水下开挖机器人液压系统设计与应用*

王 振 程雪聪 刘修成 董奇峰

1中交二航局第二工程有限公司 重庆 400000 2中交第二航务工程局有限公司 武汉 430040

0 引言

液压传动具有功重比大、驱动力大、调速范围广、响应快、刚度大、安全性高等优点[1]，广泛应用于各大重工行业重载驱动领域。工程机械由于工作环境恶劣、对速度控制宽度要求较高且常处于重载作业状态，出于驱动系统体积、工作效率以及可靠性等方面的考虑，常采用液压系统作为驱动系统[2]。

随着电液控制技术的兴起，以控制技术、液压技术、传感器技术等多学科融合技术为基础，工程机械逐渐向着机器人化、智能化方向发展，促进了我国工程机械的改造升级[3]，而以液压系统驱动形式的特种工程机器人也随着各行业的需求被相继开发研制。邓三鹏等[4]为实现建筑物拆破的自动化，设计了超高压水射流拆破机器人，并根据机器人特点设计了相应的液压驱动系统，对液压系统的特性进行了分析；曹建树等[5]根据污水管道清淤机器人运动特性，为提高其负载能力进行了行走单元和清理装置的液压系统设计，并通过试验验证了系统设计的可靠性；赵云伟等[6]根据管道泄漏机器人的功能需求和技术要求，设计了行走、转向、调速、臂架控制全套液压系统，完成了机器人抢修行为作业的驱动；房德磊等[7]针对移动机器人多负载同时作业的工作特点，采用2级压力源系统对其进行液压传动系统的设计，实现了机器人较高效率的动力驱动。

上述研究者针对各自领域工程机器人工作特性设计了相应的液压驱动系统，均取得了较好的应用效果。水下开挖机器人是用于沉井取土作业的特种工程机器人，其结构如图1所示。其中，支撑平台和支撑臂构成了机器人的上部总成，通过支撑臂将机器人整体固定于沉井墙壁上；伸缩臂、摆幅机构和回转驱动构成了机器人的下部总成，通过控制铣挖刀头对沉井下的土层进行铣挖工作。水下开挖机器人有4个支撑臂驱动液压缸、1个回转驱动马达、1个摆幅机构驱动液压缸、1个伸缩臂驱动液压缸和1个铣挖刀头驱动马达共计8个液压执行器，需综合考虑各执行器工作特性，进而进行液压驱动系统的设计。

图1 水下开挖机器人

1 负载特性分析

1.1 支撑臂负载特性分析

水下开挖机器人通过卷扬机吊入沉井之后，伸缩臂从支撑平台内伸出，抵住沉井墙壁，一方面用以支撑机器人在井下的作业姿态，防止机器人作业时晃动；另一方面搭配卷扬机给机器人垂直向上的力，用以防止机器人下滑。取其中一个支撑臂受力特性进行分析，如图2所示。假定机器人一半质量由伸缩臂与井壁之间的摩擦力进行承载抵消，以机器人整机质量为垂直向上负载，则有

图2 支撑臂受力特性分析

式中：FG为机器人一半总重，取值100 000 N；µ为支撑臂与井壁之间的摩擦系数，取值0.2；F1为伸缩臂对井壁的压紧力；Ff为井壁对伸缩臂的摩擦力。

由式（1）可得，Ff=25 000 N、F1=125 000 N，即支撑臂驱动液压缸需提供顶推力为125 000 N。

1.2 回转驱动负载特性分析

回转驱动为低速大扭矩传动装置，由蜗轮蜗杆机构作为主要传动机构，将驱动马达小扭矩、高转速运动转换为低速大扭矩运动[8]。水下开挖机器人所用回转驱动倾覆力矩Mq为180 kN·m，输出扭矩Ms为12 kN·m，传动比i为108:1，保持力矩Mb为98 kN·m，输出转速ns为 1.5 rad/min。

由回转驱动参数可知，其驱动液压马达参数为

式中：M1为回转驱动液压马达输出扭矩；n1为回转驱动液压马达输出转速。代入驱动技术参数数据，可得M1=0.1 kN·m，n1=162 rad/min。

1.3 摆幅机构负载特性分析

摆幅机构驱动液压缸控制伸缩臂进行摆动，液压缸每个伸长状态受力均不相同，故采用动力学仿真对其进行负载特性分析。

在Solidworks/Motion环境下建立机器人下部总成三维模型，并根据实际材料和受力特点进行设置。其中，设置引力场重力加速度g方向按实际工况垂直向下，大小为9.8 m/s2；外负载Fx施加于铣挖刀头，方向垂直于伸缩臂伸缩方向，大小为10 000 N；摆幅机构驱动液压缸由最大行程状态缩回320 mm，仿真时间10 s，最终铣挖刀头形成弧形运行轨迹，如图3所示。摆幅机构驱动液压缸受力情况仿真结果如图4所示。

图3 摆幅机构动力学仿真示意图

图4 摆幅机构液压缸受力曲线图

由图4可知，摆幅机构驱动液压缸缩回时拉力F2在作业时最大值为170 500 N。由于非对称液压缸在系统压力相同时，缩回时的最大负载力要小于伸出时最大负载力，故以该值作为摆幅机构驱动液压缸选型的计算参考值。

1.4 伸缩臂负载特性分析

伸缩臂结构如图5所示，主要由内套筒、外套筒、伸缩臂驱动液压缸组成。其中，伸缩臂驱动液压缸分别铰接于内套筒和外套筒相应的耳板上，当液压缸伸缩时，带动内套筒相对于外套筒产生平移运动。由于内、外套筒之间的摩擦力远小于铣挖支撑力F3，可忽略不计；而F3取值50 000 N，方向沿伸缩臂缩回方向。

图5 伸缩臂结构图

另外，由于铣挖刀头为外购件，已根据施工要求内置相应液压马达，故不再对其进行分析。

2 液压系统设计

2.1 总体方案设计

经上述分析，水下开挖机器人8个液压执行器中，4个支撑臂驱动液压缸负载特性相同，其余4个执行器与之均不相同。其中，支撑臂驱动液压缸和铣挖刀头驱动马达无需进行精确的速度控制，也无需做闭环控制运动；相对地，回转驱动液压马达、摆幅机构驱动液压缸和伸缩臂驱动液压缸则要做到精确的轨迹控制，故需要进行闭环控制。

液压系统主要可分为开式系统、闭式系统和半开式系统3种，其中尤以开式系统和闭式系统最为常用。闭式系统常为泵控系统，即主要控制元件为液压泵；开式系统常为阀控系统，即主要控制元件为液压控制阀，二者主要区别如表1所示。

表1 开式系统和闭式系统特点对比

水下开挖机器人对液压油箱体积的大小没有具体要求，且在条件允许的情况下需要对每个执行器进行独立控制，同时结合成本因素，综合考虑采用开式阀控液压系统。

工程机械中常用的阀控系统有电液比例系统和开关控制系统，其中电液比例系统可以通过加入传感器对执行器进行闭环控制且控制精度能够满足绝大多少场景的使用需求[9]。由于回转驱动液压马达、摆幅机构驱动液压缸和伸缩臂驱动液压缸需要做精确的位置控制，故考虑对上述执行器使用电液比例阀进行控制。

电液比例阀控系统可分为恒压系统和负载敏感系统，其中负载敏感系统的系统压力取决于所有执行器中最高的负载压力，可以根据各执行器工况进行相应的自适应调整，故属于节能系统的一种。由于水下开挖机器人各机构执行器的负载特性均不相同，为增加液压系统的适应能力，采用负载敏感系统。同时，考虑到系统的抗流量饱和性能，最终确定采用负载敏感系统中的LUDV系统[10]。

2.2 液压子系统设计

1）支撑臂液压子系统设计 支撑臂在抵住沉井墙壁之后，需要根据负载特性对其进行保压操作。常用的保压回路有换向阀中位特性保压、锁紧阀保压和蓄能器保压回路，由于机器人不需要进行长时间的保压作业，而换向阀中位特性保压回路的保压性能较差，可考虑较经济且实用的锁阀回路方式[11]，如图6所示，比例多路阀控制高压油路进入支撑臂驱动液压缸，当压力传感器检测到油路压力等于所需保压值时，比例多路阀回到零位，切断液压缸进油路，同时通过液压锁对子系统进行保压。

图6 伸缩臂液压子系统原理图

2）下部总成液压子系统设计 机器人下部总成各执行元件在作业时除需要进行位置和速度控制外，无其余特殊要求，考虑到各执行器在启、停时刻的运行平稳性，在控制阀和执行器之间增加双向平衡阀，如图7所示。

图7 伸缩臂液压子系统原理图

综上所述，加入液压附件以及动力元件，水下开挖机器人液压原理图如图8所示。其中电动机、负载敏感泵组成了液压系统的动力总成，为液压系统提供液压能；进油过滤器、回油过滤器、液位计、空气过滤器、冷却器等为液压系统辅助元件，为液压系统的正常使用提供必要的辅助作用。

图8 液压系统原理图

2.3 主要液压元件的参数选取

1）系统工作压力 液压系统工作压力一般由载荷大小、工作场合等相关技术要求确定，工程机械常用的工作压力在中、高压范围内。由于水下开挖机器人使用负载敏感系统，常用的负载敏感泵工作压力可达28 MPa，考虑到各执行元件的体积和结构紧凑性，选定系统工作压力为28 MPa。

2）执行元件与对应控制阀主要参数 不考虑执行元件的回油背压，设定该参数为0，则非对称液压缸活塞杆伸出时推力为

式中：Fa为活塞杆伸出时推力；D为液压缸缸径；p为系统工作压力；β为负荷率，取值0.8。

活塞杆伸出时流量为

式中：Qa为活塞杆伸出时流量，va为活塞杆伸出时速度。

活塞杆缩回时拉力为

式中：Fb为活塞杆缩回时拉力，d为液压缸杆径。

活塞杆缩回时流量为

式中：Qb为活塞杆缩回时流量，vb为活塞杆缩回时速度。

液压缸的选型不仅要考虑受力和速度，还要考虑行程、安装形式以及现有产品的规格参数。水下开挖机器人对各部分机构液压缸的速度无具体要求，只需选择满足负载和行程的液压缸即可。根据实际需求，最终确定各液压缸技术参数。其中，支撑臂驱动液压缸缸径D1=100 mm，杆径d1=70 mm，保压压力值p1=25 MPa；摆幅机构驱动液压缸缸径D2=150 mm，杆径d2=105 mm；伸缩臂驱动液压缸缸径D3=125 mm，杆径d3=100 mm。另外，各液压缸控制阀流量均按Q=50 L/min进行选型。

根据所选回转驱动，厂家配套了对应的液压驱动马达，该马达工作压力p2≤6.5 MPa、控制流量Q2≤20 L/min；铣挖刀头配套液压马达最大工作压力不大于32 MPa、控制流量Q3≤60 L/min。因此，各液压马达控制阀也可以按照Q=50 L/min进行选型。

3）液压泵主要参数 水下掘进机器人在作业时，最大流量使用场景为4个支撑臂同时以最大速度工作，该工况下系统最大使用流量为200 L/min，但实际上支撑臂无需以最大速度工作，只要在允许时间内抵住井壁即可；而铣挖刀头在作业时，最多有铣挖刀头液压马达、伸缩臂驱动液压马达和摆幅机构液压马达同时动作，因此可以考虑按照最大系统流量150 L/min进行液压泵的参数计算。液压泵排量V计算公式为

式中：n为工作转速，n=2 200 r/min；为液压泵容积效率，ɳ=0.95；Qm为系统最大流量，Qm=150 L/min，所以V=71 mL/r。

因此，选择排量为71 mL/r规格的负载敏感泵，同时可以液压泵工作转速选择相应型号的电动机。

3 现场调试与应用

在完成整机装配后，开始进行液压系统的调试和整机的现场应用，如图9所示。液压系统调试过程中，液压系统各部分运行状况良好，各机构动作平稳、流畅。经过初步液压系统和电控系统的调试，回转驱动液压马达、摆幅机构驱动液压缸、伸缩臂液压缸可以实现闭环控制，控制精度在10 mm左右。

图9 水下开挖机器人

当调试结束后，水下开挖机器人投入某工程项目作业中。在一个点位作业过程中，伸缩臂驱动液压缸压力始终能保持在预定范围内，铣挖过程中系统最高压力达到26.4 MPa，在系统工作压力之内，基本达到工程设计预期。

4 结论

1）综合分析水下开挖机器人支撑臂、回转驱动、摆幅机构、伸缩臂等机构的负载特性，通过理论计算和仿真分析的方法求解出各执行元件的负载值。

2）对工程机械常用的液压系统类型和特点进行分析，结合水下开挖机器人特点，采用负载敏感系统中的LUDV系统作为其液压驱动系统。

3）对机器人液压系统进行现场调试和应用，结果表明：机器人各液压子系统运行良好，且在实际应用能够达到预期的设计效果。