CN111810492A - 一种基于蓄能器供能的液压两级油源分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人液压***技术领域，且公开了一种基于蓄能器供能的液压两级油源分析方法，包括建立油源模型；蓄能器根据性能选择为皮囊式蓄能器；对皮囊式蓄能器的性能设立两种假设；对皮囊式蓄能器依据其工作状态和假设建立数学模型；对建立好的数学模型进行参数匹配，参数匹配包括蓄能器预充气压力和容积；对低压蓄能器采用最低压力进行仿真验证。本发明通过采用两级蓄能器供能的液压两级油源并结合其分析，可获取液压两级油源中关键元件蓄能器的参数匹配，便于确定高压供油压力和低压供油压力，以使得符合四足机器人液压***供能要求，解决了四足机器人单泵多执行器液压***中伺服阀的节流损失而造成***能耗较高的问题。

Description

一种基于蓄能器供能的液压两级油源分析方法

技术领域

本发明涉及机器人液压***技术领域，具体为一种基于蓄能器供能的液压两级油源分析方法。

背景技术

四足机器人相较于轮式、蠕动式等机器人具有机体结构稳定、运动灵活、受地形限制少等优势，在航空航天、抢险救灾等领域具有广泛的应用前景。液压驱动是四足机器人常用的驱动形式之一，相较于电驱动具有输出力矩大、功率密度高、响应迅速等优势，能够为机器人运动提供强劲的动力。四足机器人液压***多采用单泵多执行器液压***，泵源流量、压力输出与执行器需求严重不匹配，而单泵多执行器液压***属于节流调速***，为兼顾多执行器多工况的运动需求，只能通过节流作用实现流量、压力匹配，液压驱动单元中伺服阀的节流损失是造成***能耗较高的主要原因。本申请提出了两级油源分析方法，旨在解决液压***的能耗问题。

发明内容

针对背景技术中提出的现有单泵多执行器液压***存在的不足，本发明提供了一种基于蓄能器供能的液压两级油源分析方法，具备提供液压两级油源的参数匹配确认方法、便于确定高压供油压力和低压供油压力以降低液压***能耗的优点，解决了上述背景技术中提出的问题。

本发明提供如下技术方案：一种基于蓄能器供能的液压两级油源分析方法，包括以下步骤：

S1、建立油源模型，所述油源模型为基于蓄能器供能的液压两级油源，所述液压两级油源包括低压蓄能器、高压蓄能器、用于向两级蓄能器补油的定量泵、连通于定量泵与油源间的溢流阀、用于***主动泄流的开关阀Ⅰ和用于控制所述低压蓄能器补油的开关阀Ⅱ；

S2、所述蓄能器根据性能选择为皮囊式蓄能器；

S3、对所述皮囊式蓄能器的性能设立两种假设：

1)油液压缩性忽略不计；

2)油液在蓄能器中的流动可认为是层流；

S4、对所述皮囊式蓄能器依据其工作状态和所述假设建立数学模型；

S5、对建立好的所述数学模型进行参数匹配，所述参数匹配包括蓄能器预充气压力和容积；

S6、对所述低压蓄能器采用最低压力进行仿真验证。

优选的，步骤S1中，所述液压两级油源的控制逻辑为：

所述高压蓄能器的补油优先级高于所述低压蓄能器，首先检测高压蓄能器中容量是否处于预设范围，如不在预设范围，则开关阀Ⅰ和开关阀Ⅱ均断开，定量泵向高压蓄能器补油；

当高压蓄能器不需定量泵补油且低压蓄能器压力不处于预设范围内时，定量泵向低压蓄能器补油，同时，在低压蓄能器补油过程中任何时刻***检测到高压蓄能器需要补油，则中断低压蓄能器补油进程，首先响应高压蓄能器补油进程；

当两级蓄能器均不需要补油时，开关阀Ⅰ打开，***主动泄油。

优选的，在步骤S4中，建立所述数学模型包括：

根据步骤S3中所述假设获取蓄能器的力平衡方程；将蓄能器中气体的状态方程在蓄能器的工作点附近进行泰勒展开并忽略二次及以上高阶项，结合流体流量连续性方程并进行拉普拉斯变换获得蓄能器的数学模型。

优选的，对获取的所述蓄能器的数学模型进行简化，简化原则为液压***中元件固有频率为***固有频率的4-5倍。

优选的，在步骤S5中，所述参数匹配原则为：

1)低压蓄能器至少能独立完成设备最大速度运动时所有液压驱动单元两个周期的油液供应；

2)高压蓄能器至少能独立完成设备最大速度运动时所有液压驱动单元一个周期的油液供应；

3)蓄能器的体积和质量尽可能小；

4)蓄能器的工作压力尽可能稳定。

本发明具备以下有益效果：

本发明通过采用两级蓄能器供能的液压两级油源并结合其分析，可获取液压两级油源中关键元件蓄能器的参数匹配，便于确定高压供油压力和低压供油压力，以使得符合四足机器人液压***供能要求，解决了四足机器人单泵多执行器液压***中伺服阀的节流损失而造成***能耗较高的问题，填补了国内关于此项技术的空白。

附图说明

图1为本发明液压两级油源结构；

图2为本发明液压两级油源仿真模型。

图中：1、开关阀Ⅰ；2、开关阀Ⅱ；3、定量泵；4、溢流阀；5、高压蓄能器；6、低压蓄能器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，一种基于蓄能器供能的液压两级油源分析方法，首先，需要说明的是，本发明对于四足机器人的供能分析，对于蓄能器供能是可行的。

(1)蓄能器在充油与排油过程中气体被压缩程度不同，蓄能器中油液压力也在不断变化。当蓄能器工作循环小于3min时，可认为蓄能器在绝热条件下工作。经查阅资料，蓄能器在作为辅助动力源时，充气压力应低于90％的最低工作压力，且高于25％的最高工作压力。此时，蓄能器中压力变化范围不超过工作压力的20％，符合液压驱动单元的供能要求；(2)蓄能器在存储和释放能量过程中，能量损失很少，完全符合降低四足机器人液压***能耗的要求；(3)经过合理的参数选择，蓄能器的体积、重量以及容量均能够满足四足机器人液压***要求。

参阅图1，为解决变量泵质量较大以及在供能过程中的脉动问题，设计基于蓄能器供能的液压两级油源，基于蓄能器供能的液压两级油源采用定量泵3为蓄能器补充油液。基于蓄能器供能的液压两级油源中还包含开关阀Ⅰ1、开关阀Ⅱ2、定量泵3、溢流阀4、高压蓄能器5、低压蓄能器6等元件。基于蓄能器供能的液压两级油源中定量泵3仅用于向两级蓄能器补油而不直接参与供油，当***检测到两级蓄能器中任意一级超出设定的压力或流量范围，则通过控制两个开关阀向蓄能器补油。开关阀Ⅰ1主要作用为：当两级蓄能器均不需要定量泵3补油时主动泄油，防止定量泵3供给的油液流经溢流阀4产生溢流损失。这种设计使得定量泵3的溢流流量通过开关阀Ⅰ1无压差泄油，只存在极小的搅油损失。

液压两级油源的具体控制逻辑为：

1)高压蓄能器5的补油优先级高于低压蓄能器6，首先检测高压蓄能器5中容量是否处于预设范围，如不在预设范围，则开关阀Ⅰ1和开关阀Ⅱ2均断开，定量泵3向高压蓄能器5补油；

2)当高压蓄能器5不需定量泵3补油且低压蓄能器6压力不处于预设范围内时，定量泵3向低压蓄能器6补油，同时，在低压蓄能器6补油过程中任何时刻***检测到高压蓄能器5需要补油，则中断低压蓄能器6补油进程，首先响应高压蓄能器5补油进程；

3)当两级蓄能器均不需要补油时，开关阀Ⅰ1打开，***主动泄油。

皮囊式蓄能器作为一种能够存储和释放液压能的装置，在使用之前应充入一定压力、体积的气体，其工作过程可分为以下两个阶段：

蓄能器充油阶段(储能阶段)：当蓄能器处于充油阶段时，***中油液位于蓄能器隔层下部，由于***压力逐渐升高，蓄能器中油液压力也随之升高。当皮囊中气体压力小于油液压力时，***中的油液会不断进入蓄能器中。随着蓄能器中气体逐渐被压缩，气体压力逐渐上升，当气体压力与油液压力平衡时，蓄能器充油阶段结束。此时，蓄能器中气体压力为p₂，体积为V₂；

蓄能器排油阶段(释能阶段)：当***油液压力低于蓄能器中气体压力时，蓄能器中油液不断排出，达到补充***流量的目的。当***压力逐渐升高，***压力与蓄能器中气体压力相当时，达到新的平衡状态，蓄能器排油阶段结束。此时，蓄能器中气体压力为p₁，体积为V₁。

在研究液压两级油源之前必须对蓄能器进行数学建模。蓄能器数学建模过程中的两个假设为：

(1)油液压缩性忽略不计。液压油的体积弹性模量远大于气体的体积弹性模量，因此该假设是合理的；

(2)油液在蓄能器中的流动可认为是层流。因为蓄能器本身容积较大且其出口往往比较粗，使得蓄能器中的油液流动速度较为缓慢，雷诺数较小，可认为是层流。

根据以上两个假设，可写出蓄能器的力平衡方程：

其中，p_load为蓄能器入口处的压力，p_acc为蓄能器中油液压力，A_acc为油液腔等效作用面积，m_acc为油液腔等效质量，b_acc为油液腔等效阻尼系数，q_acc为蓄能器入口流量。

根据流体流量连续性方程，可得：

其中，V_acc为蓄能器的充气体积。

蓄能器中气体的状态方程为：

其中，C为常数，λ为气体多变指数，变化范围为1-1.4，此处取λ＝1.4。

对气体的状态方程在蓄能器的工作点附近进行泰勒展开，并忽略二次及以上高阶项，可得：

λp_accdV_acc＝-V_accdp_acc

将气体的状态方程和泰勒展开式带入流体流量连续性方程中，并进行拉普拉斯变换可得蓄能器的数学模型：

其中，ω_acc为蓄能器的固有频率，

K_acc为蓄能器的刚度，

ξ_acc为蓄能器的等效阻尼系数，

由于液压***中元件的固有频率应为***固有频率的4-5倍，因此，可简化蓄能器的数学模型为：

对蓄能器进行选型时，主要参数为蓄能器预充气压力和容积。除此之外，蓄能器对***的影响因素还有最高压力、最低压力和气体多变指数。参数的选择对蓄能器性能的发挥和延长蓄能器的使用寿命有重要影响，因此，进行蓄能器与***的参数匹配非常有必要。参数匹配的主要原则为：

(1)低压蓄能器6至少能独立完成四足机器人最大速度运动时所有液压驱动单元2个周期的油液供应；

(2)高压蓄能器5至少能独立完成四足机器人最大速度运动时所有液压驱动单元1个周期的油液供应；

(3)蓄能器的体积和质量尽可能小，保证四足机器人有较大负重能力；

(4)蓄能器的工作压力尽可能稳定，保证液压***有较高的效率。

蓄能器在液压两级油源中作为能量储存元件，应最大限度的满足实际工况。同时，体积和质量又不能太大，因此作如下假设：

(1)定量泵3向蓄能器补油时压力冲击很小或没有；

(2)蓄能器中的油液可以完全释放到液压驱动单元中；

(3)蓄能器补油和供能过程中，忽略***内部泄漏；

根据以上假设，并结合液压驱动单元中执行器的参数，可得液压驱动单元一个周期中的油液消耗量V_one为：

V_one＝A_aL+A_bL

A_a、A_b分别为液压缸无杆腔和有杆腔的面积

具体实施在四足机器人中，由于四足机器人腿部关节分为髋侧摆关节、髋纵摆关节和膝关节，且三种类型关节的运动均不相同，可根据四足机器人以最快速度匀速运动时髋侧摆关节、髋纵摆关节和膝关节一个周期中的油液消耗量分别为V_1one、V_2one和V_3one，因此高、低压蓄能器的最小工作容积ΔV_hacc和ΔV_lacc分别为：

ΔV_hacc＝1×4×(V_1one+V_2one+V_3one)

ΔV_lacc＝2×4×(V_1one+V_2one+V_3one)

蓄能器的工作压力主要包含预充气压力p₀、最低压力p₁和最高压力p₂。其中，四足机器人液压***中蓄能器的最低工作压力确定的主要参考依据为外界负载力的大小，假如蓄能器提供的工作压力小于液压驱动单元需求，则液压驱动单元将无法正常工作，甚至造成四足机器人“软腿”。为保证四足机器人采用基于两级供能液压***时的负重极限与采用单泵多执行器液压***时的负重能力相当，应设定高压蓄能器5的最低工作压力p_h1为20MPa。低压蓄能器6最低工作压力p_l1的设定原则为：当四足机器人空载情况下采用对角步态行走时，所有时刻腿部12个液压驱动单元所需压力的最大值p_lmax。这种设定原则能够保证四足机器人在空载时仅使用低压就能完成运动。

一般情况下，蓄能器的预充气压力可按下式确定：

p₀≈0.8p₁

当蓄能器的工作循环时间小于3min时认为蓄能器在绝热条件下工作。此时，气体多变指数λ＝1.4，蓄能器的最高工作压力p₂可按式(4.55)确定。

p₂≈1.3p₁

根据蓄能器中气体的状态方程，可得蓄能器的容积V₀为：

根据以上计算结果，同时结合液压囊式蓄能器国家标准(JB/T 7035-2006)选择的两级蓄能器的主要参数如下表所示。

两级蓄能器的主要参数

参阅图2，利用低压蓄能器6的最低压力进行AMEsim模型仿真验证如下：

四足机器人在对角步态运动过程中，腿部髋纵摆关节和膝关节负载较大，因此对液压***的压力要求较高。通过调节溢流阀的设定压力测定右前腿髋纵摆关节和膝关节中液压驱动单元所需供油压力的最小值。最终经多次实验得到右前腿髋纵摆关节和膝关节液压驱动单元在不同供油压力下的运动曲线，由仿真曲线获取在膝关节液压驱动单元尚不能完成运动时的***供油压力以及液压驱动单元能完成指定运动时的***供油压力，并据此比较低压蓄能器6的最低压力设置是否合适。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于蓄能器供能的液压两级油源分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立油源模型，所述油源模型为基于蓄能器供能的液压两级油源，所述液压两级油源包括低压蓄能器、高压蓄能器、用于向两级蓄能器补油的定量泵、连通于定量泵与油源间的溢流阀、用于***主动泄流的开关阀Ⅰ和用于控制所述低压蓄能器补油的开关阀Ⅱ；

S2、所述蓄能器根据性能选择为皮囊式蓄能器；

S3、对所述皮囊式蓄能器的性能设立两种假设：

1)油液压缩性忽略不计；

2)油液在蓄能器中的流动可认为是层流；

S4、对所述皮囊式蓄能器依据其工作状态和所述假设建立数学模型；

S5、对建立好的所述数学模型进行参数匹配，所述参数匹配包括蓄能器预充气压力和容积；

S6、对所述低压蓄能器采用最低压力进行仿真验证。

2.根据权利要求1所述的一种基于蓄能器供能的液压两级油源分析方法，其特征在于，步骤S1中，所述液压两级油源的控制逻辑为：

所述高压蓄能器的补油优先级高于所述低压蓄能器，首先检测高压蓄能器中容量是否处于预设范围，如不在预设范围，则开关阀Ⅰ和开关阀Ⅱ均断开，定量泵向高压蓄能器补油；

当高压蓄能器不需定量泵补油且低压蓄能器压力不处于预设范围内时，定量泵向低压蓄能器补油，同时，在低压蓄能器补油过程中任何时刻***检测到高压蓄能器需要补油，则中断低压蓄能器补油进程，首先响应高压蓄能器补油进程；

当两级蓄能器均不需要补油时，开关阀Ⅰ打开，***主动泄油。

3.根据权利要求1所述的一种基于蓄能器供能的液压两级油源分析方法，其特征在于，在步骤S4中，建立所述数学模型包括：

根据步骤S3中所述假设获取蓄能器的力平衡方程；将蓄能器中气体的状态方程在蓄能器的工作点附近进行泰勒展开并忽略二次及以上高阶项，结合流体流量连续性方程并进行拉普拉斯变换获得蓄能器的数学模型。

4.根据权利要求3所述的一种基于蓄能器供能的液压两级油源分析方法，其特征在于，对获取的所述蓄能器的数学模型进行简化，简化原则为液压***中元件固有频率为***固有频率的4-5倍。

5.根据权利要求1所述的一种基于蓄能器供能的液压两级油源分析方法，其特征在于，在步骤S5中，所述参数匹配原则为：

1)低压蓄能器至少能独立完成设备最大速度运动时所有液压驱动单元两个周期的油液供应；

2)高压蓄能器至少能独立完成设备最大速度运动时所有液压驱动单元一个周期的油液供应；

3)蓄能器的体积和质量尽可能小；

4)蓄能器的工作压力尽可能稳定。

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