外骨骼液压系统的污染与控制(技术)

作者:割草机   发布时间:2020-03-26 14:57     浏览:

  第一作者简介:贾正伟(1985-),男,山东济宁人,工程师,硕士,主要从事仿生机械、电液系统、液压阀件的设计与研究工作,工作于北京机械设备研究所。

  基金项目:北京市科委重大科技成果转化落地培育项目(Z151100002815015)

  摘要:该文结合外骨骼液压系统特点,分析了系统污染物的来源,着重论述了提高系统耐污能力及控制系统污染物的措施,对提高外骨骼的工作可靠性和使用寿命,具有一定指导意义。

  关键词:外骨骼;液压系统;污染;可靠性。

  0 引言

  外骨骼作为一种穿戴式人体机能增强装置,通过驱动系统来实现外骨骼和人体动作同步、和谐,达到运动协调、助力流畅、穿戴舒适的效果,可提升人体负载能力、运动能力、操纵能力和防护能力等,在单兵机动作战、重体力劳动、康复医疗等场合具备很强应用潜力[1]。常见的外骨骼驱动方式基本上有三种:电机驱动方式、气压驱动方式和液压驱动方式,相比电机驱动方式的整机功率密度低、体积大及气压驱动的驱动力小、刚度低、不易实现精确驱动控制等缺陷,液压驱动整机功率密度大、易于实现精确化自动控制,更适合作为重载、高机动外骨骼的驱动方式,目前世界上比较先进的外骨骼多采用液压驱动方式。图1为世界上几款电液驱动外骨骼。有统计资料表明,液压系统中70%以上的故障是由液压油的污染造成的[2],因此控制外骨骼液压系统的污染尤为重要。

  图1 电液驱动外骨骼?

  1 外骨骼液压系统特点

  穿戴式外骨骼的液压驱动系统具有高度集成、储油量少、多模态高频输出、耐油液污染能力差等特点,其性能直接影响外骨骼的助力效果及人机耦合系统运动协调性。

  外骨骼液压系统按油液循环方式分为开式系统和闭式系统两种,相比开式系统,闭式系统效率高、储油量少、结构紧凑、体积小[3],与外骨骼产品工作特性更加匹配,目前可查的电液驱动外骨骼液压系统多为闭式系统,仅国内部分高校研制的外骨骼原理样机采用开式系统。

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  电液驱动外骨骼液压系统按执行元件速度控制与调节方式划分阀控系统和泵控系统,阀控系统是通过改变液压阀节流口的开度来控制流量,从而控制执行元件的速度,阀控系统响应速度快,能很好满足外骨骼功能动作快速性的要求,但由于阀控系统存在溢流和节流损失,通常效率较低,限制了外骨骼的长时续航能力;泵控系统多采用泵转速控制方式,即通过改变驱动泵的电动机的转速及转向来改变泵的输出流量及方向,实现系统的流量调节和执行元件的方向、速度控制,可以减少油箱容量,能量损失小,效率高,但在响应速度方面存在一定局限。

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  自研外骨骼液压系统具有以下特点:为双泵加蓄能器组合供油的闭式系统,与不同步态周期下外骨骼驱动系统的流量及压力需求更加匹配,工作效率高;采用泵控及阀控相结合的复合控制技术,可综合利用泵控系统效率高及阀控系统响应速度快、控制精度高的优点;油箱带预压式空滤器,可有效改善泵的吸油效果,油液与外界空气之间设置双重过滤,隔绝外界污染效果好。

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  自研外骨骼与世界主流电液驱动外骨骼液压系统技术特点基本相同,本文结合自研外骨骼液压系统,分析了系统污染物的来源,着重论述了提升系统耐污能力及控制系统污染物的措施。

  2 污染物的来源

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  液压系统中的污染物是指油液中不希望有的并对系统有危害作用的物质[4]。电液驱动外骨骼液压系统污染物的来源主要有以下四个方面:

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  (1)系统内部残留:外骨骼液压系统及其所用液压阀、齿轮泵、通道体、接头、软管、油箱、液压缸等在加工、组装、试验、包装、储存及运输过程中残留下来未被清除的污染物,典型的残留污染物有切削铁屑、密封胶料、焊渣、型砂、纤维物、锈蚀物、油漆及清洗液等;

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  (2)系统外界侵入:自研外骨骼液压系统采用双重过滤油箱,隔绝外界污染效果好,外界污染物的侵入主要通过注油口和液压缸活塞杆等,另外在拆卸、安装过程中比较容易带入污染物;

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  (3)系统内部生成:如外骨骼各关节液压缸往复运动和各阀件动作产生的磨粒物、管道内部锈蚀及在压力冲击下产生的剥落物、外骨骼油液温度过高而引起油液变质所产生的固体颗粒和胶状物质;

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  (4)新油带入的污染物:液压油在炼制、分装、运输、储存及使用等过程中可能受到污染,新油未必能满足外骨骼液压系统中对污染物较敏感元件的使用要求。

  3 污染物

  控制及耐污能力提升措施

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  主要有两个途径来降低污染物对外骨骼液压系统工作可靠性和使用寿命的影响:一是提高系统的耐污染能力,二是降低油液的污染度。

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  3.1?提高系统耐污染能力

  选用耐污染能力强的液压元件是提高系统耐污染能力最有效、经济、可靠的措施。泵选型时,尽量选用齿轮泵;尽量不选用传统比例阀或伺服阀,选用或设计数字阀、直驱伺服阀等抗污染能力较强的阀件,图2为针对外骨骼系统需求而选用的数字阀及直驱伺服阀。

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  图2 数字阀及直驱伺服阀

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  传统比例阀及伺服阀,抗污染能力较差,其中抗物能力相对较强的比例阀,对油液清洁度的要求最低为NAS1638标准7-9级[5]。数字阀是通过电机驱动阀芯相对阀体(或阀套)做旋转和轴向进给两自由度运动来实现阀口通断及开度大小的改变,以此来实现对液压执行元件的控制;直驱伺服阀是通过电机及偏心放大机构直驱控制阀芯轴向移动来实现阀口通断及开度大小的改变,进而来实现液流方向、压力及流量的控制。无论是数字阀还是直驱伺服阀都具有较强的抗污染能力,其抗污染能力均可达NAS1638标准12级。

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  3.2?降低油液污染度

  要有效地降低外骨骼液压系统油液污染度,必须针对一切可能的污染源,在系统设计、制造、使用和维护等各个环节采取有效措施,实施全面和全过程的污染物控制[6-7]。

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  ◆1)设计阶段

  (1)对外骨骼液压驱动系统开展热平衡设计,避免液压系统长时工作时由于油液温度过高而造成油液变质、加速磨损、密封件老化等问题。一方面提高驱动系统效率,降低无功损耗,具体可根据外骨骼人机耦合系统运动规律、仿生结构形式及参数、运动生物力学分析结果、驱控系统原理及时序等开展机电液系统的整体匹配性设计,以工作效率的最大化及关节驱动助力效果的最优化为目标来优化全系统压力、流量、执行元件结构参数、电机功率、蓄能器储能参数、储能及释放时机等,使驱动系统输出与人体运动功率谱相匹配,综合提高液压驱动系统工作效率;另一方面提高驱动系统散热效率,采用散热片式结构形式来增加驱动系统有效散热面积;

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  (2)设置油液净化过滤系统,在系统中对污染物比较敏感的元件入口或系统回油回路上设置具有一定过滤精度和一定纳污容量的过滤器,及时过滤掉系统内的污染物,尽量选用插装式或与阀件集成一体的过滤器,减小驱动系统体积;

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  (3)采用多重过滤油箱,杜绝外界污染物通过空气进入到系统内部;

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  (4)对于油缸、油箱等具有相对运动、相互摩擦的零件表面采用镀铬、磷化及喷塑等处理方式,提高部件的耐磨性能,以防磨粒物对油液的污染;

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  (5)液压系统尽量采用无管集成、模块化设计方法,优化通道体流道及流速,避免流道出现“藏污纳垢”死角,消除不利于清洗和冲洗的因素;

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  (6)系统内部设置压力传感器,监测压力、压差变化情况,系统因污染物而造成故障时可及时查知。

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  ◆2)制造阶段

  (1)制造油箱、油缸、通道体及过油零部件时,要加强工序之间的污染物的检查及清理,用工业内窥镜重点检查相贯孔、小孔下封闭腔、螺纹、沟槽及台阶等部位;

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  (2)液压系统零部组件、元件及管路连接件在贮存、转运过程中或未能及时装配时应对敞口采取防护措施,防止二次污染;

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  (3)装配前,需对所有液压元件各油口进行多余物检查,对各过油零部组件及管路连接件进行彻底清理和清洗,同时要在清洁的环境中用清洁的方法装配系统;

  (4)液压系统初次安装连接后,将油缸两侧管路直接连通,外接清洁油源对液压系统进行循环冲洗,直至油液清洁度达到一定标准。

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  ◆3)使用维护阶段

  (1)使用具有一定过滤精度的注油机,连通外骨骼液压系统各封闭腔,对液压系统进行多次放油、注油;

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  (2)定期对系统油液清洁度进行抽样检查,如已经不符合要求,要查明原因,即时清除引起异常污染的原因,更换油液及过滤器(或滤芯),重新放、注油液前,必须对整个系统进行循环冲洗;

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  (3)外骨骼长时工作时,应检查驱动系统壳体或液压油温度,避免油液温度过高;

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  (4)定期对外骨骼各关节驱动执行元件进行密封检查,及时更换受损密封件,防止油液泄漏和外部污染物进入系统内部。

  4 结束语

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  针对外骨骼液压系统特点,对外骨骼液压系统进行合理设计及选型,并加强制造阶段和使用维护阶段的过程控制,有效控制系统污染物并提升系统耐污能力,对于提高电液驱动式外骨骼的工作可靠性和使用寿命,具有重要意义。

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  参考文献

  [1] 杨智勇,等.单兵负荷骨骼服的力控制理论与方法[M].北京:国防工业出版社,2013.

  [2]?邱建军.飞机液压系统污染的分析与控制[J].液压气动与密封,2014,(5):54-55.

  [3]?张利平.液压传动系统设计与使用[M].北京:化学工业出版社,2010.

  [4]?崔永生.飞机液压系统污染污染原因分析及控制[J].液压气动与密封,2009,(3):53-55.

  [5]?雷天觉.新编液压工程手册[M].北京:北京理工大学出版社,1998.

  [6]?杜来林.飞机液压系统油液的颗粒污染与维护[J].液压气动与密封,2010,(5):12-14.

  [7]?邹开凤,李映赢.飞机液压系统油液的颗粒污染与维护[J].液压气动与密封,2008,(4):87-89.

  该文刊登于我刊2019年第2期

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