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履带式水仓清挖机器人液压系统分析.pdf
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1、针对当前机械清挖存在的功能单一、体积庞大、自动化程度低、操作人多的缺点,设计一种水仓清挖机器人,并对其行走单元的液压系统进行仿真分析。仿真分析平地直行、转向、爬坡等工况下的动态特性,结果表明清仓机器人的行走单元能够按照工况要求完成指定动作,行驶过程中不受外界阻力变化影响,同时各个执行器能够独立工作互不干扰,体现了良好的抗流量饱和能力。此外,还模拟了负载敏感系统和定量泵节流调速系统的节能效率,结果表明负载敏感系统的效率更高,节省的能量更多。关键词:水仓清挖机器人;负载敏感系统;履带行走机构;节能中图分类号:,(,;,):,:;前言煤矿井下水仓和煤泥水沉淀池是煤矿安全生产的重要保证。矿井水是伴随煤
2、炭开采产生过程的必然产物,矿井水中颗粒在主副水仓等待排水过程中会形成沉淀沉积,占用主副水仓的有效容积,严重影响主副水仓的储水量,给矿井带来潜在危险,必须清理。而传统的水仓清理方式需要的人力和物力巨大,并且劳动强度高、工作效率低,不能很好地满足生产需要。针对当前机械清挖存在的功能单一、体积庞大、自动化程度低、操作人多的缺点,本文作者设计一种水仓清挖机器人,以实现集煤泥清挖、煤泥脱水和煤泥连续输送一体化的高效煤泥清理。水仓清挖机器人系统组成水仓清挖机器人的三维图如图 所示,主要包括上料机构、升降油缸、回转油缸、行走机构、振动筛、二次构造泵、液压站、控制台。具体工作过程如下:绞龙把煤泥绞入到输送通道
3、中,然后通过通道内的链条和挡板把煤泥输送到脱水振动筛中,随后激振器振动,把脱完水的煤泥送入二次构造泵的搅拌箱中,最后经由二次构造泵把煤泥排入输送管道,运向煤泥处理站。图 水仓清挖机器人三维图 液压系统组成及原理水仓清挖机器人的行走单元使用液压传动控制,液压系统内的执行元件包括绞龙升降油缸、回转油缸、左右履带马达。绞龙升降油缸可以控制上料机构的上下抬升角度,回转油缸可以控制上料机构的左右摆动角度,这样可以灵活地控制输入煤泥的方位。同时左右履带马达可以控制整车的履带行走。行走机构液压系统如图 所示。传统的履带清仓装置的行走液压系统大多具有多个泵源,单泵驱动单执行器,液压系统设计复杂、操作繁琐,且系
4、统能耗巨大。针对这些问题,此系统选用负载敏感泵,配套 型多路换向阀,单泵驱动多执行器,每一路执行器的负载压力经过梭阀选择后将最高的负载压力信号传至变量泵的负载敏感接口,再经过泵的变量机构调节,使变量泵的输出压力和流量与系统相匹配,从而实现系统节能。图 行走机构液压系统 液压系统建模仿真分析基于液压仿真平台,搭建的模型如图 所示。此模型包括左右行走马达和绞龙升降油缸,因回转油缸参数和升降油缸参数基本相同,故只取一组油缸进行仿真分析。行走单元仿真分析根据设计要求:电机选择四级电机,转速为 ;泵选择力士乐 负载敏感泵,可通过的最大流量为 ;行走马达选择 马达减速机,马达的流量为 ;选择的绞龙升降油缸
5、活塞直径为 ,活塞杆直径为 ;升降油缸质量为 ,根据,取重力加速度为 ,计算出油缸推力大约为 ;选择的升降油缸流量为 ,油缸的推出速度暂定为 。履带行走阻力分析煤矿井下水仓和煤泥水沉淀池路况较复杂,其中煤泥和土混合,路面土质较为松软,故水仓清挖机器人要在比较恶劣的地面上施工作业,行走阻力分布比较复杂,不能忽略。机床与液压第 卷图 多执行器履带行走液压系统 模型 履 带 接 地 核 心 区 域 的 条 件:整 车 重 心 在 ,其中 是履带的接地长度;是两履带中心距;是整车重心纵向偏移量;是整车重心横向偏移量。已知 ,取 ,。平地直行工况行走阻力分析(代表横向偏移量)其中:为单侧履带直行阻力;为
6、整车重力,重力加速度 ;行走阻力系数 。计算得 。平地转弯工况行走阻力分析外侧履带转弯行驶阻力为 其中:履带弯曲阻力系数 ;履带的长宽比 。计算得到 。坡道直行工况行走阻力分析单侧履带爬坡阻力为()式中:为滚动阻力;为坡度阻力;为坡度,取行走坡度 分别为、。得到 ,。内阻力、惯性阻力、空气阻力分析分配到单边履带的运行内阻力内 分配到单边履带的惯性阻力惯 分配到单边履带的空气阻力 其中:为空气阻力系数;为履带行走速度;为清仓机器人有效受风面积;为空气密度。履带行走机构总阻力将 内、惯、加到各工况行走阻力中,得出最终的行驶阻力为直行内惯 转弯内惯 坡内惯 坡内惯 坡内惯 液压马达与驱动轮之间会借助
7、一系列中间过渡环节,将承载能力小、低扭矩的高速液压马达与系统参数进行匹配。选择蜗轮蜗杆减速器为中间减速器,减速比为 ,驱动轮与马达的连接如图 所示。其中马达输出轴与蜗杆相连,经过蜗轮蜗杆减速后,驱动轮把力传递到履带上。把阻力等效到圆周力 上,第 期段祯 等:履带式水仓清挖机器人液压系统分析 计算得出作用到马达轴上的圆周阻力。图 驱动轮与马达连接 由 ,(),得出 。其中、分别为作用到蜗杆、蜗轮、驱动轮 的阻力矩,为减速比,为蜗轮蜗杆的啮合效率,驱动轮分度圆直径 ,蜗杆分度圆直径 。将直行、转弯、坡、坡代入到 中,得到作用在马达轴上的阻力为:直行 ,转弯 ,坡 ,坡 ,坡 。平地直行工况仿真分析
8、模拟清仓机器人初始静止,匀加速一段时间后匀速行驶,行驶一段时间后,开始匀减速,直至静止,对应行驶过程中的启动、匀速、制动工况。启动负载敏感泵,控制左右马达的多路阀 在中位工作,在 后阀芯接收信号开始移动,时阀口完全打开,多路阀右位工作,在 时阀口开始关闭,经过 后,阀口完全关闭。对应工况为 静止,启动,匀速运动,制动,静止。马达上承受的行驶阻力和马达转速如图()所示,马达压力和流量如图 ()所示。图 平地直行工况仿真分析 :();()在起步阶段,泵启动而多路阀阀口没有开启,此时泵出口出现较小压力。在 时打开多路阀阀口后,压力先降低后迅速升高,此时行驶阻力较高,液压回路出现大的液压冲击。在正常工
9、作后,负载压力和流量保持不变。平地转向工况仿真分析清仓机器人的转向方式有 种:一种是一侧履带制动,另一侧履带正常行驶实现两侧履带差速转向;另一种是两侧履带向不同方向行驶实现原地转向。单边转向工况仿真分析模拟清仓机器人单边转向,外侧马达正常工作,内侧马达制动。控制马达的外侧多路阀施加的信号和平地直行工况一致,内侧多路阀在中位工作。外侧马达上承受的行驶阻力和马达转速如图 ()所示,马达压力和流量如图 ()所示。图 单边转向工况仿真分析 :();()单向转弯工况的行驶阻力比较大,故马达的压力和流量波动比较大,但曲线在波动后迅速回归平稳。原地转向工况仿真分析左右马达转速相同、转向相反,实现原地转向。对
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