水液压阀控摆动缸结构设计及动态性能仿真分析

张 天，葛 卫，聂松林，尹方龙，李开福，贾国涛

(1.北京工业大学 机电学院，北京 100124； 2.北京工业大学先进制造技术北京市重点实验室，北京 100124；3.湖北航天化学技术研究所，湖北襄阳 441003； 4.中船重工七○五研究所昆明分部，云南昆明 650032)

引言

海洋工作环境复杂难明，对其资源的探索开发只能依靠仪器设备。水下机械臂操纵精度高，作业范围广，是理想的勘探设备[1]，液压摆动缸又是水下机械臂最重要的执行机构之一。目前的摆动缸主要依靠油压驱动，存在密封困难、污染环境、易失效和损失大等诸多问题[2]。而以水作为传动介质的阀控缸系统，整个系统为开式回路，油压系统采用封闭式回路无法补偿深海下水压，且回路一旦发生泄漏，除工作失效外还会对海洋生态造成破坏等问题得以解决。因此，研制一种水液压阀控摆动缸系统尤为迫切。

摆动缸结构精简、加工方便，无需轮系等任何变速机构即可将液压能直接转变为转矩，能产出较大扭矩，且转动速度较为平稳，因此是工业应用及海洋勘探装备上理想的执行元件[3]。而叶片式摆动液压缸结构紧凑，质量转矩输出比较大，运行平稳且维护成本低，因而得到大面积推广，国内外大量学者对其进行了深入研究。RANEDA A等[4]研究设计了一种水基摆动液压缸，对关键部位的密封结构提出了改进，并对其性能进行试验验证，证明了以纯水作为传动介质是可行的。日本的神奈川大学研制的一种以水作为传动介质的三液压腔的单叶片摆动缸，使得单叶片摆动缸的主轴轴承受力情况得以根本改善，使以往传统的单叶片摆动缸主轴所特有的径向力作用问题得以解决[5-6]。

吴若麟等[7]建立了阀控摆动缸系统的三大方程，并推导出了固有频率式，研究了其中的4个单参数对系统动态特性的影响，并通过遗传算法迭代循环对阀控缸系统进行参数优化，提高其动态性能。梅鹏等[8]建立了轴配流的水液压摆动缸的MATLAB模型，得到了系统的开环函数Bode图，表明水液压摆动缸的跟随性能良好。孟凡虎等[9]提出了一种神经元PID控制器，对阀控摆动缸调速系统进行了优化。王增等[10]分析出摆动缸泄漏量与压力之间并非呈线性关系，在考虑了缝隙泄漏和轴肩泄漏后，提出了一种改进的泄漏量计算模型，指出叶片的转动角度与泄漏量间存在周期性关系。谢良喜等[11-12]对摆动缸叶片密封进行了一系列的研究，建立了密封面接触应力模型，分析了预压缩量及密封圆角对密封可靠性的影响，并对摆动缸叶片结构进行了优化[13-14]。李树立等[15]基于静压支承技术设计了一种静压支承摆动缸，并分析了影响静压支承负载力的因素。通过试验得出该结构提高了轴向对中精度，减小泄漏量，减小端面磨损[16]。

本研究以水压高速开关阀为控制元件，以水压摆动缸为执行元件，构建水压阀控摆动缸系统，进而驱动单关节机械臂运动[17]。该系统集成化、模块化程度高，由于传动介质是纯水，所以设计成开放式回路，无需压力补偿装置，可与外界环境友好相融，适应性好；通过特定的工业控制设备将脉冲调制信号传输给高速开关阀组，控制阀组的启闭状态，通过高速开关阀组，控制摆动液压缸的精确动作[18]。

1 水压叶片式摆动缸工作原理

本研究采用叶片式结构，以摆动油缸为基础，充分考虑叶片的密封特性以及轴的润滑特性。摆动缸采用17-4PH合金加工制造，避免了水的腐蚀问题。水润滑轴承采用氮化硅陶瓷加工制造，直接用水进行润滑，避免润滑介质泄漏造成油水混合从而引起污染水源等问题。转动叶片和固定叶片采用组合式密封结构，有效降低了内泄漏。在转动叶片和固定叶片的两侧均安装缓冲片，防止转动叶片对固定叶片产生撞击，提高摆动缸工作时的稳定性、可靠性和使用寿命。

水压摆动缸的结构原理如图1所示，图2为水压摆动缸的系统原理图。当水压摆动缸需要正转时，高压水通过Ⅰ口进入左侧工作水腔，压力作用于转动叶片左侧，产生顺时针的转动扭矩，从而驱动转动轴顺时针转动，另一工作水腔的水通过Ⅱ口直接排出。当其需要反转时，高压水通过Ⅱ口进入右侧工作水腔，压力作用于转动叶片右侧，产生逆时针的转动扭矩，从而驱动转动轴逆时针转动，另一工作水腔中的水通过Ⅰ口直接排出。

1.后端盖 2.缸体 3.转动叶片组合密封 4.前端盖 5.定位销6.前浮动盘 7.前法兰 8.转动轴 9.轴承内套 10.轴承外套11.碟簧 12.固定叶片组合密封 13.后浮动盘 14.后法兰图1 水压摆动缸结构图

由于传动介质采用的是水，且水的理化性质要比液压油较差，尤其是润滑及摩擦特性，分子大小也远小于液压油，因此建立起高低压腔压差，保证容积效率就成了水压摆动缸研发的重中之重，其最为关键的一处密封就是叶片与缸体和转动轴之间的密封。采用O形密封圈与超高分子量聚乙烯(UPE)的组合式密封，组合密封示意图如图3所示。

1.过滤器 2.潜水电机 3.水压柱塞泵 4.水压溢流阀5.压力表 6～9.水压高速开关阀 10.水压摆动缸 11.编码器12.负载 13.程序控制器 14.工控机图2 水压摆动缸系统原理图

1.超高分子量聚乙烯环 2.密封挡块 3.O形圈图3 组合密封示意图

其工作机理是：采用了软硬结合配对的组合密封方式，一般对于转动副密封来说，密封圈沟槽要在O形圈装入时使密封圈产生5%～10%的预压缩量，这样在密封面将形成初始接触应力。密封结构外层是一圈UPE材料，通过O形圈产生的初始形变的回弹力与摆动缸内壁紧密贴合在一起，当工作腔压力升高，O形圈变形越大，加载在UPE材料上的作用力就越大，由负载压力自发调节贴紧程度，使得密封越可靠。且UPE材料在水中的自润滑性能较好，不会产生过大的摩擦力降低摆动缸的机械效率。但水的理化特性较差，所以对密封元件的加工精度要求较高，且需视工作时长及时更换密封元件。

2 阀控缸系统仿真模型

图4所示为单个水压高速开关阀的AMESim仿真模型，压力源提供10 MPa的恒定压力，通过2条通路作用于锥阀阀芯的左端和摩擦力模型右端。当音圈电机反向通电时，利用吸力使得阀口打开。

图4 水压高速开关阀AMESim仿真模型

图5为水压摆动缸的AMESim模型，虚线框中的部分为摆动缸叶片与缸体间摩擦力矩的简化模型，摩擦力矩采用了库伦摩擦模型，并考虑了摆动缸的内泄漏，采用了间隙泄漏模型，通过逻辑函数和角度控制信号模拟摆动缸的负载，采用固定角度采样的信号设置角速度和角位移传感器，以仿真摆动缸的摆动跟随特性。泵站通过溢流阀和单向定量泵来输出恒定压力，通过对伺服阀的输入信号来控制摆动缸的动作。

图5 水压摆动缸AMESim仿真模型

图6 水压阀控缸系统AMESim仿真模型

根据高速开关阀控摆动缸系统原理建立AMESim仿真模型，如图6所示。压力源提供10 MPa的恒定压力，由4个高速开关阀联合控制摆动缸的转动，能实现摆动角的精准控制，通过角速度传感器施加转矩和摆动缸角度信号的测量，通过输入转动角度信号与实际测量角度信号的比较，然后通过阀1～4的开启和关闭开控制摆动缸的转动角度。阀1、阀3开启，阀2、阀4关闭，则摆动缸右转；阀2、阀4开启，阀1、阀3关闭，则摆动缸左转；阀1～阀4同时关闭，则摆动缸停止。

阀控缸系统AMESim仿真模型中，阀控缸系统仿真模型各个元件的主要参数如表1所示。用表中参数建立仿真模型，分析系统的各个元件参数(如排量、泄漏系数、水压等)对阀控缸动态性能的影响，以达到优化该系统参数的目的。

表1 元件主要参数表

3 摆动缸系统动态特性仿真分析

3.1 批处理单参数对阀控缸系统跟随性能的影响

1) 排量

保证摆动缸转角输入信号和其他参数不变，设定摆动缸排量分别为0.5，1.1，1.5，2.0 L/r。设定仿真时间为40 s，仿真步长取0.01 s，可得到摆动缸转角位置α跟随曲线，如图7所示。

从图7中可以看出，随着摆动缸排量的增大，摆动缸到达指定角度时的振荡幅度越小；当摆动缸排量大于1.1 L/r后，摆动缸到达指定角度时的振荡幅度基本不变，满足摆动缸的设计基本要求。

图7 不同排量下摆动缸转角位置跟随曲线

2) 泄漏系数

保证摆动缸转角输入信号和其他参数不变，设定摆动缸泄漏系数分别为0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 L·MPa/min。设定仿真时间为40 s，仿真步长取0.01 s，可得到摆动缸转角位置跟随曲线，如图8所示。

随着摆动缸泄漏系数的增大，摆动缸到达指定角度时的振荡幅度基本不变，但摆动缸跟随性能变差。而随着摆动缸泄漏系数的增大，摆动缸内泄漏量增大，容积效率大大降低。因此，对摆动缸密封的设计是研制摆动缸的一个关键因素。

3) 水源压力

保证摆动缸转角输入信号和其他参数不变，设定摆动缸水源压力分别为2.5，3.0，5.0，7.0 MPa。设定仿真时间为40 s，仿真步长取0.01 s，可得到摆动缸转角曲线，如图9所示，摆动缸的泄漏量如图10所示。

图8 不同泄漏系数下摆动缸转角位置跟随曲线

从图9中可以看出，负载为450 N·m时，启动压力在2.5～3.0 MPa之间，随着压力的增大，摆动缸到达指定角度时的振荡幅度基本不变。图10显示了摆动缸从2.5～7.0 MPa的内泄漏量变化曲线，在p=2.5 MPa时，摆动缸未启动，所以其泄漏量是一个恒定的正值(此处正负仅表示泄漏通道方向)，当压力大于启动压力后，摆动缸开始做往复回转运动，泄漏方向随着转动方向的改变而变化。随着压力的增大，摆动缸工作腔变形程度加大，动、静叶片处的矩形组合密封工况变得困难，同时前后浮动盘与法兰之间的静密封面临的工作压力也增大，密封圈变形加大导致产生一定缝隙使得摆动缸泄漏量增大，容积效率大大降低。因此保证缸体和前后端盖的刚度也是水压摆动缸设计的重要因素。

3.2 基于MATLAB/Simulink的阀控缸联合仿真

由于AMESim与Simulink有很好的相互兼容性，所以在AMESim中建立阀控摆动缸的仿真模型，并设置边界条件与响应参数，经编译后生成能被Simulink直接调用的“S函数”。这样既可在Simulink中进行阀控缸系统的联合仿真，仿真结果曲线可以在示波器中显示，也可以在AMESim中调出进行分析。这样高集成化、模块化的联合仿真方式可以更加直观的实时显示输出信号，增强了搭建模型的精确性，提高了仿真工作的便利性。

图9 不同水源压力下摆动缸转角位置跟随曲线

最终在Simulink中搭建的PID控制模型如图11所示。PID控制器有3个参数决定最终输出的控制量和系统的控制性能。通过对比分析，选取PID控制器的经验参数为6，0.1，0.1。给系统加载的压力为10 MPa，在10 s时给系统1个转角100°的阶跃信号，运行仿真，传统PID控制下的阶跃响应曲线如图12所示，系统经约0.51 s达到稳态，但经过PID控制器的预调与修正后，系统的超调振荡有所减小。在实际应用中除了研究系统的阶跃响应特性外，还需研究系统的跟随性能。系统输入幅值为220°，周期为10 s的类正弦信号，摆动缸的转角位置跟随曲线如图13所示，滞后时间约为0.1 s，转角的最大跟随误差约为2°。

图10 摆动缸内泄漏量变化曲线

图11 PID控制模型

分析上图可得，加入PID控制器后阀控摆动缸系统的动态性能得到一定的改善，响应虽有一些滞后，但总体上满足摆动缸设计需求，此外系统振荡降低，抗干扰能力提高，通过精确模型仿真得出其跟随特性良好。

4 结论

对以水作为传动介质的液压摆动缸进行了结构设计，并研究了水基摆动液压缸的泄漏通道，对关键部位提出了一种密封方案；搭建水压阀控摆动缸系统，运用AMESim和MATLAB仿真软件分析会对系统动态响应性能产生影响的因素，并在系统上加入PID控制器后，得出以下结论：

图12 水压摆动缸阶跃响应曲线

图13 水压摆动缸转角位置跟随曲线

(1) 通过对AMESim中批处理的单参数影响分析，随着排量增大，摆动缸振荡幅度减小；若增大泄漏系数，则振荡幅度基本没有变化，但泄漏量增大导致容积效率大大降低；在负载为450 N·m时，启动水压力在2.5～3.0 MPa之间；

(2) 利用了AMESim和Simulink联合仿真技术，将在AMESim中建立的数学模型导入Simulink中，在传统MATLAB仿真中高精度模型难以建立的问题得以解决，并在模型中加入PID控制器，结果表明系统的超调振荡减小，抗干扰能力增强，为提高系统的动态性能提供了思路；

(3) 采用纯水作为传动介质，因此要着重研究关键结构的密封方案，本研究采用软硬配对的组合式密封，可以根据水压自补偿密封面接触应力，防止摩擦力矩过大导致缸爬行，影响摆动缸的机械效率，但后续的介质腐蚀与转动副磨损问题仍需进一步研究。