搬运机械臂液压系统设计和元件选型研究

董 娟

（江苏省通州中等专业学校，通州 226300）

液压传动技术在原有传动控制基础上得到进一步优化发展，具有运行效能高、方便控制、操作简单的优点。液压机械臂广泛应用于生产实践中，能够支持连续稳定作业，提高生产自动化水平和生产效率。因此，应基于原有传动控制技术，促进现代机械结构的不断优化创新，实现现代控制技术的进一步发展。

1 搬运机械臂液压系统设计

此次设计中的机械臂为专门用于搬运的机械臂，拥有相对固定的动作节拍，运行环境温度高，因此需要机械臂维持稳定的驱动系统性能，提升定位精度，具体设计要求如下。第一，机械臂运行环境相对恶劣，因此对机械臂的稳定性和精密性要求较高，确保油液温度不会过度影响系统的传动过程，延长机械臂的运行时间。第二，搬运工件重量较大，机械臂实际运行中需要保持良好的稳定性和安全性，保证液压系统维持稳定流量，降低液压冲击。第三，为进一步改善节能效果，机械臂应结合实际运行工况，参考外部负载力波动，合理控制变量泵输出，灵活调节输出压力，控制液压回路内部的压力能损失，实现节能目标。

1.1 机械臂手爪液压回路设计

机械臂手爪对应抓握主要经手爪液压缸部件伸缩实现操作。结合手爪受力状况，为确保机械臂在抓到锻件后维持稳定状态，避免其他动作影响而掉落工件，需要将液压锁添加到手爪液压回路。液压回路具体操作原理如图1 所示。

图1 手爪伸缩液压回路

此次设计中机械臂手爪液压缸对应伸缩速度为0.05 m·s-1，伸缩量为50 mm，耗时1 s，手爪收缩夹紧中对应回路流量为4.5 L·min-1，手爪伸出松开中基础回路流量为5.9 L·min-1。在手爪液压缸伸出中，由于液压回油路直接回油箱，背压值相对较低，该条件下应缩小回路压强[1]。手爪夹紧中，将杆腔作为工作腔，活塞杆受拉，则工作压强公式为

式中：P1、P2分别为无杆腔和有杆腔的运行压强；F为液压缸实际运行荷载；A1、A2分别为无杆腔和有杆腔的工作面积。

代入相关参数值，可得P2为0.90 MPa。

1.2 手腕旋转部分液压回路设计

机械臂手腕旋转主要通过液压马达驱动，液压回路除了需要确保液压马达实施正反转外，还应将比例方向阀布置在中位。手腕不会受到其他因素影响而产生突变，因此需要合理增设液控单向阀，以预防相关问题出现。回转马达基础流量qs的计算公式为

式中：Vs为液压马达对应排量；ηs为液压马达对应机械效率；ns为液压马达实际转速。

1.3 手臂伸缩部分液压回路设计

此次设计中，液压系统主要将变量泵当作动力传输元件，并包含负载敏感调控，设置容积节流调速回路。计算手臂缓慢伸出中，对应回路流量为9.35 L·min-1，快速收回手臂中，对应回路流量达到12.9 L·min-1。在手臂向外延伸中，液压回路结构较为简单，因此不会形成过大背压值，可以忽略不计。在液压缸伸出活动中，通过计算可得P1为1.40 MPa。在手臂收回运动中，通过计算可得P2为1.38 MPa。

1.4 主体升降部分液压回路设计

将外控平衡阀加入升降液压回路，基于控制压力操控平衡阀启闭，与负载无关，且拥有良好的密封性[2]。结合机械臂运行工况和设计要求，机械臂抬升50 mm，速度为0.05 m·s-1，耗时1 s。机械臂在抬升运动中，计算回路流量为15.1 L·min-1，机械臂下落操作中，回路流量为11.3 L·min-1。

机械臂负载提高后，由于液压回油路结构相对简单，不会形成过高背压值，可以直接忽略。机械臂保持负载平稳抬升中，运行压强P1为2.40 MPa。在机械臂维持负载平稳下落操作中，运行压强P2为1.62 MPa。机械臂在空载状态下平稳抬升中，运行压强P1为1.89 MPa。

1.5 腰部回转部分液压回路设计

综合分析机械臂腰部回转液压回路的相关性能和动作要求，设计液压回路如图2 所示。

图2 腰部回转液压回路

因为机械臂整体结构规模较大，会形成较高的回转惯性扭矩，所以回路内需要额外增设双溢流阀组支持双向制动，发挥良好的缓冲功能。实际制动操作中，马达一侧压强提升，另一侧会产生负压现象[3]。该条件下，溢流油液得到补充，促进马达制动。

2 搬运机械臂液压系统元件选型

2.1 液压泵选型

液压系统设计结束后，针对基础液压执行元件进行理论计算，并针对液压系统内其他液压元件进行综合选型计算。液压泵最高运行压强为

式中：pmax为液压泵最高运行压强；p1为执行元件最高运行压强；∑Δp为液压管路损失。在液压系统内，最高压强分布于回转马达中，结合液压马达选型判断最高运行压强。在实际运行中，液压系统形成的动态压强远远超出系统静态压强，同时液压泵存在相应的压强储备，因此将初始压强值设置为8 MPa。在实际操作中，专门搬运机械臂各项动作呈现递进关系，各个执行元件实施衔接运动，没有复合运动，腰部回转马达部位形成最大流量，为14.5 L·min-1。系统泄漏系数设置为1.2，计算得到液压泵相关输出流量为17.4 L·min-1。

液压泵和驱动电机选型中，结合液压泵实际运行中的流量和压强需求，液压泵需要设置相应压强储备，因此选择A10VSO18DRG 型变量柱塞泵。该液压泵中设置了可调节斜盘，能够利用斜盘对液压系统内部流量实施无级调节，设置斜盘摆角指示器，提高操作直观性[4]。此次主要选用Y2-123M-4 型异步电动机，设置额定功率为7.5 kW，设置额定转速为1 440 r·min-1。

2.2 其他液压元件选型

在阀类元件选型设计中，主要根据对应阀门流经最高压力值和流量值来确定。在溢流阀选型中，需要按照液压泵输出最大流量进行设计。综合考虑最低稳定流量选择流量控制阀，确保满足系统操作性能要求，辅助设备操作。针对控制法选型，需要留出充足压力储备以及流量。液压元件选型设计会直接影响整个机械臂操作的稳定性和综合性能，其中节流阀、压力补偿阀两者串联结构可作为流量控制阀[5]。根据系统设计的计算结果，确定液压元件选型，如表1 所示。

表1 液压元件选型

3 结语

搬运机械臂能够取代人力进行搬运工作，不但可以提高整体生产效率，同时能降低人员操作中的安全风险。为此，需要深入研究搬运机械臂相关液压系统，挖掘其中的缺陷问题，明确能量浪费的根源，进行优化设计，创新液压系统，实现节能目标。