FAST工程新型液壓促動器研制及性能分析

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(1.天津優(yōu)瑞納斯液壓機械有限公司， 天津 300385； 2. 天津大學 機械工程學院， 天津 300072)

引言

500 m口徑球面射電望遠鏡(500 m Aperture Spherical Radio Telescope)簡稱FAST工程，隸屬于中國“十一五”重大科學工程工程[1,2]。該工程主要由主動反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)測量與控制系統(tǒng)、接收機與終端系統(tǒng)組成[3]。主動反射面的支撐結(jié)構(gòu)整體索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由圈梁、主索網(wǎng)、下拉索、三角形反射面單元、促動器和地錨構(gòu)成。主索網(wǎng)安裝在環(huán)形圈梁上，主索網(wǎng)之上鋪設(shè)三角形反射面單元，各三角形的頂點都由索網(wǎng)節(jié)點通過下拉索與安裝在地面上的促動器連結(jié)[4]。在實際觀測時，根據(jù)天體的角度和主動反射面的實時形狀，對相關(guān)的促動器進行實時控制，在射電源方向上形成300 m口徑的瞬時拋物面匯聚電磁波。

1 促動器的研究現(xiàn)狀及問題

目前，促動器按能源形式分為氣動式、機械式和液壓式三大類。余正洋等設(shè)計了一種氣體力促動器， 試驗結(jié)果表明該促動器輸出力在±100 N范圍內(nèi)精度可達0.05 N，但是其分析過程均是在低壓情況下進行的，輸出功率小，體積大[5]。李寧等提出了變頻器、電機、蝸輪蝸桿、滾珠絲杠傳動的機械式促動器設(shè)計方案，整體質(zhì)量和體積會隨著負載的增加而增大[6]。陸震等提出利用Sarrus機構(gòu)有效地解決反射面邊緣單元側(cè)滑問題，但是其機械結(jié)構(gòu)復雜，批量應(yīng)用較困難[7]。

液壓促動器具有體積緊湊、輸出功率大、往復運動方便的優(yōu)點。現(xiàn)有的液壓促動器集成度都不高，液壓缸、油源、電氣控制系統(tǒng)分離布置，系統(tǒng)不封閉，容易漏油，不便于野外使用。促動器的主要目的是提供動力，滿足精度要求和使用要求，希望其尺寸緊湊小巧，能夠以類似于機械產(chǎn)品中的“標準件”進行選配、安裝和使用。基于上述思想，本研究提出一種應(yīng)用于FAST工程的新型液壓促動器。

2 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計

液壓促動器按控制形式分為閥控形式和泵控形式。泵控形式的促動器避免了節(jié)流損失，降低了系統(tǒng)發(fā)熱現(xiàn)象，能夠承受長期高速換向要求，滿足主動反射面系統(tǒng)對促動器綠色、節(jié)能的特點。FAST用液壓促動器的液壓系統(tǒng)采用的是泵控非對稱液壓缸的形式，其工作原理如圖1所示[8]。其工作原理和特點與傳統(tǒng)的電液泵控差動液壓缸系統(tǒng)有著明顯不同。這種液壓促動器的無桿腔等效為油箱，壓力約為0。

圖1 液壓促動器工作原理

2.1 安裝和調(diào)試狀態(tài)

當活塞桿伸出時，兩個電磁閥均通電，液壓缸的無桿腔和有桿腔接通，為非對稱連接狀態(tài)，電機反轉(zhuǎn)(逆時針)，活塞桿差動輸出。當活塞桿縮回時，兩個電磁閥均斷電，電機仍然反轉(zhuǎn)，液壓油經(jīng)過液壓泵4和液控單向閥YDF流入有桿腔，無桿腔的油液流回油箱。此外，該液壓促動器預(yù)設(shè)有快換接頭和配套的手動泵以便適應(yīng)初始安裝和后續(xù)維護的需要。

2.2 換源和跟蹤狀態(tài)

正常工作時，液壓促動器需要執(zhí)行換源或跟蹤操作。此時，兩個電磁閥均處于斷電狀態(tài)。活塞桿始終受到外負載給予的拉力作用。

當活塞桿伸出時，電機正轉(zhuǎn)(順時針)，泵口壓力升高，YDF在控制油的作用下開啟。油液從有桿腔經(jīng)過YDF、4、背壓閥YL3流入無桿腔。由于液壓缸兩腔面積不對稱，另一部分油液從油箱補充到無桿腔。當活塞桿縮回時，電機反轉(zhuǎn)，液壓泵向有桿腔供油，無桿腔的液壓油返回油箱。

2.3 其他功能狀態(tài)

主動反射面系統(tǒng)要求促動器除了能夠?qū)崿F(xiàn)上述基本功能之外，還包括以下四種基本功能狀態(tài)：

(1) 載保護功能：換源或跟蹤時，當外負載超過設(shè)計的極限荷載時，YDF關(guān)閉，使液壓泵與有桿腔相隔絕，從而保護泵和電機；安全閥YL2開啟，活塞桿在外負載作用下被拉出，實現(xiàn)對液壓缸缸體和下拉索的保護；

(2) 源保位：當電機停止運行時，YDF保持關(guān)閉狀態(tài)，非對稱液壓缸被鎖死，對位置進行保持；

(3) 位保護功能：通過位移傳感器2將位置信號反饋給控制器，當液壓缸的活塞桿到達極限位置時控制器執(zhí)行停止命令，使電機停轉(zhuǎn)；

(4) 負載隨動：當突然出現(xiàn)故障時，一方面YDF關(guān)閉，使得液壓泵與有桿腔相隔絕，保護泵和電機；另一方面DC1通電、DC2仍然保持斷電狀態(tài)，有桿腔和無桿腔都與油箱連通，液壓促動器在外負載的作用下進行伸出或縮回，避免出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

3 液壓促動器的集成化結(jié)構(gòu)

液壓促動器的機械結(jié)構(gòu)布局如圖2所示，其中集成化的閥塊將圖1中的DC1、DC2 、溢流閥(YL1、YL2、YL3、YDF)、單向閥(DF1、DF2、DF3、DF4)、過濾器Y1、快換接頭S1、壓力傳感器3、溫度傳感器7以及電源和通訊接口集于一身，大大節(jié)省了空間。該液壓促動器自帶液壓油箱，無需額外裝備油液輸送管道和大型的外部控制系統(tǒng)。泵控液壓系統(tǒng)使得促動器的調(diào)節(jié)和換向功能便于實現(xiàn)。位移傳感器將位置信號反饋給控制器，形成閉環(huán)伺服控制，實現(xiàn)自動修正和補償。此外，封閉式的結(jié)構(gòu)使得液壓油免于受到外部環(huán)境的污染，環(huán)境適應(yīng)性強。

4 實際應(yīng)用

如圖3所示為實驗現(xiàn)場圖，所選用國產(chǎn)46#抗磨液壓油，外負載為70 kN的恒定拉力，對液壓促動器的換源和掃描跟蹤性能進行實驗研究。

圖2 促動器的集成化結(jié)構(gòu)

圖3 實驗平臺

4.1 換源實驗

如圖4a、4b所示，設(shè)置活塞桿按照1.6 mm/s 的換源速度運動，往返2個完整回合。實驗結(jié)果表明，液壓促動器能夠以-1.6 ～ +1.6 mm/s的速度正常工作，且換向平穩(wěn)，速度波動小，與FAST 促動器工作要求完全吻合。

4.2 掃面跟蹤實驗

跟蹤工況下的速度變化平緩，要求運動過程中每一受控點的位置誤差不超過0.25 mm。分為普通跟蹤和掃描跟蹤兩種模式， 其中普通跟蹤時的實際速度在-0.60～+0.60 mm/s范圍內(nèi)變化， 掃描跟蹤時的實際速度在-1.20～+1.20 mm/s范圍內(nèi)變化，故掃描跟蹤又稱為倍速跟蹤，是跟蹤工況下最惡劣的情形，掃描跟蹤的目標曲線如圖5a所示。因此，著重驗證液壓促動器在掃描跟蹤狀態(tài)下的精度，實驗結(jié)果如圖5b所示，在掃描跟蹤時的位置誤差基本保持在0.2 mm之內(nèi)，精度滿足FAST工程要求。

圖4 換源實驗

5 結(jié)論

(1) 針對FAST工程應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計了一種新型的液壓促動器，該促動器集成度高，通過選擇不同面積比的差動缸、設(shè)置相關(guān)閥件(主要是安全閥和背壓閥)的預(yù)設(shè)定值而靈活地適應(yīng)不同大小的負載;

(2) 提出了一種新型的泵控差動缸系統(tǒng)，通過控制差動缸的有桿腔壓力實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行， 其控制

圖5 掃描跟蹤實驗

方式簡單，易于工程實現(xiàn)。此外，采用泵控形式可以減少熱量，節(jié)約能源；

(3) 實驗驗證了液壓促動器的換源和掃描跟蹤性能，結(jié)果表明該促動器的工作性能穩(wěn)定，換源平穩(wěn)，跟蹤誤差小，滿足FAST工程要求，具有良好的實用性。

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[8] 天津優(yōu)瑞納斯液壓機械有限公司.液壓促動器:中國，103307059A[P].2013-09-18.