2. 北京航空航天大学 机器人研究所, 北京 100191
2. Robot Institute, Beihang University, Beijing 100191, China
如果挖掘机只使用一种属具作业, 那么属具就直接与挖掘机的斗杆和连杆通过销轴相连接, 不需要快换装置.如果挖掘机不只使用一种属具作业, 而且在作业过程中需要经常更换属具, 就需要在属具和挖掘机斗杆和连杆之间增加快换装置, 目的是为了提高属具的更换效率.如果挖掘机的吨位小, 配套的属具尺寸不大, 人工拆卸和装配连接销轴不太费劲, 那么只需要无自动快换装置即可满足使用要求.如果挖掘机的吨位较大, 配套的属具尺寸也相应较大, 而且要更换的属具种类较多, 这就会使人工拆卸和装配尺寸较大和重量较重的连接销轴变得很费劲和很不安全, 曾造成了很多伤亡事故.在这种情况下, 无自动快换装置就不适用了.
与无自动快换装置相比，半自动快换装置自带独立的液压油缸(即不与挖掘机自身的液压管路系统有任何关联), 不需要人工拆卸和装配连接销轴, 而是通过液压油缸驱动半自动快换装置上的活动爪卡住属具上的固定轴相连接, 极大地减轻了人工操作量, 因此半自动快换装置已经得到普及.如果半自动快换装置连接的属具本身不需要自带液压管路, 那么人工只需要完成一种操作, 就是要给半自动快换装置自带的液压油缸打压(用于锁紧属具)或卸压(用于解锁属具).如果半自动快换装置连接的属具本身需要自带液压管路, 用于作业过程中驾驶员实时对其进行操作和控制, 那么人工需要完成2种操作：第一种操作就是要给半自动快换装置自带的液压油缸打压或卸压, 第二种操作就是要把属具的液压管路与挖掘机自身的液压管路系统相连接(用于给属具供油)或断开连接(用于解锁和更换属具时终止给属具供油).这2种操作都只能在挖掘机的斗杆末端进行, 而不能在驾驶室里.由于这2种操作的专业性, 通常需要另外分配人员来完成, 而不能由驾驶员一个人不出驾驶室就单独完成.
全自动快换装置具有3个方面的优势：1) 把半自动快换装置的这2种人工操作任务的地点由挖掘机的斗杆末端转移到具有安全防护的驾驶室里, 提高了操作的安全性；2) 不需要另外分配人员, 由驾驶员一个人只需要按动液压控制开关就能单独完成这2种操作任务, 节约了用人成本；3) 降低了针对这2种操作的专业性要求, 简化了作业流程.
全自动快换装置在国内没有使用先例, 属于新事物, 因此为了缩短研发周期和具有国际先进水平, 在“双动力智能型双臂手系列化大型救援机器人”的20 t级、40 t级和60 t级3个系列化样机中, 20 t级样机引进了国外的瑞典Oil Quick公司的全自动快换装置产品OQ65-3[1].20 t级样机随后参与了2013年“4.20四川雅安7.0级地震”的抢险救援[2].实战化的抢险救援考核验证了OQ65-3的优异质量、可靠性能, 符合中国国情, 可以将其国产化用于40 t级样机和60 t级样机.
“双动力智能型双臂手系列化大型救援机器人”作为产(江苏八达重工和湖南山河智能)学(大连理工、浙大、西工大和北航)研(机科总院)项目, 其任务分工如下：由江苏八达重工负责牵头, 大连理工负责双臂架, 浙大负责液控, 湖南山河智能负责电控, 机科总院负责虚拟样机, 西工大和北航交通学院负责轮/履行走, 由北航机器人所负责双臂避碰和2只机械手的腕部.需要指出的是, 即使有了如上文所述的全自动快换装置, 该合作项目做出来的也只能算是一台车, 不管是轮式、履式还是轮履复合式, 只能算是一台工程机械, 而不能称之为大型救援机器人, 因其与工程机械一样, 只具有最多4个作业自由度.只有补齐了腕部的回转和横摆2个自由度, 使其具有至少6个作业自由度, 才具有机器人的特征, 才能称之为大型救援机器人.这样的腕部由回转装置、横摆装置和快换装置三者集成实现.全自动快换装置就用在副臂分手的腕部上, 副臂分手需要进入狭小空间中作业, 因此副臂分手腕部在保证足够大的回转力矩和横摆扭矩的情况下, 体积要尽可能小, 结构要尽可能紧凑.为此, 20 t级样机引进了国外的德国HKS公司的回转装置和横摆装置产品TR-K180[3-4].与OQ65-3一样, 40 t级和60 t级样机同样面临该产品的国产化问题, 不在本文中阐述.本文重点阐述OQ65-3的国产化所涉及的关键技术.
1 快速接头技术发展现状 1.1 快速接头技术的重要性液压剪作业时的操作和控制通过其自带的2条大流量(160 L/min)和高压力(32 MPa)的液压管路借助腕部的全自动快换装置与救援机器人自身的液压管路系统相连接来实现的, 对液压剪的锁紧或解锁是借助全自动快换装置自带的2条小流量(30 L/min)和高压力(32 MPa)的液压管路与救援机器人自身的液压管路系统相连接来实现的, 因此全自动快换装置自身就要有至少4条液压管路再加上1条备用管路即五通道的管接头.全自动快换装置与液压剪锁紧之后根据各种作业情况经常需要借助腕部的回转装置相对辅臂末端作360°回转, 因此管接头就要把液压油从相对静止不动的一端, 即辅臂末端, 输送到相对旋转的一端, 即与液压剪锁紧的全自动快换装置这一端.这种五通道、大流量、高压力、低转速和小体积的管接头(下文简称其为五通道旋转接头)的安装位置与工程机械的中央回转接头类似, 位于腕部的全自动快换装置(相当于底盘)与回转装置(相当于驾驶室)的中央回转轴线上, 一端固定在全自动快换装置里面, 另一端固定在回转装置里面.因此, 五通道旋转接头的5个进油口必须位于腕部的回转装置这一端, 与副臂末端来自救援机器人自身的液压管路系统的供油管相连接.这是一种固定连接, 除非全自动快换装置需要更换而从副臂末端拆卸下来, 才需要断开连接.这种五通道旋转接头的5个出油口必须位于腕部的全自动快换装置这一端, 其中的2个G1/4出油口与驱动2个活动爪锁紧或解锁属具的2个小流量(30 L/min)和高压力(32 MPa)的液压油缸相连接, 这是一种固定连接, 除非该连接发生故障需要维修, 才需要断开连接.另外的2个G3/4出油口与液压剪上的2个大流量(160 L/min)和高压力(32 MPa)的液压油缸相连接, 用于作业过程中驾驶员实时对液压剪进行操作和控制, 因此对该连接有极高的可靠性要求, 特别是该连接要与全自动快换装置锁紧或解锁属具的动作同步进行, 即锁紧属具时, 要接通这种连接, 解锁属具时, 要断开这种连接.全自动快换装置要满足频繁更换属具的使用要求, 因此这种连接也需要满足非常可靠地频繁接通或断开的使用要求, 全自动快换装置的“全自动”就是体现在不需要人为参与地完成锁紧或解锁属具的同时, 同样不需要人为参与地完成这种连接的接通或断开.满足这种活动连接的管接头, 即不需要借助工具(扳手或管子钳)或专门设备就能快速接通或断开气体介质或液体介质的管路, 应用也非常广泛, 属于关键部件.这种管接头在ISO国际标准[5]中, 称为Quick action coupling, 在GB或JB国家标准[6-14]中, 称其为快换接头, 但是也有GB国家标准[15]称其为快速接头, 为了不与全自动快换装置相混淆, 下文与文献[16-24]中的普遍中文译名一致, 称为快速接头.
1.2 低压力的快速接头《GB/T 22076-2008气动圆柱形快换接头插头连接尺寸、技术要求、应用指南和试验》[8]只适用于最高工作压力为1.0 MPa、1.6 MPa和2.5 MPa的气压传动系统中.《JB/T 7850-2007手夹快换接头》[12]只适用于公称压力为PN1.6 MPa、介质温度小于或等于120 ℃的油、水输液管道的连接中.《GB/T 16693-1996软管快速接头》[15]只适用于海军舰船上的公称通径为25~150 mm、公称压力不大于1.0 MPa、输送介质为油、水或其他非腐蚀性液体的软管连接中.这3个GB和JB国家标准的快速接头及其在文献[22]中的应用, 以及与之类似的欧洲专利[25-26]、美国专利[27-33]和国际专利[34-35]都是双通的, 就是阳接头和阴接头都不带单向自封阀, 这就意味着在断开连接时, 会有液体或气体介质的泄漏, 特别是, 如果断开连接之前不切断液源或气源的供应, 就会有源源不断的液体或气体介质泄漏出来.另外, 即使断开连接之前切断了液源或气源的供应, 也不得不放空管路中残留的液体或气体介质, 以免造成浪费和污染.因此, 这种低压力和双通的快速接头不适用于本课题.
1.3 中低压力的ISO7241快速接头《GB/T 5860-2003液压快换接头尺寸和要求》[6](现行)与ISO7241国际标准的第一部分《ISO 7241-1: 1987 Hydraulic fluid power—Quick-action couplings—Part 1: Dimensions and requirements》(该国际标准已作废, 已更新至文献[7])等同, 该标准的快速接头下文简称为ISO7241快速接头.《GB/T 5861-2003液压快换接头试验方法》[13]ISO7241国际标准的第二部分《ISO 7241-2: 2000 Hydraulic fluid power—Quick-action couplings—Part 2: Test methods》[14]等同, 该标准对ISO7241快速接头当断开连接或接通连接时的阳接头和阴接头中的脉冲压力的循环次数测试只规定为10 000次.这2个GB国家标准和等同的ISO国际标准只规定了ISO7241快速接头的外部结构和外形尺寸, 而其内部结构和内形尺寸则留给厂家自定.《GB/T 5862-2008农业拖拉机和机具通用液压快换接头》[9]规定了农业拖拉机和机具所用的ISO7241快速接头的术语和定义、型式尺寸和基本参数、要求、试验方法、检验规则和标志、包装与贮存, 适用于将拖拉机的液压动力, 通过管接头频繁地连接和断开的方式传递到机具上的接头, 但是其公称通径为20 mm(对应G3/4) 时的额定工作压力只有16 MPa、最大工作压力只有25 MPa、额定流量只有70 L/min.《GB/T 8606-2003液压快换接头螺纹连接尺寸及技术要求》[10]规定了ISO7241快速接头的非接头端的螺纹连接型式、尺寸及技术要求.《JB/ZQ 4078-2006快换接头(两端开闭式)》[11]适用于介质温度为-20~+80 ℃, 以油、气为介质的管路系统中的两端开闭式ISO7241快速接头, 但是G3/4对应的公称通径为20 mm时, 公称压力只有20 MPa、公称流量只有100 L/min.这5个GB和JB国家标准和等同的ISO国际标准所规定的ISO7241快速接头, 及其在田增等[17-18]所述的油田、李猛等[23]所述的化工、唐力等[24]所述的空调、机器厂和水下机器人[36]等行业上的应用, 以及与之类似的欧洲专利[37-38]和美国专利[39-42]都是双自封的, 其典型的结构在2014年的美国专利US20140373949A1[43]中有详细图解, 如图 1所示, 实物如图 2所示.
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图 1 ISO7241快速接头结构图 Fig. 1 Structure drawing for ISO7241 quick action coupling |
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图 2 ISO7241快速接头实物照片 Fig. 2 Real object picture for ISO7241 quick actioncoupling |
图 1中的阳接头12和阴接头1都带有单向自封阀15和4, 这就意味着在断开连接时, 能封堵液体或气体介质的泄漏.但是这种被封堵的液体或气体介质在阳接头和阴接头里面会形成背压, 造成再次接通这种连接时, 对手工而言, 装配阻力大, 现场经常要用锤等工具敲打才能装配, 容易损坏接头.为了消除背压阻力, 使连接轻便、快速和省力, 不得不另外作改进设计.如果阳接头和阴接头各自的单向自封阀的弹簧力不相等或失效, 就不能确保连接时各自的单向自封阀被顶开实现接通, 在实际使用中不得不经常作维修和调整.恶劣的野外使用环境比如油田和沙漠等经常会造成密封圈失效、磨损、漏油、堵塞和配合不良等问题如文献[16]所述, 使这种快速接头的一般使用寿命只有10~15个正常工作日如田增等[17-18]所述.这种单向自封阀的阀芯(主要有球面、锥面、环面和柱面等)会使阳接头和阴接头的接头端面不平齐, 要么有凸出(阳接头), 要么有凹陷(阴接头), 在使用中经常会有液体介质汇聚在凸出处和凹陷处然后滴落到地面上污染环境.另外, 不平齐的接头端面还容易沾染污物并在接通的时候使污物混入液体或气体介质中, 特别是会在接通的时候窜入空气.
1.4 中高压力的ISO16028快速接头1992年, 美国专利US005123446A[44]最早对这种快速接头给出了图解.1999年3月的美国专利US005884897A[45]给出了将阳接头的弹簧阻力和背压阻力分隔到两个独立的腔室中来实现无背压的详细图解.直到1999年12月才有如文献[5]所述的唯一的ISO国际标准《ISO 16028: 1999/Amd.1: 2006(E) Hydraulic fluid power—Flush-face type, quick-action couplings for use at pressures of 20 MPa (200 bar) to 31.5 MPa (315 bar)—Specifications—AMENDMENT 1》规定了这样的快速接头, 下文简称为ISO16028快速接头.但是至今还没有等同的国家标准及可以查到的国内应用文献.该标准于2006年的修订对ISO16028快速接头的阳接头和阴接头中的脉冲压力的循环次数测试由1999年的当断开连接和接通连接时都规定为100 000次提高到断开连接时的100 000次和接通连接时的1 000 000次, 极大地提高了接头工作时的可靠性和安全性.与ISO7241快速接头类似, 该标准只规定了ISO16028快速接头的外部结构和外形尺寸, 而其内部结构和内形尺寸则留给厂家自定.这种ISO16028快速接头的典型结构在Manzato[43]所述的2014年的美国专利US20140373949A1中有详细图解, 如图 3所示.
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图 3 ISO16028快速接头结构图 Fig. 3 Structure drawing for ISO16028 quick actioncoupling |
与ISO7241快速接头里的单向自封阀是在同一个腔室里同时承受弹簧阻力和背压阻力从而造成顶开困难完全不同, ISO16028快速接头的阳接头40把单向自封阀31的弹簧阻力34和背压阻力分隔在2个各自独立的腔室41和由单向自封阀33借助弹簧阻力36与单向自封阀37借助弹簧阻力38构成的腔室44里.当连接开始时, 初始阶段只需要克服腔室41里的弹簧阻力34, 没有腔室44里的背压阻力, 因此很容易就能顶开单向自封阀31, 使液体或气体介质灌入腔室41中, 随即克服弹簧阻力38和很小的背压阻力冲开单向自封阀37, 与腔室44贯通, 一旦腔室41中的压力大于腔室44中的背压阻力加上弹簧阻力36, 单向自封阀33随即开启, 阳接头40连接的管路就接通了.ISO16028快速接头的阴接头18里的背压阻力被封闭在由固定不动的阀杆19的外表面与单向自封阀28的内表面之间形成的腔室中.当连接开始时, 初始阶段只需要克服弹簧阻力26, 因此很容易就能顶开防污阀29, 接着再克服弹簧阻力27推动单向自封阀28, 一旦与固定不动的阀杆在头部结合处分离出缝隙, 腔室中的液体或气体介质随即就会从缝隙灌入阳接头40的腔室41中, 并使缝隙继续扩大, 阴接头18连接的管路就接通了.
2001年，欧洲专利EP1148285A2[46]对ISO16028快速接头的阴接头18里的固定不动的阀杆19的固定方式作了改进.2011年，欧洲专利EP2369214A1[47]将阴接头18里的钢球锁23改成了4个异型断面的环形嵌件.Manzato[43]所述的2014年的美国专利US20140373949A1对阴接头18里的钢球锁23的钢球直径和个数以及对应的阳接头40上的环形槽45的沟槽倾角进行了优化.
总之, ISO16028快速接头的结构比ISO7241快速接头的结构复杂得多.符合该标准的国外产品有美国派克(PARKER)的FE系列、FF系列，美国爱力克(AEROQUIP)的FD89系列，美国汉森(HANSEN)的QA2900系列，意大利思图奇(STUCCHI)的A8008系列等.但是这些国外产品的售价都极其昂贵, 即使能选用, 也不利于全自动快换装置的完全国产化.虽然这种ISO16028快速接头还没有国家标准, 但是已经有国内厂家按照该ISO16028标准进行制造并出口, 而且售价较低[48], 可以选用, 如图 4所示.
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图 4 国产的ISO16028快速接头结构图 Fig. 4 Structure drawing for China-made ISO16028 quick action coupling |
要把图 4所示的国产ISO16028快速接头应用在全自动快换装置上, 还需要解决以下6个方面的技术问题.
1) 如何安装？如图 4所示, 阳接头和阴接头的非接头端都是内螺纹, 用来与油管或气管的外螺纹旋合.当内外螺纹旋合之后, 接头与管路处于自由浮动的状态, 即可以自由移动和旋转; 当阳接头与阴接头接通连接之后, 接头与管路同样处于自由浮动的状态.阳接头和阴接头的结构上没有提供安装固定的凸缘或法兰.
2) 如何封油？阳接头和阴接头的非接头端只有内螺纹结构, 而没有像接头端那样的O型橡胶密封圈结构, 因此, 在解决“如何安装”的时候, 还要解决非接头端的密封问题.
3) 如何插拔？全自动快换装置要将2对接头的接通连接(插)和断开连接(拔)的动作(都是直线运动)由手工改为自动, 而且要保证动作的2个同步：第一个同步是2对接头必须同时插和同时拔, 第二个同步是必须同时锁紧属具的时候同时插和同时解锁属具的时候同时拔.
4) 如何实现插拔的直线运动？为了解决“如何插拔”需要保证的2个同步, 只能让插拔动作和锁紧解锁动作都由同一个液压动力源提供, 即全自动快换装置自带的2条小流量(30 L/min)和高压力(32 MPa)的液压管路驱动的2个液压油缸.通常, 快换装置的活动爪卡住属具的动作有旋转运动和直线运动2种.这2种运动都是由直动液压油缸提供的, 但是直动液压油缸在提供活动爪做旋转运动的时候, 其本身也在作摆动, 无法再提供给快速接头插拔所需要的直线运动.因此全自动快换装置的活动爪卡住属具的动作只能采用直线运动的方式.
5) 如何锁紧？当准备接通连接时, 将阴接头上的锁紧套向后(非接头端方向)推, 解除锁紧钢球的压紧力.当阳接头插入阴接头到适当位置时, 锁紧钢球正好落入阳接头上的环形沟槽中, 放开锁紧套, 锁紧套在锁紧弹簧的回弹力作用下, 回退原位, 同时再次施予锁紧钢球压紧力.这样, 锁紧钢球既卡住了阴接头又卡住了阳接头并同时终止阳接头继续插入阴接头, 液体或气体介质的管路随即被接通, 并且在此后不会因受外力干扰而造成意外断开连接, 除非将阴接头上的锁紧套再次向后推.这就存在2个问题.一是锁紧套向后推、保持和放开的动作要由手工改为自动, 这就与章向荣等[19-20]所述的海底或水下多功能快速接头(multi quick connector, MQC)的应用类似.MQC是用来在海底或水下同时连接多个液压、电、光纤信号或传送其他化学流体的接头装置, MQC的发展经历了从简单到复杂、从人工安装到水下机器人(remote operated vehicles, ROV)机械手安装的过程.国外MQC公司主要有美国的FMC Technologies和Oceaneering, 挪威的UNITECH Subsea, 以及英国的Subsea 7和VIPER SUBSEA.目前国内的水下生产系统基本上都由国外MQC公司设计完成, 硬件、软件甚至施工工具都是采购或租用国外MQC公司的产品, 因此同样面临国内在MQC上研究较少, 没有成熟的MQC产品, 亟待国产化的窘境.近年来国内已增加了这方面的试验研究[49], 但是应用研究主要还是集中在海洋工程领域[50-51].二是要保证2对接头上的2个锁紧套同时向后推、保持和放开的动作必须是同步的, 对此问题欧洲专利EP0519759B1[37]和美国专利US005896889A[42]给出了只需要1个扳手就能让2对接头同步的图解, 但是仍然需要类似MQC的ROV机械手来操控这个扳手才能将手工改为自动, 在现阶段同样是不现实和不可行的.综上所述, 只能拆除锁紧套和去掉锁紧钢球.如图 5所示, 把锁紧问题变成止退问题, 即用足够大的止退力在阳接头和阴接头对接之后, 阻止被直动液压油缸驱动的快速接头和活动爪回退, 只有解锁属具的时候, 才能解除这种止退力的作用.
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图 5 国产的ISO16028快速接头实物照片 Fig. 5 Real object picture for China-made ISO16028 quick action coupling |
6) 如何给直动液压油缸供油？单作用单活塞杆液压缸的活塞的反向回退运动是由弹簧驱动的, 弹簧力不能确保提供足够大的解锁力来解锁属具, 因此只能选用双作用单活塞杆液压缸[52-53].每个双作用单活塞杆液压缸都有2个供油口, 一个是正向推动活塞(对应锁紧属具和快速接头的插入)的供油口, 另一个是反向回退活塞(对应解锁属具和快速接头的拔出)的供油口.这样, 2个双作用单活塞杆液压缸就共有4个供油口.然而, 五通道旋转接头从救援机器人自身的液压管路系统中只输送分配给全自动快换装置2条小流量(30 L/min)和高压力(32 MPa)的液压管路来给这2个双作用单活塞杆液压缸供油.特别是, 为了解决如3) 所述的问题(如何插拔？)的2个同步, 最关键的就是要保证这2个液压缸的活塞也要同步(即正向同时进和反向同时退), 如果4个供油口分别供油是很难保证的.如果采用2个“一通二”的管接头来将这2条液压管路分配给4个供油口, 这就会带来额外的2个管接头的连接密封问题和4条油管的走线问题.下文称此问题为“二通四”的供油问题, 包括“一通二”的正向供油问题和另一个“一通二”的反向供油问题.
综上所述, 依据文献[52-53]进行设计计算, 选用组合密封垫圈[54]以及另外设计带锥密封[55-57]的加长体来解决“如何封油”的问题, 但是其余5个问题都是互相紧密关联的, 尤其是问题3) 和6) 的3个同步问题所涉及到的2个双作用单活塞杆液压缸如果是分散结构再组装到一起的话, 就更难保证.因此, 采用一次性整体结构的安装架的解决方案, 即安装架的两端就是轴线平行的2个双作用单活塞杆液压缸, 中间分为2个内部结构, 一个是用来安装快速接头, 另一个是用来二通四供油的四通道, 这样就避免了如问题6) 所述的外置4条油管的走线问题和连接密封问题.
2.2 自动对接安装架 2.2.1 安装架如图 6所示为自动对接安装架.图 6(a)中的i为H形状的安装架结构, 其两端是双作用单活塞杆液压缸, 活塞直径为40 mm, 极限行程为59 mm；j为锁紧属具的活动爪；k为阴接头的接头端的固定挡板.图 6(b)中的1为阴接头；m为阴接头的非接头端的固定挡板；n为双作用液压缸的单活塞杆, 直径为20 mm.
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图 6 自动对接安装架 Fig. 6 Mounting rack for automatic docking |
如图 7所示为安装架里的二通四供油管路.图 7(a)中的i和m是正向推动活塞的供油口, 给液压缸的进油口k和对称的另一个液压缸的相同部位的进油口同时供油, 即正向一通二供油.图 7(a)中的j和n是反向回退活塞的供油口, 给液压缸的进油口l和对称的另一个液压缸的相同部位的进油口同时供油, 即反向一通二供油.图 7(b)中的j和n两个供油口是可以互换的, 即可以根据从五通道旋转接头输送分配来的油管走线的实际情况只需要选择连接其中一个供油口, 另一个不用就堵上, 同样, 图 7(a)中的i和m两个供油口也是可以互换的.
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图 7 自动对接安装架的供油管路 Fig. 7 Oil feed lines in mounting rack for automaticdocking |
供油管道内径：
| $d{\rm{ = 1}}\;{\rm{000}}\sqrt {\frac{{4{q_{\rm{v}}}}}{{{\rm{\pi }}\upsilon }}} {\rm{ = 10}}\sqrt {\frac{{2{q_{\rm{w}}}}}{{3{\rm{\pi }}\upsilon }}} .$ | (1) |
式中：qv为通过管道内的流量；qw为通过管道内的流量；v为管内允许流速, 对于液压系统压油管道推荐流速为3~6, 压力高, 管道短, 黏度小取大值.当qw=30 L/min时, 取v=5.14 m/s, 通过计算得到d=11.131 882 5, 圆整为11 mm.
2.2.4 供油管道壁厚的计算供油管道壁厚：
| $\delta = \frac{{pd}}{{\left[ 2 \right]\sigma }}.$ | (2) |
式中：p为管道内最高工作压力(MPa), 取p=31.5；d为管道内径；[σ]为管道材料的许用应力, [σ]=σb/n, σb为管道材料的抗拉强度, 对于钢管, 取σb=300, n为安全系数, 当p>17.5时, 取n=4.当qw=30 L/min、d=11 mm时, 计算得δ=2.31, 圆整为3 mm.
2.3 快速接头的封油 2.3.1 阳接头的封油如图 8所示为阳接头的封油.图 8(a)中的i为阳接头；j为阳接头的加长体；k为加长体的接头端外螺纹(图 8(b)中的m)与阳接头的非接头端内螺纹之间内外旋合时的防漏组合密封垫圈, 加长体在对应的部位上有锥面, 与组合密封垫圈k构成锥密封.图 8(b)中的n为加长体的非接头端, 通过其外螺纹和内24°锥密封与属具液压剪的两根供油管相连接.
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图 8 快速接头阳接头的封油 Fig. 8 Oil leak-proof for plug of quick action coupling |
如图 9所示为阴接头的封油.图 9(a)中的i为阴接头的加长体；j为组合密封垫圈；k为阴接头.图 9(b)中的m为阴接头的加长体的接头端外螺纹, 在与阴接头的非接头端内螺纹内外旋合时, 借助组合密封垫圈j来防漏, 加长体在对应的部位上有锥面, 与组合密封垫圈j构成锥密封；图 9(b)中的n为加长体的非接头端, 通过其外螺纹和内24°锥密封与五通道旋转接头输送分配来的两根供油管相连接.
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图 9 快速接头阴接头的封油 Fig. 9 Oil leak-proof for socket of quick action coupling |
由下式进行流量换算：
| ${q_{\rm{v}}} = \frac{{{q_{\rm{w}}}}}{{60{\rm{ }}000}}.$ | (3) |
插入速度：
| ${v_1} = \frac{{4{q_{\rm{v}}}}}{{{\rm{\pi }}{D^2}}} = \frac{{2{q_{\rm{w}}}}}{{30{\rm{ }}000{\rm{\pi }}{D^2}}}.$ | (4) |
式中：qw=30；v1为液压缸正向输出速度；D为活塞直径, D=0.04.计算得v1=0.398 1, 由于v1>0.2 m/s, 液压缸必须在正向末端设置缓冲结构.这样带来的好处是, 除了使活塞运动到极限行程时, 避免与液压缸的端盖或缸底发生碰撞, 产生冲击, 带来损害, 而且同样避免了快速接头在对接过程中发生碰撞, 产生冲击, 带来损害.
2.4.3 拔出速度的计算拔出速度：
| ${v_2} = \frac{{4{q_{\rm{v}}}}}{{{\rm{\pi }}({D^2} - d{\prime ^2})}} = \frac{{2{q_{\rm{w}}}}}{{30{\rm{ }}000{\rm{\pi }}({D^2} - d{\rm{ }}{\prime ^2})}}.$ | (5) |
式中：qw=30, v2为液压缸反向输出速度；D=0.04, d′为活塞杆直径, d′=0.02.计算得v2=0.530 8, 由于v2>0.2 m/s, 液压缸同样必须在反向末端设置缓冲结构.
2.5 快速接头的止退 2.5.1 活塞推力的计算活塞推力：
| ${F_1} = \frac{{{\rm{\pi }}{D^2}}}{4}p.$ | (6) |
式中：F1为液压缸正向推力，D=0.04，p=32 000 000, 最大值为pmax=35 000 000.计算得F1=40 192 N, 对应pmax的最大推力为F1max=43 960 N.
2.5.2 止退力的计算由于是2个规格和尺寸完全相同的液压缸并排(轴线平行但不重合、端盖和缸底对应对齐)同时产生推力, 止退力由下式计算：
| $F = 2{F_1}.$ | (7) |
计算得F=80 384 N, 对应F1的最大止退力为F1max=87 920 N.如此大的止退力足以避免作业过程中的各种外力的干扰, 从而防止活动爪意外解锁属具和快速接头意外回退(拔出).为了确保止退力在锁紧属具期间始终存在, 必须确保2个液压缸的活塞走到极限行程之后继续保压而不能意外泄压.
2.6 自动对接的油路要实现上述快速接头自动对接的意图, 除了要有行之有效的机械结构之外, 还要有相应的液控措施相配合, 其油路图如图 10所示.图 10中的h1、h2为2个带缓冲结构的双作用单活塞杆液压缸；i为正向一通二液压管路的供油口；j为反向一通二液压管路的供油口；t和p分别为抢险救援机器人自身的液压管路系统的油源和液压泵；v1为单作用二位四通电磁阀, 用于2个正向和反向一通二液压管路之间切换接油源t给h1、h2供油和从h1、h2回油；v2为液控单向阀, 是为了h1、h2的进油腔保压和防止出故障比如外界油管断裂时进油腔泄漏；v3为溢流阀, 当h1、h2的进油腔中的最大压力超过35 MPa时起过载保护作用.
|
图 10 快速接头自动对接的油路图 Fig. 10 Hydraulic circuit diagram for automatic docking of quick action coupling |
(1) 与低端易损产品ISO7241快速接头相比, 高端耐用产品ISO16028快速接头所具有的平头化、高压力、大流量、双自封、无背压和极高的耐脉冲压力特性等方面的诸多优点, 使其成为全自动快换装置上的首选.
(2) 结构较复杂的ISO16028快速接头已实现国产化, 但主要用于出口, 除了选用在国家“十二五”科技支撑计划项目的“双动力智能型双臂手系列化大型救援机器人”的40 t级和60 t级样机之外, 国内应大力推广, 才能促进其不断改进和完善, 从而与国外同类产品竞争时不仅有价格优势还有质量优势.
(3) 国产ISO16028快速接头由手工对接改为自动对接所采用的比较简便的解决途径已实现国产化, 但是没有经受实战化的抢险救援的检验与考核, 因此还需要后续更多的模拟实战化的验证, 并不断加以完善, 使之具备高安全性、高可靠性和高耐用性, 才能使救援机器人最终成为抢险救援的利器, 这是由样机转化为产品所必需的必由之路.
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