（机械电子工程专业论文）拆除机器人液压系统研究.pdf

捅要 拆除机器人是工业机器人的一种，广泛应用于建筑拆除、抢险救援、水泥、冶金、 核能等行业，而且随着社会的发展，它的应用范围越来越广。在拆除机器人中，液压系 统是它的核心部分，液压系统为各个负载装置传递动力，对每个负载的运动产生重要的 影响，所以它对整机的性能有着决定性的影响，因此对其进行细致深入的研究具有重要 的理论意义和实用价值。 本文，首先详细分析了国内外拆除机器人的发展现状及发展趋势，提出了两种不同 的液压系统方案，并对液压系统进行了分析，在比较论证的基础上确定了拆除机器人的 液压系统，即一个具有负载敏感装置的多执行器并联的负载敏感液压系统；其次，在参 考小型挖掘机相关参数的基础上确定了本系统的参数，并对拆除机器人工作装置、回转 装置及行走装置进行了设计计算及硬件选型；最后，在介绍了液压系统的仿真问题的基 础上，并重点介绍了a m e s i m 仿真软件的结构组成、特点及应用领域，在对拆除机器 人的液压系统进行合理的简化及假设基础上，利用a m e s i m 仿真软件对液压系统进行 建模和仿真，通过仿真得到了系统的响应特性曲线，并对仿真结果进行分析，从而为拆 除机器人液压系统的工程应用提供了理论依据。 关键词：拆除机器人：液压系统：负载敏感：a m e s i m 仿真 a b s t r a c t t h ed e m o l i t i o nr o b o ti so n ek i n d o fi n d u s t r i a l r o b o t ，w h i c hi sa p p l i e dt ot h e a r c h i t e c t u r a ld e m o l i t i o n ，t h er e s c u ea n dr e l i e fw o r k ，c e m e m ，m e t a l l u r g y , n u c l e a re n e r g ya n d s oo n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h ea p p l i c a t i o ns c o p eo ft h ed e m o l i t i o nr o b o ti sm o r e a n d m o r ew i d e t h eh y d r a u l i cs y s t e mi si t sc o r e ，w h i c hw i l lt r a n s m i tt h ep o w e rf o re a c hl o a d i n s t a l l a t i o na n dh a v et h ei m p o r t a n ti n f l u e n c et oe a c hl o a d sm o v e m e n t ，t h e r e f o r ei th a st h e d e c i s i v ei n f l u e n c et ot h ew h o l em a c h i n ep e r f o r m a n c e s oi th a st h es i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a l m e a n i n ga n dp r a c t i c a lv a l u et or e s e a r c hi td e e p l y i nt h i sp a p e r , f i r s t l yt h ei n t r o d u c t i o nt ot h ep r e s e n td e v e l o p i n gs i t u a t i o na n dt r e n do f t h ed e m o l i t i o nr o b o ta th o m ea n da b r o a di sa n a l y z e di nd e t a i l i tp r o p o s e st w od i f f e r e n t h y d r a u l i cs y s t e ms c h e m e sa n da n a l y z e st h e m o nt h eb a s i so fc o m p a r i s o na n dc o n c l u s i o n ，t h e h y d r a u l i cs y s t e mo ft h ed e m o l i t i o nr o b o tw a sd e t e r m i n e d t h i sh y d r a u l i cs y s t e mi s m u l t i a c t u a t o rp a r a l l e ll o a ds e n s i t i v eh y d r a u l i cs y s t e m 、析t hl o a ds e n s i t i v ei n s t a l l a t i o n s e c o n d l y , t h i ss y s t e m sp a r a m e t e ri sd e t e r m i n e do nt h eb a s i so ft h er e l a t e dp a r a m e t e ro fs m a l l e x c a v a t o r a n dt h ew o r k i n g ，r o t a r ya n dw a l k i n gd e v i c eo ft h ed e m o l i t i o nr o b o ti sc a r d e do n t od e s i g nc a l c u l a t i o na n dh a r d w a r ee l e c t i o n l a s t l y , o nt h eb a s i so fi n t r o d u c t i o nt ot h e s i m u l a t i o np r o b l e mo fh y d r a u l i cs y s t e m ，t h i sp a p e r p u ti t se m p h a s i so nt h ei n t i o d u c t i o no ft h e s t r u c t u r ec o m p o s i t i o n ，c h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i e df i e l do fa m e s i ms i m u l a t i o ns o f t w a r e m a k i n gu s eo fa m e s i ms i m u l a t i o ns o f t ：w a r et om o d e la n ds i m u l a t et h eh y d r a u l i cs y s t e mo n t h eb a s i so ft h er e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o na n ds u p p o s i t i o nt ot h eh y d r a u l i cs y s t e mo ft h e d e m o l i t i o nr o b o t o b t a i n i n gt h es y s t e m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eb ys i m u l a t i o na n d t h e na n a l y z i n gt h er e s u l t so fs i m u l a t i o np r o v i d et h et h e o r e t i c a le v i d e n c et ot h eh y d r a u l i c s y s t e mp r o j e c to ft h ed e m o l i t i o nr o b o t k e yw o r d ：d e m o l i t i o nr o b o t ；h y d r a u l i cs y s t e m ；l o a ds e n s i n g ；a m e s i ms i m u l a t i o n i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：飘掰研锕阳 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：季朗识坟 力伊1 年多月凡目 导师签名： 群石r 1 年 月堋 长安大学碰十学位论文 第一章绪论 l1拆除机器人国内外发展现状及趋势 拆除机器人足工业机器人的一种。它实际上就足一个带有液压破碎锤的，具有遥控控 制功能的工业机器人。它的关键技术涉及很多方皿，土望包括机械设计与制造、电子电 工技术、计算机原理、网络程序设计、传感器、自动控制、数字信号处理、优化设计、 人f 智能、机器人学等等。随着社会的发展和知识经济的到来，人力劳动的成本越来越 高，人们也更加珍惜自身的健康和生命，世界各国都在争先恐后的发展高新技术，拆除 机器人技术作为其中的熏要分支受到各国的普遍重视。在拆除机器人中，液雎系统足 它的核心之一，对它的性能具有决定性的影响，凼此液压传动系统也就成为了拆除机器 人的各种系统非常晕爱的分系统之一口。“。典型的拆除机器人如罔1l 。 图l1 拆除机器人 1 ll 国外现状 拆除机器人是在2 0 世纪7 0 年代开始出现的，到目前为止也就经历了短短3 0 多年 时m 的发展，不过它的发展速度非常迅速，应用范围则正在不断扩大。现在，在欧茭等 发达国家拆除机器人已经丌始作为高新技术产业中一个新兴的产业，j 下在朝着标准化、 系列化、多功能化等方向发展。但是目前为止，国外研制生产拆除机器人的厂家还不是 特别多，它们主要有瑞典布鲁克公司( b r o k k ) 、德围的托普泰克公司( t op te c ) 、 芬兰的f i n m a c 公司。瑞典布鲁克公司( b r o k k ) 足目前拆除机器人晟人的供麻商产 品销往世界各地。主要产品有b r o k k 系列：包括b r o k k 4 0 、b r o k k 5 0 、b r o k k 9 0 、 b r o k k l 8 0 、b r o k k 2 5 0 、b r o k k 3 3 0 型拆除机器人。此外还有t op t e c 公司生产 第章绪* f o p t e c l8 5 0 e 、t o p t e c 2 5 0 0 、t o p t e c 4 5 0 0 、t o p t e c 5 5 0 0 型拆除机器人，f i n m a c 公 司生产f 】6 型拆除机器人。图l2 。它是瑞典布鲁克公司生产的b r o k k l 鲫多功能拆除 , t l i 。 图i2b r o k k l 8 0 多功能拆除机 虽然每个公司生产的拆除机器人系列小同、外形不l 司，型足每个公司的产品在总体 l 大的结构挂本没有什么区别，它们般都包括机架、埋带行走机构、回转机构、工作 机构、液压支腿、拆除工具及动力系统、波儿繇统、电气控制系统、尤线或有线遥控系 统等组成部分。它们存在的丰要区别就存那些特殊结构的i 5 计上，但就是这些独特的结 构对提鲕。品。阵能和竞争山有着决定性的作用。分析总结柬说土要包括以下j l 个方【哪 ! 5 1 ：( 1 ) 底重心设训：( 2 ) 底噪声设计；( 3 ) 远距离数字遥控技术：( 4 ) 减震系统： ( 5 ) 自动润滑装置：( 6 ) 液压支腿装晋；( 7 ) 履带行走装首；( 8 ) 剧转装置； ( 9 ) 保护罩装簧；( 1 0 ) 三段式悬臂谩计，( 1 1 ) 拆除工具。 1 12 国内现状 我国是从上世纪末才引进了拆除机器人产品，例如：河北冀东水泥厂引进用于回转 窖拆砖；太原钢铁公司用做拆包和炉i a 清理等等，由于引进的拆除机器人很人程度上改 善了作业环境、极大的提高了作业效率，所阻拆除机器人的引进引起了我国建筑拆除等 方咖拆除方式的革命性变革，同时使这种变革比凼外产牛了更加深远。目前我国对机器 人技术的研究水平己经达到国际先进的程度，但对十拆除机器人的研究i 作做的却甚 少。拆除工作需要大功术、高频冲击振动，高可靠性t 作，如何将机器人技术引进到拆 除机器人巾还需要做大量的基础性研究l 。作，目前我同还没有拆除机器人专业生产 厂家，而相关研究i 。作的报道也搬少。 近年来q 鞍山惊天液j i ! 0 l 械制造有限公一d 在生产销售液握破碎锤发多功能液压破 碎车的基础上，分析和吸t 1 2 h ：c b 先进技术，井结合我l q 工程机械的实际发展状况，独立 川发研制出，多功能遥控拆除机器人。缓拆除机器人采用了遥控摄像机进行远科监视技 术，对被拆除体进行远程监视，无线遥控操作，特剧适合在建筑拆除、抢险救援、水泥、 冶金、核能等行业叶1 仕川。它还可j 泛应用r 隧道施上，可以完成转炉，网转窑，钢水 乜等地清渣拆除咀及隧道修补，旧建筑物破碎拆除等作业特别适j ；i 于易燃易爆，易坍 塌等危险区域中工作。拆除机器人采川了小型履特行止乐统，采用负载反馈式电磁比例 惭虫液系统以驶总线摔制的无线遥控系统，配备多参数传岱系统，大惜采川6 门川皮 休业机构以及高频冲- i 一液j f 、破砰锤。酸拆除机器人其有动作灵话，效率高，重量轻，体 秘小，口实现无线遥控等特点。为了缩小同世界发达幽家的始距，发胜民砍机器人产业， 必须瞄准凼际先进水下，俐绕国内外市场，在充分利川吲际化成套设备和国外先进坎术 的基础上，增强自土创新意识，掌握核心设训制造技术，发扦性价比优势，提商产曲竞 争力使我国拆除机 ! 人的石j f 究t 作和产l 镐”发达到以致超过世界先进水1 “。罔13 所日；，它是惊天波雎生产的拆除机器人。 咄 图i3 拆除机器人gy c 6 5 0 l2 课题的提出 目前，我国的拆除机械批本上采用人工操作方式，这不但要求驾驶员具有较高的驾 驶水平，而且作业的劳动强度较大。在进行拆除操作h j ，驾驶员小但需要在视觉和听觉 的丛础卜，依靠髟! 累的经验进行推理以实现对拆除过程进行控制和监视，体力和脑力消 耗极人；另外山千i ：作环境恶劣，常常伴随有强烈的震动、噪音和尘埃，有时甚至面 临塌方、辐射、爆炸以及化学物等威胁，所以这，e 重危及工作者的身心健康乃至7 l 命。 在抢险救灾、危房拆迁、垃圾清理以及化学灾害处理等危险及其他环境恶劣场合，更加不 适含人在机器上进行下控操作。随料国民经济的发展和人们巾活水平的不断提高，j 1 ：发r 第一章绪论 以采用遥控操作的拆除机器人代替人类作业，进行诸如消防抢险等恶劣环境下的各种工 作已经成为一个急需解决的问题。针对我国拆除机器人研究所处阶段，为有效改变拆除 机器人的研究现状，加强相关方面的基础研究，改进拆除机器人的液压系统，改善拆除 机器人液压系统效率低、故障率比较高的缺点。急需在目前拆除机器人液压系统的基础 上，对其进行改进、优化研究 6 1 。 经过前期认真细致的调研，为了进一步改进拆除机器人的液压系统，本文提出了两 种液压系统方案：一种是主回路采用双泵恒功率负荷反馈系统、行走回路采用两套独立 的闭式液压系统，该系统可以充分利用发动机的功率，行走系统采用了变量泵一定量马 达闭式液压回路，能够保证机器人行驶的直线性，使整机行走方便、转向灵活，伸缩臂 的伸缩可以扩大作业面积；一种是采用了基于负载敏感技术的开式液压系统，该系统采 用多负载并联的方式，负载敏感技术就是将负载所需的压力、流量与泵的压力和流量进 行匹配，这样可以提高发动机的利用效率，消除系统的溢流损失。负载敏感液压泵的出 口压力由负载反馈回来的最高压力决定，负载敏感液压泵压力比最高负载压力高出一定 的差值。负载敏感泵的流量随系统的需求而变化。在比较论证的基础上，确定了拆除机 器人的液压系统。 1 3 本文研究的主要内容 论文研究的课题围绕惊天液压公司的拆除机器人的液压系统，论文的前期对国内、 外先进的技术及设备进行了调研，广泛搜集、整理了相关资料；设计阶段，研究了拆除 机器人液压系统的不同方案，完成了液压系统的设计、计算；后期，利用高级建模软件 a m e s i m 对液压系统进行建模与仿真，并对仿真结果进行分析。 本文完成的主要内容如下： ( 1 ) 阐述了国内外拆除机器人的发展现状及趋势； ( 2 ) 拆除机器人的液压系统分析论证； ( 3 ) 拆除机器人液压系统参数匹配及选型计算； ( 4 ) 基于高级建模软件a m e s i m 的液压系统建模与仿真，并得出仿真结果及对仿 真结果进行分析。 4 长安人学硕士学位论文 第二章拆除机器人液压系统的方案论证及选择 2 1 拆除机器人液压系统的工作要求及原理 操作者按照拆除机器人的工作装置、回转装置、行走装置及其它装置的工作及传动 需要，把各种液压泵、液压马达、液压阀等液压元件用液压油管有顺序有规律地连接在 一起就可以组成一个拆除机器人的液压系统。在工作的过程中，液压系统是用油液作为 自己的工作过程中介质、然后利用液压泵把发动机送出的机械能转变为液压油的液压能 来传递，然后通过液压缸和液压马达等各种执行元件再把液压油的液压能转变为各种机 械能，这样就可以实现拆除机器人所需要的各种动作1 2 l 。 拆除机器人的拆除动作比较复杂，主要机构需要经常启动、制动、换向，冲击和振 动非常频繁，温度和环境变化大，因此拆除机器人液压系统应满足要求如下1 7 1 ：( 1 ) 动 力性方面；( 2 ) 操纵性方面；( 3 ) 节能性方面；( 4 ) 安全性方面。 按照不同的功能可将拆除机器人液压系统分为三个基本部分：工作装置液压系统， - 回转装置液压系统、行走装置液压系统。拆除机器人工作装置液压系统主要由大臂、二 臂、三臂、液压破碎锤及相应的液压缸组成，它包括大臂、二臂、三臂、液压破碎锤四 个液压回路。回转装置液压系统的功能是将工作装置和上部转台实现向左或向右的回 转，以便执行更大范围破碎拆除的工作，能够完成回转装置动作的液压元件一般是液压 回转马达。回转装置液压系统在工作的过程中要求必须满足条件是：在回转过程速度必 须迅速、在刚开始回转时和最后停止回转时必须没有大的冲击、振动和摇摆，当与其它 执行元件进行复合动作时，能够实现合理地分配各个执行元件的流量。车架及行走装置 的主要作用是支撑拆除机器人的整机质量并能够完成行走任务，目前大多数采用的是履 带式的结构，所使用的液压元件主要是行走马达。行走系统的设计特别需要特别注意的 是直线行驶问题，即在拆除机器人行走过程中，如果有其他执行元件动作，要能够保证 不产生行走偏转的现象。为了实现安全有效的工作，拆除机器人的液压系统要能够实现 如下几方面的功能： ( 1 ) 拆除机器人，在左、右履带同时行走的过程中，必须要保证能够实现整机直 线行走的功能。还要能够保证整机的转向灵活、行走方便，并且可以原地转向，以提高 拆除机器人的工作灵活性。 ( 2 ) 拆除机器人的工作装置和回转装置既要能够单独动作，又能够进行复合动作， 这样可以提高拆除机器人的工作效率。 第二章拆除机器人液压系统方案研究 ( 3 ) 拆除机器人要保证大臂、二臂、三臂和液压破碎锤能够各自进行单独动作， 也可以相互配合进行复合动作。 ( 4 ) 保证拆除机器人的一切动作都是可逆的，并且能够实现无级变速。 2 2 拆除机器人液压系统方案研究 拆除机器人液压系统的基本组成见图2 1 ( 没考虑液压附件及先导控制部分) i t l ： 二二纠 执行部件， 液压 卜 主阀 卜 执行部件2 油泵 剖 图2 1 拆除机器人王液压系统基本组成 2 2 1 方案一及其工作原理 参考目前国内外同类机型的液压系统及本章2 1 节中对其工况的分析，该方案采用 双泵恒功率负荷反馈系统，行走回路采用两套独立的闭式液压系统，液压原理图【4 、8 1 如 图2 2 ( 见附录a ) 。 该方案液压系统采用了多泵多回路系统。其中行走回路采用两套独立的闭式液压系 统，主回路采用双变量泵回路的开式系统，它由一对双联轴向柱塞泵、两组双向对流三 位六通多路电磁换向阀、工作装置液压缸、回转马达等组成。变量泵采用了液压联动的 总功率变量调节器，保证了两泵的同步变量，并且按照两回路载荷压力之和进行变量。 l 、动力源分析 液压系统根据动力源的不同，可以有多种不同的驱动形式。它包括以下几种( 1 ) 单泵变量系统( 2 ) 双泵定量液压系统( 3 ) 双变量泵液压系统。 本方案中的拆除机器人液压系统采用的是双变量泵液压系统，根据控制形式的不同 变量液压系统可以分为功率控制系统、流量控制系统和组合控制系统三类，一般变量液 压系统大多采用功率控制系统。功率控制系统又可以分为恒功率控制系统、总功率控制 系统、变功率控制系统等。本方案研究的是双变量泵总功率控制液压系统，如图2 3 所 示。 6 长安人学硕上学位论文 s 图2 3 双变量泵总功率控制系统 。 由图2 3 可知，舅xa l + 最xa 2 = p xa 3 。因a l = 彳2 = 么3 2 ，故( e + b ) a l = px2a l ， 即p = ( e + t , 2 ) 2 。设泵的总功率为，则= ( 置+ 之) q = 常量，而q l + q ：2q 。由此 可见，总功率调节两个泵的排量始终是相等的。两台泵的功率之和始终保持恒定，使其 功率之和不超过发动机的输出功率。 总功率控制系统主要有以下优点：( 1 ) 发动机功率能得到充分利用。发动机功率可 按实际需要在两台变量泵之间自动分配与调节。在极限情况下，当一台油泵空载时，另 一台油泵可以输出全部功率。( 2 ) 两台变量泵的输出流量始终相等，可以分别用于驱动 不同的液压缸或马达，将经常需要同时动作的执行元件布置在不同的阀组中，由每台油 泵分别驱动，以完成破碎作业中一些关键的复合动作1 8 1 。 2 、闭式行走系统 为了使整机行走方便、转向灵活，并且可以就地转向，以提高拆除机器人的灵活性、 轻巧性，该机的左右行走系统采用了独立的闭式液压回路，图2 4 所示为单侧行走液压 系统。 左右两套独立的双向变量泵一定量马达闭式系统分别驱动左右行走履带。每个行走 回路由一个轴向柱塞变量泵和一个补油泵构成，补油泵除向闭式回路补油外还向变量泵 的变量机构提供控制油。左右行走回路的双向变量泵为电液控制，可以控制拆除机器人 的前进、后退、转向，可无极变速。单侧行走液压系统图见图2 4 。该回路主要由比例 7 第二章拆除机器人液压系统方案研究 伺服阀、伺服油缸、变量泵、溢流阀、过载补油阀组( 由过载阀、单向阀组成) 和定量 液压马达等组成。操纵电磁伺服阀，使伺服油缸的上腔或下腔进油，改变变量泵斜盘的 倾角，从而使变量泵的流量和方向都可以实现改变，进而可以实现定量双向液压马达的 转速和方向的改变，使拆除机器人行驶速度和行驶方向发生变化。 3 、缓冲回路 4 卜比例伺服控制阀2 一伺服控制油缸3 一变量泵4 一减压阀5 一补油泵 6 一过载补油阀7 一单向阀8 一溢流阀9 一梭阀1 0 一定量马达l l 一滤油器 图2 4 单侧行走液压系统 拆除机器人在回转的过程由于它的惯性比较大，因此在开始回转、回转结束和回转 变向的过程中时能够造成显著的液压冲击，特别是正在回转时遇到由于各种原因突然停 车的情况，液压冲击会更大。液压冲击能够使整个拆除机器人产生非常大的振动以及噪 音，严重的情况下能够损坏各种元件。为了能够克服由于回转过程中产生的各种冲击， 可以设置缓冲回路，缓冲回来的种类比较多，但本质是相同的，它们都是利用各种液压 阀连接起来，起到当液压回转马达高压腔的压力达到设置的压力时能够有出口。图2 5 为常采用的用于回转装置的几种缓冲回来。 8 长安大学硕上学位论文 图( a )图( b )图( c ) 图2 5 三种常采用的缓冲回路 在图a 中高、低压油路之间安装着缓冲阀，当机器工作时，这两个缓冲阀是关闭的。 如果回转装置出现紧急情况的回转制动或回转换向的时候，高压腔的油液经过缓冲阀直 接进入油箱，低压腔是经过补油单向阀来进行补充油液的，这样就可以减小或消除回转 机构产生的液压冲击。这中缓冲回路所具有的特点是高压腔的泄漏油和低压腔的补油各 自进行，这样可以确保比较低的油液温度，提高系统的可靠性，不过低压腔补油需要的 油液量比较大。 在图b 中是高、低压油路之间并联有缓冲阀，每一缓冲阀的高压油口与另一缓冲阀 的低压油口相通。当回转装置出现回转制动、停止或回转换向时，高压腔的油经过缓冲 阀直接进入低压腔，减小了液压冲击。这种缓冲回路由于高压油直接通入低压腔，所以 补油量很小，大致只要补马达的外泄漏油量即可，背压小，提高了工作效率。 在图c 中是高、低压油路之间并联有成对的起缓冲作用的单向阀，当回转装置出现 回转制动、停止或回转换向时高压腔的油经过单向阀、缓冲阀直接进入油箱，低压腔所 需要的液压油经过单向阀从油箱进行补油。 4 、支腿顺序和锁紧回路 拆除机器人中，为了保证机械的稳定性，前后支腿的收放有一定顺序，因此在支腿 回路中要设置顺序阀，构成顺序回路。同时，支腿伸出后，要求在外负荷作用下不发生 软腿现象、不回缩、不发生窜动，这通常是由锁紧回路来保证。 9 第二章拆除机器人液压系统方案研究 5 8 1 换向阀2 后支腿缸3 一前支腿缸4 、5 顺序阀6 、7 单向阀8 、9 液压锁 图2 6 支腿顺序和锁紧回路 图2 6 是拆除机器人支腿的顺序和锁紧回路。根据工作要求，支腿的动作顺序应是： 后支腿缸伸一前支腿缸伸一前支腿缸缩一后支腿缸缩。这个动作顺序由顺序阀4 和5 来 实现。换向阀在右位时，压力油通过后支腿缸的大腔，后支腿缸伸出，回油经单向阀7 及换向阀1 返回油箱，后支腿全伸出以后，油压升高，打开顺序阀4 ，进入前支腿缸的 大腔使前支腿伸出，回油经换向阀返回油箱。支腿伸出以后用液控单向阀8 和9 ( 液压 锁) 锁紧。这种锁紧回路结构简单，性能好，工作安全、可靠。换向阀在左位置时，压 力油进入液压缸3 的小腔，使前支腿缩回，全缩以后，压力升高，打开顺序阀5 ，压力 油进入液压缸2 的小腔，后支腿缩回。 2 2 2 方案二及其工作原理 本方案的液压系统采用开式回路，多负载并联结构。液压系统原理图见图2 7 ( 见附 录b ) 。该方案中考虑拆除机器人负载情况比较复杂，采用了负载敏感变量泵配合多路比 例换向阀。主液压系统分为上车和下车两部分液压系统，上车部分主要包括回转装置和 工作装置；下车部分包括行走装置和支腿液压缸【9 、1 0 j 1 、1 2 1 。 1 负载敏感泵的工作原理1 1 3 , 1 4 l 负载敏感原理如图2 8 ，主要由变量泵、变量调节油缸、负载敏感( l s ) 阀等元件 组成。发动机启动前，在复位弹簧的作用下，泵的斜盘摆角处于最大位置。发动机一旦 启动，如果此时整个液压系统没有流量要求，则泵的摆角在几十毫秒后迅速回到最小位 l n 长安大学硕十学位论文 置，此时泵出口压力与变量调节油缸的复位弹簧预定压力平衡，保持泵出口压力恒定。 当负荷传感阀的节流口开启，系统有流量需求时，泵的负荷传感控制机构会自动改变主 泵排量，控制输出流量的大小。负载需要多少流量，主泵就提供多少流量，与负载压力 无关，没有多余的流量流出，没有溢流损失这是负载敏感泵的显著特点。由图2 8 可以看出，泵的出口压力和负载压力分别引到负载敏感阀芯的左右两端，同时负载敏感 阀芯还承受弹簧的压力。主泵工作时，负载敏感阀始终将泵的出口压力与负载压力的压 差与弹簧的预压力进行比较，根据比较结果决定变量缸大腔是闭死( 排量保持不变) ， 还是接p 口压力( 排量减小) ，或者接壳体压力( 排量增加) 。 当执行元件无动作时，负载敏感阀芯被推倒右端，泵的出口压力进入变量缸大腔， 推动斜盘摆角变化，直到与变量缸小腔的复位弹簧在调定压力点左右达到平衡，形成压 力储备，泵此时排出的极少量油液经泵内部的几个配合间隙泄荷。 当执行元件开始动作时，负载敏感阀芯在弹簧的预设压力推动下左移，变量缸大腔 通泵壳体，在复位弹簧和储备压力的共同作用下，泵的斜盘向大摆角变化，排量迅速增 大，当泵出口压力与负载压力压差和弹簧的预设压力平衡时，阀芯将变量缸大腔的流道 关闭，主泵排量停止变化，保持固定的输出流量。 厂一 i i i i i l l 二 2 负载敏感式比例换向多路阀 图2 8 负载敏感泵原理 选、泊缸) 发动帆 第二章拆除机器人液压系统方案研究 负载敏感式比例换向多路阀分为p s l 和p s v 型，它们分别适用定量泵系统和变量 泵系统的液压执行元件的无级速度调节，调节机能与系统负载无关。多个执行元件可同 时且独立地进行工作。 通过选择执行元件a 、b 口的各个不同的最大流量，以及选择使用各个不同的附加 机能的阀，可以保证各个控制回路的最佳匹配。 3 行走系统工作原理 如图2 9 ，单侧行走回路由变量马达、电液比例多路换向阀、安全阀、特种先导换 向阀等组成。回路液压油由泵的出口分两部分一部分经过减压阀变为控制油到电液比例 换向阀的控制油口和两位四通电磁换向阀，分别推动各自换向阀进行换向，另一部分通 过一个由控制油打开的三位四通电液比例换向阀到达行走马达；行走马达的调速通过两 位六通的液动换向阀推动控制泵排量的油缸来调节泵的排量进而可以实现泵转速的变 化，实现调速的目的；通过特种先导换向阀实现马达的卡死，防止马达误转；通过安全 阀实现防止马达倒转的目的。 图2 9 单侧行走回路 4 、支腿液压缸回路工作原理 支腿缸回路如图2 1 0 ，由单作用活塞液压缸、液控单向阀及比例换向多路阀、减压 阀等组成，液压油由泵的出口分两路，一路流向减压阀经过减压后成为比例换向多路阀 的控制油液，另一路经过比例换向多路阀后流向支腿缸，克服负载；液控单向阀的作用 是用来防止液压缸发生误操作，比例换向多路阀通过调节阀芯的位移可以实现调速的功 1 2 k 安大学硕二 二学位论文 能。 5 、回转装置回路 图2 1 0 支腿缸回路 图2 1 1 回转装置回路 回转装置回路如图2 1 1 ，由回转马达、平衡阀、安全阀、梭阀；在本系统中主要的 工作元件是回转马达，其它各阀起到安全保护等作用，回转系统的制动是通过梭阀的选 择作用后的高压油推动制动油缸，进行制动；回转速度的调节是通过比例换向多路阀的 阀芯移动来实现。 6 、臂缸回路 第二= 章拆除机器人液压系统方案研究 图2 1 2 臂缸回路 臂缸回路如图2 1 2 ，由单作用活塞缸、液控平衡阀及比例换向多路阀，单作用活塞 缸是本系统的工作装置，液压油通过液压缸来克服负载；液控平衡阀起安全保护作用； 液压缸活塞移动的速度通过比例换向多路的阀芯移动来控制通向液压缸的油液，实现调 节活塞杆移动速度的目的。 7 、液压锤回路 液压锤回路如图2 1 3 ，由液压破碎锤、安全阀、双向液压锁及比例换向多路阀。液 压破碎锤是本回路的工作装置；安全阀起安全保护作用；双向液压锁用于截止一个方向 的液流，而在反向自由通过，与比例换向多路阀结合起到保压和在中位时的位置固定； 比例换向多路阀起到调速的作用。 1 4 长安大学硕士学位论文 图2 1 3 液压锤回路 2 2 3 方案比较 ( 1 ) 从系统效率方面来看，方案一采用双变量泵总功率，行走系统采用独立的闭 式系统，系统中多负载采用串并联，双泵流量输出相等，当负载流量需求差别较大时带 来比较大的能量损失。方案二中采用负载敏感泵的开式回路，负载敏感泵的压力始终比 各并联负载的最高压力略高，按照负载的需求，提供一定的压力和流量，所以通过对不 同负载压力进行合理的配置可以很大程度的提高系统效率。 ( 2 ) 从控制策略方面来看，方案一通过调节变量泵的斜盘倾角来改变排量来改变 输入到负载的流量。方案二通过比例换向多路阀的开口大小来调节输入到负载的流量。 方案二控制精度高一些。 ( 3 ) 从开式系统和闭式系统的一般区别来看，开式系统结构简单、维修方便、散 热效果好。闭式系统结构紧凑便于安装，但散热比较慢，污染不好控制。 综上所述，方案二采用负载敏感控制的开式系统效率较高、控制精度较好，是比较 合理的选择。 2 3 本章小结 在分析拆除机器人液压系统的基本组成和要求的基础上，给出两种不同的液压系统 并对两种系统的组成部分及其功能进行了分析。从效率、控制精度等方面对两种方案进 第二章拆除机器人液压系统方案研究 行了综合对比分析，确定了方案二为拆除机器人的最终方案。 从负载敏感泵的工作原理可以看出，所选拆除机器人液压系统，能够充分利用原动 机的功率，从而提高了系统效率；系统采用带压力补偿功能的比例换向多路阀有利于实 现精确控制和降低负载波动带来的影响。 1 6 长安大学硕士学位论文 第三章拆除机器人液压系统选型计算 3 1 拆除机器人液压系统参数计算 3 1 1 系统参数设定 表3 1 是b r o k k 多功能拆除机器人的技术参数1 ： 表3 1 b r o k k 多功能拆除机器人技术参数 b r f k k ! s o弥 ) k k ：1 3 0 技謇参毳l j r f k k 移l ；l ；慊k 辩 鞣； | j 赁伟镰霄犁踩维型蘩：l | | 溉蟹 运翰琏痉笼丁捧婆) 鞠m1 2 黔2 2 1 02 静2 弱s 4 瞄6 遁翰高度f 最懂) ，鞴；= i拍 ；2 l o l3 2 l4 7 1 锵81 弱s 凡缒 透翰寰廛f 最奎) i m 臻 舒“7 鳓? 躲 7 躺 邵01 扔n r 卡 i 跨霆度l 点越酸f ，热! nl 弱l 再i ( l7 l7 l 童2 4 硒2 4 3 0 最大作娩离度m 臻2 淌- t 3 0 0 4 0 s 弘自6 弧16 7 骚巾作鞭离连，m 拯2 狮荔阮 ；洳i l 两昏鼢t6 ；j 拜 魂重( 幂宝f 。撂灸) k g 冀嚣49 鳓；# ：l ( )22 酾 4 u 0；i ( 镌 暖量 l 。露叠疆量t 最大jj 窿 4 ， l 喜o2 弱2 孙1 0 l ；麓 藉铮 潮转建殪摩n jr ! 羁 霉，2 4 5 1 0 ，3 s o 驺，3 彩l 一l f jl j 。3 静 建缓 蹙太行走建缓豫，s )0 。 兰瓴g致s磅。蓦e 。瞧 溪聒系统斋餐。f 。 2 70 嚣各0扫1 轻j 凄鹱 渡艨象燮墅 受墨缝嗣丰主囊雏定鳗曩轮袋雯登辖翔桎囊象受缓蜒自挂囊袋 蒙缓 系绕j ：俸慝力，m p a 1 7 。；1 6 。5 sj sl 龟导 蘸腰黎肇支蓬爨j l ，? m 沁1 3 。5蚕!艿2】髂l l g 谤力 。动盘娄壁，j 8 霉k w 龟萄爨。电萄扭，l l电薅撬。】s ，5电动残巧蘩蘧缎j j n 系缓 密动装鬣剐毒窈凌 1 i 雳寇动密动中游 窟毫譬嚣 挎澍式懊携，e 挣铡鑫便莠式箨捌禽攫携，控鞠翕蝰攘式劳籍鑫 控黧 系缓 信号嘎j 羲字式 教字戎数字式 数字式 控凝臻冀 肖线j 笼线番缝，无缝暂线。j 笼线，纛线r 趸逶 1 7 第三章拆除机器人液压系统选型计算 拆除机器人的技术参数见表3 2t 6 l ： 表3 2 拆除机器人参数 运输长度( 不含工具头) 3 9 0 0 m m 运输高度( 最低)1 7 6 0 m m 支腿缩回状态1 5 2 0 m m 运输宽度 支腿折合状态15 5 0 m m 几何尺寸支腿缩回不计履1 0 0 0 m m 工作宽度支腿伸展后操作宽度2 4 5 0 m m 最高7 0 0 0 m m 作业范围 最远6 4 0 0 m m 最深3 5 0 0 m m 系统容量 1 4 0 l 泵型号变量泵 液压系统 压力1 8 0 b a r 流量0 6 5 l m i n 控制方式便携式控制盒 控制系统 信号模式 模拟 控制模式有线无线 转角不限 回转方式 回转速度 1 2 s e c 3 6 0 。 履带宽 3 0 0 m m 行走速度约2 9 k m h 其它数据 最小离地间隙约2 0 0 m m 爬坡率3 0 根据本拆除机器人的技术参数及要求，参考b r o k k l8 0 拆除机器人、b r o k k 3 3 0 柴油 机型多功能拆除机器人的技术参数及同类型的挖掘机，可以选择液压主回路的工作压力 是1 8 0 b a r 、有几何尺寸及设计条件可知机重( 含工作头) 5 吨；行走速度o 2 9 k m h 、 回转速度1 4 s e c 3 6 0 。；参考同类型液压挖掘机及表3 2 ，大臂液压缸推力为3 0 k n 、二 臂液压缸推力2 8k n 、三臂液压缸推力2 0 k n 、破碎锤转角液压缸推力1 5k n 。 3 1 2 工作装置液压系统计算选型 各个工作液压缸缸径根据液压缸推力决定，假定液压泵到液压缸的压力损失 1 8 长安人学硕士学位论文 p i = 2 5 b a r ，液压缸回油背压p 2 = l o b a r ，液压缸的大小腔作用面积之比为a = i 4 6 a ( a 为大腔作用面积，a 。为小腔作用面积) 。 根据公式1 1 6 1 ： f = ( p 一异) 彳一最a o = ( 1 8 0 2 5 ) a - 1 0 xo 7 a = 1 4 8 a = 1 4 8 a ( 3 1 ) 液压缸内径尺寸系列1 1 7 l 表3 3 液压缸内径系列尺寸 ( 摘自g b t 2 3 4 8 - - 19 9 3 ) ( r n n l ) 4 05 06 38 0 ( 9 0 )1 0 0( 1 1 0 ) ( 1 2 5 ) 1 4 01 5 01 6 0 ( 1 8 0 ) 2 0 0( 2 2 0 )2 5 03 2 0 附注：括号内的尺寸为非优先选用尺寸。 求得：大臂液压缸：e = 3 0 k n = 3 0 0 0 0n 即胨= 焉蚓m m ( 3 2 ) 取系列值6 3 m m 由以上计算及表3 3 可得，大臂油缸缸径为6 3 m m ，活塞杆直径d 为3 5 m m ，额定 工作压力为1 6 0 b a r 。 二臂液压缸：e = 2 8 k n = 2 8 0 0 0 n 妒胨= 愿硼m m ( 3 3 ) 取系列值5 0 m m 由以上计算及表3 3 可得，二臂油缸缸径为5 0 m m ，活塞杆直径d 为2 8 m m ，额定 工作压力为1 6 0 b a r 。 三臂液压缸：e = 2 0 k n = 2 0 0 0 0 n d 3 =、坠：4 x 2 0 0 0 0 ：4 2 m m 、蕊21 3 1 4 x1 4 8 目z m m ( 3 4 ) 取系列值5 0 m m 由以上计算及表3 3 可得，三臂油缸缸径为5 0 m m ，活塞杆直径d 为2 8 m m ，额定 工作压力为1 6 0 b a r 。 转锤液压缸：e = 1 5 k n = 1 5 0 0 0 n 1 9 第三章拆除机器人液压系统选型计算 d 4 = 、羔= 熹慧书6 舢 5 ， 取系列值4 0 m m 由以上计算及表3 3 可得，转锤油缸缸径为4 0 m m ，活塞杆直径d 为2 2 m m ，额定 工作压力为1 6 0 b a r 。 变量系统具有流量调节的特性，允许以低速克服高峰负荷，大臂、二臂和三臂液压 缸的伸出速度5 c m s ，转锤液压缸的伸出速度为6 c m s ，则根据公式1 6 1 ： d ：j 坠么v ：j 生生v ( 3 6 ) 一 1 0 0 0 r 。l o o o 叩，4 式中叩，液压缸的容积效率，取o 9 8 。 大臂液压缸单独动作时所需流量： d ：鱼q 至兰笪5 ：l o l l m i n ( 3 7 ) 1 0 0 0 0 9 84 二臂液压缸单独动作时所需流量： p ，：生型竺5 ：6 m i n ( 3 8 ) 1 0 0 0 0 9 84 大臂液压缸和二臂液压缸同时动作时所需流量： o = q + q 2 = 1 0 + 6 = 1 6l r a i n ( 3 9 ) 三臂液压缸当单独动作时所需的流量： q 3 ：熹竿一：6 l (310)5 6 l m m u p ，= = l j 。 1 0 0 0 0 9 8 4 转锤油缸所需流量： q = 志竿舻5 驷n 3 1 3 液压破碎锤计算选型 根据机重5 吨及系统的最大工作压力1 8 0 b a r ， 液压破碎锤的选型。 ( 3 1 1 ) 考虑到系统的效率等的影响，进行 按照惊天液压公司g t 系列液压破碎锤的选型表3 4 ，可以选定g t 3 0 型液压破碎锤 i s l ，其技术参数如表3 5 所示。 2 0 长安大学硕十学位论文 表3 4g t 系列液压破碎锤技术参数 型蟹 u 憎tc t l og t 萄 g t 3 0 g t 4 0g t 5 0g r 6 0g t 7 0g t 7 5g t g t 9 0g t l 0 0g | 1 3 0g t l 5 0g t g t l g t 捌吣 并行巍经h m4 55 37 07 58 51 0 01 2 02 st 3 51 4 01 4 01 5 01 5 51 5 51 6 01 7 5 舒杆重量k g6口1 92