鍛造機械臂負載感應液壓系統的設計及仿真研究

李永強 張繼忠 姜媛媛

摘要：針對傳統鍛造機械臂液壓系統存在的能量浪費問題，本文以變量泵代替定量泵作為動力輸出元件的液壓系統，通過負載感應反饋控制方法，使液壓系統能夠實現自動控制，調節變量泵的輸出壓力和流量，達到節能減耗的目的，并加入壓力補償器以保證系統的壓力穩定。通過理論計算和仿真結果表明，該液壓系統不僅能夠實現液壓機械臂的基本動作要求，而且在不同外負載壓力變化下，可以自動調節變量泵的輸出壓力，使回路中的最高壓力和液壓系統輸出壓力的壓差保持在設定值24 MPa左右，而且外負載壓力的變化，不會影響液壓回路中的流量。該液壓系統有效的減少了能源損耗，對工程應用具有一定的指導價值。

關鍵詞：變量泵; 負載感應; 閥后補償; 節能

中圖分類號： TP241.2??文獻標識碼： A

收稿日期： 20200403; 修回日期： 20200520

作者簡介：李永強（1994），男，山東日照人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計及理論。

通信作者：張繼忠（1964），男，博士，教授，主要研究方向為機械系統數字化設計。Email： zjzqdu@163.com

鍛造是制造業領域被廣泛使用的一種加工工藝，而液壓驅動在工程機械領域一直以來都被廣泛應用[1]。對于負載感應液壓系統方向的研究，國內外研究側重點不同，國內的研究者著力于系統穩定性的分析，能源利用率被廣泛關注，對系統的動態特性進行理論研究[23]。在動態特性研究方面，主要是分析管路、柱塞泵等液壓元件的參數和動態特性變化。同時，結合機械設備的特點及工作環境、工作狀態的不同，對負載感應液壓系統進行研究分析[4]，優化設計參數，提高機械設備的穩定性;國外研究的側重點是生產設備的工作可靠性、安全性、高效節能性等方面[5]，通過提高壓力的利用效率，達到節約能源減少損耗的目的[6]。傳統的液壓系統采用定量泵作為液壓系統的動力裝置[7]，但在鍛造過程中的空載或不同負載工作狀態下，定量泵作為動力裝置只能輸出最大負載壓力下的預設流量和壓力[89]，因此會造成大量的能量損耗。同時，在液壓驅動系統中，液壓調速回路存在一定的能量損耗和效率低的問題[10]。由于液壓系統的輸出壓力和負載壓力相對應，所以采用負載信號反饋于變量泵的方法[1112]，負載的變化信號能夠反饋給液壓系統，進而控制泵的工作狀態，輸出負載所需壓力值的油液[13]。該系統可以根據負載的變化控制變量泵輸出相應的穩定流量，進而達到節能目的。另外，負載感應系統還具有精確控制和恒流控制的優越特點[1415]，在液壓系統中，壓力和流量是主要的研究指標，負載感應系統也是通過研究壓力變換來實現[1617]，液壓系統壓力輸出跟隨負載壓力變化的穩定性和可靠性是研究的重點[18]。因此，本文以自主設計的鍛造機械臂液壓系統為研究對象，用變量柱塞泵代替定量泵作為動力輸出元件，并建立相應的負載感應控制系統[1920]，使整個液壓系統可以根據液壓回路中的最高壓力，自動調節變量泵的輸出壓力，達到節能的目的。該研究為負載感應控制在工程中的應用提供了理論依據。

1?多工況液壓缸外負載力計算分析

本文主要研究負載感應系統在鍛造機械臂液壓系統中的應用性能，因此只選取負載力變化大的升降和伸縮系統進行負載感應液壓系統的仿真研究。由于升降系統負載較大，運行過程系統平穩性要求較高，以升降系統為例，分析了升降液壓缸的運動狀態，詳細計算了升降液壓缸在各工況狀態下所受外負載力。

1）?工作負載。相關部件的質量可在三維軟件測算，得到升降缸在機械臂抓取工件后承受最大工作載荷為

G總=7306 N

2）?慣性載荷Fa。Fa=m總（δv/δt）=1864 N。其中，δv=005 m/s，δt=02 s。

3）?摩擦力Ff。由各部件重心到回轉中心軸線的距離，計算升降缸總負載重心位置到升降缸回轉軸線的位置為

L=∑10i=1Gili/G總

升降液壓缸的質量作用于承重臺，由4根導柱承擔支承，升降液壓缸受力分析圖如圖1所示。

對圖1進行受力分析，由受力平衡的原理得到平衡公式為

G總L=FR1h∑M=0， Ff=2μFR1FR1=FR2

式中，L是鍛件到機械臂軸心的距離;FR1和FR2表示導筒所受壓力;h為導筒的長度。

由于升降手臂在重力的作用下會有向下運動的趨勢，因此有

FR1=FR2=G總Lh

升降立柱連接處選用直線軸承LMF50UU為連接件，其中μ=0012 8，h=100 mm。通過以上公式計算得機械臂負載狀態下摩擦阻力Ff1≈30191 N;在空載工作狀態上升時，摩擦阻力Ff2≈13958 N。

4）?密封處摩擦阻力Fm。本設計中液壓缸采用O型密封。當液壓缸的工作壓力小于10 MPa時，液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似的計算為Fm=003 F。

取ηm=095，計算1）～4）部分，得到抓取鍛件上升時液壓缸所受外負載力即啟動加速時，液壓缸所受外負載力為

F1=Fg+Ff+Fa+Fmηm=8 47208 N

穩態運動時，液壓缸所受外負載力為

F1=Fg+Ff+Fmηm=8 26946 N

減速制動時，液壓缸所受外負載力為

F1=Fg+Ff-Fa+Fmηm=7 9413 N

2?鍛造機械臂負載感應液壓系統的設計

傳統的鍛造機械臂采用定量泵作為動力輸出元件，只能輸出整個液壓回路中最高壓力流量，當系統空載或者低負載工作時，過多的壓力輸出，導致相應的能量浪費。分析液壓基本回路的工作原理與特點，結合機械臂的工作狀態和工作環境，確定機械臂的動作要求，從而設計出該液壓系統原理圖，局部液壓原理圖如圖2所示。

考慮到該機械臂伸縮時不同的速度要求，對機械臂伸縮液壓回路進行設計，為了適應不同速度的要求，同時考慮到負載感應的工作機制，而且回油節流調速中活塞的運動速度受到負載的影響較小，所以加入回油節流調速回路，來控制伸縮液壓回路，以適應不同的速度負載特性。回油節流調速回路液壓油通過節流閥后，由于和油箱直接相通的原因，不會出現密封等方面問題。

手臂升降系統負載較大，運行過程系統平穩性要求較高。加入平衡閥可以讓執行元件在回油路處具有一定背壓值，以平衡負載壓力，由于平衡閥的原因，防止了機械臂因自重出現下滑的危險狀況，增加了穩定性和可靠性。鍛造機械臂一般是連續且持久的工作，傳統的液壓系統沒有自動調節裝置，當需要輸出較大功率時，系統中的能量損失會很大。針對這一問題，通過用變量泵代替定量泵作為動力輸出元件的方案，采用負載感應液壓系統作為鍛造機械臂的液壓驅動系統，實現節能的目的。

3?鍛造機械臂負載感應液壓系統的AMESim仿真分析

3.1?負載感應液壓系統的AMESim建模

通過軟件中的Hydraulic Component Design庫，搭建負載敏感閥和流量控制閥，設置節流閥的開度，控制系統流量的大小，進而模擬系統的流量壓力特性變化，得到各元件相應的數據及參數曲線，閥后補償負載感應液壓系統模型如圖3所示。

根據實際液壓缸選型和前面計算的外負載力大小，設置2個液壓缸參數，設定液壓系統中其他重要元件的參數，液壓泵的泵排量為42 mL/r。斜盤擺角調節閥、負載敏感閥和壓力補償閥參數如表1所示。

3.2?負載感應液壓系統的AMESim仿真

負載感應液壓系統采用AMESim進行仿真分析，仿真時間為42 s。首先驗證該液壓系統是否能夠實現給定的動作要求，伸縮液壓缸和升降液壓缸的速度與位移曲線如圖4和圖5所示。

由圖4可以看出，伸縮缸伸出的速度為0050 4 m/s，回縮的速度為0100 7 m/s，滿足系統要求的慢速伸出快速回縮的要求;伸縮缸經過8 s伸出了04 m，經過4 s回縮了04 m，滿足伸縮系統的位移要求;由圖5可以看出，升降液壓缸伸出速度為0048 m/s，回縮速度為0054 m/s，滿足該動作速度要求。機械臂先伸出005 m，再回縮02 m，最后伸出015 m回到初始位置，整個節拍滿足要求。

通過仿真，得到伸縮系統和升降系統的回路壓力與系統輸出壓力比較圖。伸縮缸壓力曲線和系統輸出壓力曲線比較如圖6所示，升降缸壓力曲線和系統輸出壓力曲線比較如圖7所示。

由圖6可以看出，當伸縮液壓缸在12～20 s做伸出運動時，伸縮回路最高壓力為1679 MPa，此時液壓系統的輸出壓力為4009 MPa，壓力差為2330 MPa。在25～29 s做回縮運動時，伸縮回路最高壓力為0498 MPa，液壓系統的輸出壓力為2853 MPa，壓力差為2355 MPa。本文設定的壓力差為24 MPa，由于液壓系統存在泄露，故符合設計要求。

由圖7可以看出，升降液壓缸在1～2 s做上升運動時，升降回路最高壓力為2257 MPa，此時液壓系統的輸出壓力為4531 MPa，壓力差為2274 MPa。在21～25 s做回縮運動時，升降回路最高壓力為1467 MPa，液壓系統的輸出壓力為3803 MPa，壓力差為2336 MPa。在39～42 s做上升運動時，升降回路最高壓力為0141 MPa，系統的輸出壓力為2509 MPa，壓力差為2368 MPa，升降液壓回路的壓力差基本維持在本文設定的壓力差24 MPa左右的要求。

在工作過程中，機械臂需要良好的穩定性，通過分析負載變化曲線和液壓缸的流量曲線對比圖，驗證負載力的變化對液壓系統回路的流量是否產生影響，伸縮缸流量曲線與外負載力變化曲線比較如圖8所示，升降缸流量曲線與外負載力變化曲線比較如圖9所示。由于流量方向的改變受電磁換向閥的控制，執行元件運動的要求，決定了流量的大小受節流閥調節。

由圖8和圖9可以看出，當外負載壓力發生大幅度變化時，液壓回路中流量的大小和方向沒有受到影響，因此系統中的流量不會引起劇烈的波動，保證了系統的穩定性。

4?結束語

針對傳統鍛造機械臂存在的不足，借鑒工業生產中其他設備的液壓控制方法，設計了一種負載感應液壓控制系統的機械臂。為了驗證機械臂的合理性，采用了理論計算和仿真分析相結合的方法進行了進一步的研究驗證。通過AMESim參數化建模和仿真分析方法，建立了機械臂負載感應液壓系統的參數化模型，并進行了仿真分析，得到了直觀的仿真數據圖形，并基于負載感應液壓系統進行機械臂復合動作的仿真模擬，更能直觀的表現該液壓系統的合理性。該新型液壓系統不僅實現了原有的動作要求，還能使回路壓力與系統輸出壓力的差值基本維持在設定值左右。新的改進設計可以提高液壓系統效率，降低能耗，為負載感應控制在工程中的應用提供了一定的指導價值。另外該課題存在較大的提升空間，例如增加機械臂復合動作，增加馬達控制回路等進行仿真研究。

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Design and Simulation Research of Load Inductive Hydraulic System for Forging Arm

LI Yongqiang， ZHANG Jizhong， JIANG Yuanyuan

（School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract： ??Aiming at the energy waste problem of the traditional forging arm hydraulic system， the variable pump is designed to replace the traditional quantitative pump as the power output element in the hydraulic system. The hydraulic system can automatically control the output pressure and flow rate of the variable pump by the method of load induction feedback control， and the pressure compensator is added to ensure the pressure stability of the system. In this paper， by combining theoretical calculation and simulation analysis， it is found that the hydraulic system can not only realize the basic operation requirements of the traditional hydraulic manipulator， but also automatically adjust the output pressure of the variable pump under different external load pressure changes， so that the difference between the maximum pressure in the loop and the hydraulic system output pressure always keeps at the set value 24 bar unchanged. At the same time， the change of external load pressure will not affect the flow rate in the hydraulic circuit. The hydraulic system can not only fulfill the requirement of work stably， but also achieve the goal of reducing energy waste.

Key words： variable pump; load induction; compensation after valve; energy saving