過程中響應(yīng)曲線最大壓力差值在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了所建夾具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

圖7 夾持油缸無桿腔壓力仿真與試驗(yàn)曲線

6 結(jié)論

根據(jù)核電站支架安裝車夾持工件的作業(yè)要求，設(shè)計(jì)一種可適應(yīng)不同工件截面尺寸的保壓夾具系統(tǒng)，通過分析夾具結(jié)構(gòu)組成和夾持原理，基于鍵合圖理論建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論：

(1)在活動(dòng)夾板接觸支架憋壓之前，變量泵流量控制閥工作，泵輸出流量與換向閥開口面積正相關(guān)，活動(dòng)夾鉤轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)；當(dāng)夾持油缸伸至工作極限位置時(shí)，變量泵壓力控制閥工作，泵高壓待命；

(2)蓄能器能及時(shí)補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏的油液，保證工件夾持力的安全穩(wěn)定，且當(dāng)油缸夾持壓力低于安全值時(shí)，高壓待命的變量泵2 s時(shí)間內(nèi)可完成蓄能器充液，并在充液過程中保證工作壓力在支架夾持安全值之上；

(3)夾持油缸無桿腔工作壓力的數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步分析和優(yōu)化夾具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能提供參考。