支架安装车保压夹具系统设计分析

施发永，张富榕，刘志双，李科军，代四飞，吴建建，苏 杰，杨 岳

(1.中国核工业二三建设有限公司，北京 101300；2.中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410000)

引言

核岛建设过程中，厂房内布置有大量工艺管道和电气线路托架，这些管道和托架均固定在顶墙或侧墙的支架上。而支架(50～300 kg)需要从室内地面搬运到墙顶或墙壁指定的预埋板位置进行焊接安装，传统的利用脚手架安装支架的工作方式，将很多时间耗费在脚手架搭建和人工搬运支架上，劳动强度大，作业效率低；且在支架定位好与预埋板焊接时，焊渣、火星直接掉落在下方托举支架作业人员身上，易引发安全事故。为提高支架安装效率和作业安全，中国核工业二三建设有限公司特开发一种支架安装作业车，末端执行器夹具机构作为设备关键部件，主要用于夹持支架配合完成支架定位与焊接。因此，在支架焊接过程中，夹具系统能否保证夹持力处于设计值之上直接决定设备工作安全性。程相文等[1]从码垛机抓手夹持机构对称性角度出发，建立了夹持机构的数学模型，并采用基于AIWF的粒子群优化算法对机构参数进行数值优化，实现夹持机构的简洁设计。刘艳妍等[2]根据杨晋[3]建立的锻造操作机钳口夹持力分析模型确定了影响夹持力的关键因素，并通过试验对钳口结构、钳口材料对夹持力的影响进行研究，确定了钳口结构设计的优化方向。邵浩东等[4]提出一种管道攀爬机器人夹持机构，先后进行了力封闭性分析和连杆机构优化，并通过ANSYS瞬态仿真分析夹持机构理论最大负载能力。周鑫等[5]提出了一种满足榴弹任意姿态、自由跌落试验要求的夹持装置，实现了在夹持过程中可靠性和安全性的保证。曹毅等[6]提出一种基于柔性铰链的二自由度开口型空间夹持机构。李峰平等[7]通过分析修边机器人夹紧机构组成原理，考虑转动副位置等设计参数，以夹紧机构工作半径最大化为优化目标，开展夹紧机构动力学与运动学优化设计研究。胡垠等[8]基于捣固车捣固原理，建立捣固工作过程动力学模型，通过分析激振力对系统工作压力影响规律，提出在夹持回路设置单向阻尼孔以稳定液压系统压力，提高捣固装置的作业性能。可见，目前的研究主要集中在对夹持机构的结构优化、动力学、运动学和有限元分析方面，对如何长时间稳定保持夹持力的研究并没有涉及。因此，本研究根据支架安装车夹具机构工况特点，提出一种保压夹持的液压控制系统，并建立夹持工作过程的动力学模型，仿真分析各种工况下夹持系统的动态特性。

1 保压夹具结构

如图1a所示，支架安装车主要由履带底盘、回转机构、升降臂、伸缩臂、上下摆动机构、左右摆动机构、旋转机构和夹具机构组成。履带底盘接地面积大、稳定性好，对地面无破坏，适用于核岛内复杂的地面环境；升降臂用于支架的垂直升降，提高支架安装作业高度；伸缩臂可调整臂的长度，实现不同高度支架安装作业；回转机构能大幅度调整支架在回转平面的安装位置；上下摆动机构用于调节支架变幅平面的安装位置；左右摆动机构配合回转机构，小幅度调整支架回转平面的安装位置；旋转机构用于调整支架与顶墙、侧墙的对位焊接安装。

如图1b所示，保压夹具主要由固定夹钩、活动夹钩，夹持油缸、固定夹板和夹持板组成。固定夹钩底部和旋转机构法兰相连；活动夹钩、夹持油缸和活动夹板在铰点B处铰接；夹持油缸缸筒与固定夹钩在铰点C处铰接；固定夹钩和活动夹钩在铰点A处铰接。当夹持油缸活塞杆进行伸缩运动时，可以驱动活动夹钩绕着铰点A旋转，从而控制夹具开口大小(50～300 mm)，且因活动夹板可以绕铰点B旋转，使得夹持板可以与不同截面尺寸支架表面紧密接触。同时，为提高夹持板与支架表面接触的摩擦系数，在夹持板上刻有纹路，夹持板由螺栓通过板上的沉孔固定在底板上，便于对磨损的夹持板快速更换。

2 保压夹具液压系统

如图2所示，夹具液压系统由柱塞泵、变量机构、电比例负载敏感换向阀、液压锁、夹持油缸、压力传感器和蓄能器等组成。

1.柱塞泵 2.溢流阀 3.负载敏感换向阀 4.液压锁 5.夹持油缸 6.压力传感器 7.蓄能器 8.变量机构 9.二位二通电磁阀

电机开始起动时，二位二通电磁阀通电，流量控制阀左控制腔直接和油箱连接，柱塞泵卸荷启动，且其输出流量仅为系统的泄漏流量，以保证电机小负载下启动；15 s后，电机进入稳定工作状态，二位二通电磁阀断电，压力控制阀工作，变量泵处于恒压工作状态，液压系统处于高压待命状态，一旦电比例负载敏感换向阀处于工作位，可以立即将高压油液供给夹持油缸或蓄能器，减少系统建压时间。同时，当电比例负载敏感换向阀处于工作位时，流量控制阀重新工作，夹持油缸工作油压通过梭阀组反馈到流量控制阀左侧(弹簧腔)，而流量控制阀右侧承受泵的控制压力油(非弹簧腔)，使得泵输出压力和油缸油压保持一个压差，即为流量控制阀弹簧的等效油压。由于电比例负载敏感换向阀内部减压阀的压力补偿作用，换向阀流量与阀芯开口成比例，使夹持油缸保持匀速稳定运动[9-12]。

液压锁通过金属油管与夹紧油缸相连，并安装于夹持油缸外壁。当夹持油缸工作到位后，系统停止供油，液压锁将夹持油缸的高压油液锁住，以保证支架有足够的夹持力。考虑液压元件长时间使用后，密封件磨损将导致系统有一定油液泄漏，在液压锁和夹持油缸无杆腔之间安装有蓄能器，在支架焊接过程中及时给系统补油，保证油缸工作压力在安全值之上。当焊接支架规格较大时，所需焊接时间较长，蓄能器有效工作容积放液完后，压力传感器检测到夹持油缸的工作压力即将处于安全值之下，电气控制系统将控制信号发送至电比例负载敏感换向阀，换向阀右位通电，柱塞泵立即向蓄能器补充油液，当检测到夹持油缸工作压力达到蓄能器最大工作压力时，电比例负载敏感换向阀断电，系统停止给蓄能器充液，此时由蓄能器给夹紧油缸补油。如此循环动作，一直保证夹持油缸油液工作压力高于安全值。

3 保压夹具系统数学建模

3.1 键合图模型

在建立保压夹具系统键合图模型前，需作如下简化：

(1)不考虑变量泵控制机构、负载敏感阀和液压锁等液压元件阀芯的动作响应时间，即对系统进行系统级建模，将各液压元件等效为节流和可变节流元件；

(2)电机输入转速恒定，不考虑油源流量的脉动性；

(3)不考虑变量泵和换向阀等液压元件的油液泄漏；

(4)假设在夹持油缸无杆腔连接1个与油箱相通微小节流孔，等效夹具系统的油液泄漏。

图3 保压夹具系统键合图模型

3.2 动力学模型

根据键合图模型状态方程生成规则，可以快速得出保压夹具系统数学模型[13-17]。

管路1工作容腔的流量连续性方程为：

(1)

(2)

(3)

式中，ppr——柱塞泵控制活塞无弹簧腔的油液压力

pps——控制活塞弹簧预压缩力的等效压力

Δppb——斜盘从最大排量运动至零排量，即斜盘倾角为0°时，控制活塞弹簧变形量引起的压力变化

Crf1——溢流阀阀口流量特性系数

Arf1——溢流阀开口面积

(4)

式中，Cvi——负载敏感阀进油口流量特性系数

Avi——进油口过流面积

pp12——压力补偿阀出口压力，同时也是负载敏感阀进油节流口进口油压

当负载敏感阀在正常压力工作范围内时，pp12-pp2=C,C为常数，负载敏感阀进油节流口的压差保持恒定；当负载敏感阀出口超出正常工作压力范围时，负载敏感换向阀集成的压力补偿阀失去控制作用，pp12=pp1，此时阀进油节流口的压差为pp1-pp2。

管路2工作容腔的流量连续性方程为：

(5)

(6)

式中，Ccv1，Acv1——双向液压锁压力油进口流量特性系数和开口面积

管路3工作容腔的流量连续性方程为:

(7)

管路4工作容腔的流量连续性方程为：

(8)

管路5工作容腔(包含伸缩油缸2的无杆腔)的流量连续性方程为：

(9)

(10)

(11)

式中，Ccv1，Acv1——双向液压锁压力油进口流量特性系数和开口面积

Cvo，Avo——负载敏感阀进油口流量特性系数和过流面积

管路6工作容腔(包含伸缩油缸2的无杆腔)的流量连续性方程为：

(12)

各管路工作容器的压力计算方程为：

ppi=kpiVi，i=1,2,…,5

(13)

蓄能器工作压力计算方程为：

(14)

Vc=Vc0-Vct

(15)

式中，pc0，Vc0——蓄能器的初始充气压力和初始工作容积

pc，Vc——蓄能器的实时工作压力和工作容积

活动夹钩转动动力学方程为：

(16)

活动夹钩转动速度为：

(17)

夹持油缸运动速度为：

(18)

4 仿真分析

保压夹具的主要仿真参数如下：夹持油缸的缸筒内径和活塞杆直径分别为50 mm和32 mm；活动夹钩的质量和转动惯量分别为4.163 kg和0.053964 kgm2；负载敏感阀中的压力补偿阀控制压差为1 MPa，最大流量为6 L/min；变量泵流量控制阀的控制压差为1 MPa，压力切断阀控制压力设定值为16 MPa；蓄能器的充气压力为8 MPa，最大工作压力为20 MPa；夹持工件厚度为110 mm。

根据上述保压夹具系统键合图模型，基于多学科复杂系统建模平台AMESim，搭建如图4所示的仿真模型，采用四阶-龙格库塔算法进行数值模拟，仿真时间为375 s，仿真步长为0.01 s。在0～5 s时间内，负载敏感阀工作在左位阀口全开位置，驱动夹持油缸活塞杆带动活动夹钩夹持工件，并给蓄能器充液；在5～369 s时间内，用小节流孔模拟油缸泄漏，蓄能器给系统补油，且当夹持油缸无杆腔工作压力降低8 MPa以下时(夹持压力需大于7.5 MPa)，控制系统给负载敏感阀通电，柱塞泵自动给蓄能器充液2 s，仿真结果如图5所示，可以看出：

图4 保压夹具系统仿真模型

图5 保压夹具系统响应

(1)在0～3.1 s时间内，柱塞泵给夹持油缸供油驱动活动夹钩顺时针转动，泵出口压力保持在2 MPa左右，这是因为活动夹钩质量和转动惯量均较小，系统工作压力主要由回油阻力决定；泵输出流量稳定在6 L/min，活动夹钩由110°顺时针转动到75.9°，夹持板在x轴方向由0 mm运动至190 mm；由于工作压力不大，且模拟泄漏的阻尼孔很小，系统泄漏接近0 L/min；蓄能器气室压力保持初始充气压力8 MPa不变，这是因为系统工作压力小于充气压力，系统还未开始给蓄能器充液；

(2)在3.1～5 s时间内，负载敏感换向阀仍然工作在左位，柱塞泵继续给夹持油缸无杆腔供油，但夹持板和工件表面已经接触，活动夹钩和夹持板位置保持不变，系统开始憋压，泵出口压力突增，由于负载敏感阀的压力补偿作用，柱塞泵输出流量经过短时间的振荡后稳定在6 L/min，泵开始给蓄能器充液，蓄能器压力由8 MPa增至20 MPa；在蓄能器工作压力上升过程中，其值达到18.5 MPa时，泵流量补偿阀控制作用开始失效，当蓄能器气室压力继续上升至20 MPa时，充液完成，泵压力切断阀开始工作，泵出口输出流量减至0 L/min；

(3)在5～187 s时间内,负载敏感阀开始工作在中位，由于压力控制阀的作用，柱塞泵高压待命，输出流量为0 L/min；蓄能器放液，补偿夹持油缸等液压元件泄漏，蓄能器工作压力由20 MPa逐渐降低，在185 s时，蓄能器工作压力减至8 MPa，泄漏流量由0.044 L/min减至0.019 L/min；此时压力传感器将检测数据反馈给控制系统，负载敏感换向阀又开始在左位工作，柱塞泵给蓄能器充液，充液过程和3.1～5 s时间内系统响应相同，在187～369 s时间内，夹具系统充放液过程和5～187 s时间内相同；

(4)在369～375 s时间内，负载敏感换向阀工作在右位，柱塞泵给夹持油缸有杆腔供油，泵出口压力由20 MPa突减至2.5 MPa，这是因为当柱塞泵由高压待命状态切换到工作状态时，负载较小，系统工作压力仅用来克服回油阻力；泵输出流量经过短时间波动后，稳定在6 L/min；在370.5 s时，夹持油缸活塞杆收缩到位，活动夹钩由75.9°逆时针旋转到110°，泵出口压力又由2.5 MPa升至20 MPa,泵输出流量有6 L/min降至0 L/min；夹持油缸活塞杆收缩过程中，蓄能器保持初始充气压力8 MPa不变。

5 试验研究

如图6所示，在支架安装作业车上搭建试验测试平台，将压力传感器安装在夹持油缸无杆腔进油口采集油液工作压力，设置传感器的采样周期为0.1 s。夹持油缸由电比例先导操作手柄控制，在系统建压后，操作手柄进行夹持油缸的伸缩运动，试验时间为10 s，前5 s负载敏感换向阀处于左位，后5 s负载敏感换向阀处于右位。通过上位机采集夹持油缸无杆腔压力，试验结果与仿真结果对比如图7所示。

图6 支架安装车夹持压力测试

从图7中可以看出，当换向阀打开时，夹持油缸有一个建压时间，泵出口压力出现10 MPa的峰值，但经过0.2 s时间压力振荡后趋于稳定；在第3.1秒左右，夹钳和工件接触，系统开始憋压，蓄能器开始充液，在第4秒时，系统完成充液；在第5秒时，换向阀换向，夹持油缸无杆腔压力迅速卸载，经过短时间波动后稳定在1.5 MPa左右，在第6.4秒时，油缸完全缩回，无杆腔压力趋于0 MPa。在夹持油缸伸缩过程中，受液压系统和实际操作的影响，试验数据会有一定振荡。这是因为在仿真过程中没有考虑变量泵输出油液的脉动性、传感器测量精度、仿真变量与实际参数取值的差异，这些都对计算结果造成了实际影响，但油缸无杆腔工作压力仿真曲线和试验曲线的变化趋势和曲线形状能较好吻合，在整个夹钳夹持过程中响应曲线最大压力差值在10%以内，验证了所建夹具系统动力学模型的准确性。

图7 夹持油缸无杆腔压力仿真与试验曲线

6 结论

根据核电站支架安装车夹持工件的作业要求，设计一种可适应不同工件截面尺寸的保压夹具系统，通过分析夹具结构组成和夹持原理，基于键合图理论建立系统的动力学模型，并进行仿真分析和试验研究，可以得出如下结论：

(1)在活动夹板接触支架憋压之前，变量泵流量控制阀工作，泵输出流量与换向阀开口面积正相关，活动夹钩转动平稳；当夹持油缸伸至工作极限位置时，变量泵压力控制阀工作，泵高压待命；

(2)蓄能器能及时补充系统泄漏的油液，保证工件夹持力的安全稳定，且当油缸夹持压力低于安全值时，高压待命的变量泵2 s时间内可完成蓄能器充液，并在充液过程中保证工作压力在支架夹持安全值之上；

(3)夹持油缸无杆腔工作压力的数值模拟结果和试验结果比较吻合，验证了所建模型的准确性，为进一步分析和优化夹具系统动力学性能提供参考。