5自由度升掛車液壓系統設計

張曉偉 杜 方 王征宇

（凱邁（洛陽）測控有限公司，洛陽 471003）

升掛車液壓系統的性能直接影響升掛車的掛裝效率[1-2]。傳統的升掛車采用手搖和人工參與的方式實現掛裝操作，費時費力且效率低下。因此，介紹一種電液控制方式的5自由度升掛車，以實現產品升降、縱移、橫移、俯仰以及偏航5自由度姿態調整。它的液壓系統主要由油源、升降機構和掛裝平臺3部分組成。其中：油源可為系統提供動力；升降機構用于實現負載升降運動；掛裝平臺用于實現負載縱移、橫移、俯仰及偏航姿態調整[3]。

1 5自由度升掛車液壓系統工作原理

液壓系統主要為5自由度升掛車提供舉升、橫移、縱移、俯仰及偏航運動，主要分為油源、升降機構液壓系統和掛裝平臺液壓系統，工作原理如圖1所示[4]。

2 液壓元件選型設計

2.1 輸入設計

系統輸入設計見表1。

表1 系統輸入設計

2.2 確定系統工作壓強

升掛車升降機構簡圖如圖2所示。

設L2小臂與垂直方向夾角為θ，θ取值范圍為0°～57°（0～1 rad）。當θ為0°時，液壓缸處于水平位置，此時調整平臺位于最低點[5]。

舉升高度X(θ)隨θ變化，函數為：

液壓缸伸長量L(θ)隨θ變化，函數為：

對X(θ)、L(θ)進 行 求 解， 根 據 虛 位 移 原 理G·dX(θ)-F·dL(θ)=0 可得 ：

可見，因為L1=500 mm、L2=200 mm、L3=1 908.7 mm、α=74°、H=526 mm、θ為0～1 rad，所以舉升缸推力與θ的變化曲線如圖3所示。

當θ=1 rad時，最大推力為Fmax=11.03G。考慮到各鉸鏈處的摩擦，取系數n=1.4，則Fmax=11.03×1.4G=151 kN。

舉升液壓缸采用推缸的形式提供舉升動力，故此舉升缸拉力為151 kN[6]。設活塞直徑為D，活塞桿直徑為d，取舉升液壓缸機械效率ηm=0.9。

取活塞桿直徑D=140 mm、活塞桿直徑d=80 mm、活塞行程S=180 mm，則由可得p=10.9 MPa。

2.3 確定系統工作流量

最快舉升時間為15 s，此時舉升缸活塞運動速度v=12 mm·s-1。取系統泄漏系數K=1.2，則升降機構最大工作流量考慮到掛裝平臺最大工作流量為Q2=3.0 L·min-1，故系統最大工作流量為Q=Q1+Q2=16.3 L·min-1。

2.4 主要元件選型

2.4.1 液壓泵

考慮升降機構與掛裝平臺復合運動的需求，根據系統壓強、升降機構流量和掛裝平臺流量（3 L·min-1）要求，選擇P2GF2/011+GF1/2.2型內嚙合雙聯齒輪泵，工作壓強為 21 MPa、排量為 5 mL·r-1、轉速為 1 450 r·min-1。

2.4.2 電機及配套控制器

設液壓泵的總效率ηp=0.85，則電機功率為

考慮到系統供電48 V、500 Ah蓄電池，結合安裝空間的使用限制，選用XYQD-8.2H型電機，其輸出功率為8.2 kW、額定轉速為2 000 r·min-1、頻率范圍為0～100 Hz。選用FDK5013控制器，其輸出功率為7.5 kW，輸入電壓范圍為直流36～90 V。

3 液壓系統性能驗算

3.1 液壓系統壓強損失驗算

驗算壓強損失的目的在于了解執行元件能否得到所需的工作壓強。

沿程壓強損失?pλ1、管道局部壓強損失?pξ1和閥類元件的局部壓強損失?pv1的計算公式分別為：

于是，系統進油路壓強損失?p1為：

式中：管道局部壓強損失?pξ1是按經驗公式計算的。將相關數據代入式（7），可得?p1=1.77 MPa。

同理，回油路壓強損失?p2為：

將相關數據代入式（8），可得?p2=1.25 MPa。

于是，可以獲得液壓系統總的壓強損失?p為：

將相關數據代入式（9），可得?p=2.6 MPa。

最終，可得液壓泵出口壓強?p為：

將相關數據代入式（10），可得pp=13.5 MPa≤21.0 MPa。

3.2 估算系統效率、發熱和溫升

3.2.1 估算液壓系統效率

液壓回路效率ηC為：

將相關數據代入式（11），可得ηC=0.72。

取液壓泵的總效率ηp為0.85，液壓缸的總效率ηA為0.90，液壓回路效率ηC=0.72，則液壓系統效率η為：

將相關數據代入式（12），可得η=0.55。

因此，升降機構工作時液壓泵的輸入功率PP為：

將相關數據代入式（13），可得PP=6.668 kW≤8.200 kW。

3.2.2 估算系統發熱功率

液壓系統發熱功率?P為：

將相關數據代入式（14），可得?P=3 600 W。

3.2.3 估算系統散熱功率

僅考慮油箱散熱時，散熱功率?P0可按式（12）計算：

式中：k為散熱系數，W·m-2·℃-1；A為油箱散熱面積，m2；t1、t2分別為系統中工作介質溫度和環境溫度，℃。

估算油箱的散熱體積A（a、b、h分別為油箱長、寬、高），有：

將相關數據代入式（16），可得A=0.8 m3。

根據系統散熱條件和溫升要求，取k=15 W·m-2·℃-1、t1-t2=40 ℃，則?P0=15×0.8×40=480 W。

3.2.4 估算系統連續工作時間

考慮油液本身的容熱能力，該系統油量按50 L計算，15號航空液壓油比熱為2 kJ·kg-1·℃-1，則溫升40 ℃時的吸熱量Q為：

將相關數據代入式（17），可得Q=3 200 kJ。

系統中無法由主動散熱系統吸收的發熱功率?P-?P0=3.12 kW，則油液溫升40 ℃時的最長工作時間T為：

將相關數據代入式（18），可得T=17 min>10 min。可見，油液溫升為40℃時可滿足升掛車連續工作要求。

4 結語

文章設計了全新5自由度升掛車液壓系統，并估算了系統性能的相關參數，可為同類液壓系統的原理及選型設計提供參考，也為液壓驅動多自由度運動機構的開發提供借鑒。