１管片拼装试验台回转机构工作原理
管片拼装试验台一般包括回转机构、提升机构、水平机构、摆动机构和姿态机构，可实现管片的六自由度操作，如图１所示．回转机构由位于管片拼装试验台底座上的回转支架及其回转导向机构组成，并由一个液压马达经减速器驱动，实现管片的周向搬运与定位，如图２所示．周向定位的精度直接影响后续姿态调整的难易程度，周向搬运的速度也是限制管片拼装速度的主要原因，因此在大惯量、大负载情况下，实现管片高速回转搬运与高精度回转定位具有极其重要的意义.
２管片拼装试验台回转电液控制系统设计
２．１系统设计指标管片拼装机回转电液控制系统具有负载惯量大、拼装速度要求快及定位精度要求高的特点，运用相似性理论参考工程应用管片拼装机相关参数，并考虑管片拼装试验台的设计指标，管片拼装试验台回转电液控制系统参数指标如表１所示．２．２系统原理图管片拼装试验台回转电液控制系统采用比例方向阀１控制定量马达６实现管片回转运动的无极调速，采用平衡阀２来保证回转运动的平稳性，安全阀５可用于保障系统安全，同时压力表３、压力传感器４、扭矩传感器７及转速传感器８可实时监测电液控制系统状态，如图３所示．２．３系统负载分析在ＳｏｉｌｄＷｏｒｋｓ中对回转机构进行建模，并对回转机构进行受力分析．回转机构受驱动力矩ＴＬ，回转机构重力负载Ｇ，滚动摩擦力ｆＬ１，ｆＬ２，ｆＬ３，ｆＬ４，ｆＶ１，ｆＶ２，ｆＶ３，ｆＶ４，竖直约束力ＦＶ１，ＦＶ２，ＦＶ３，ＦＶ４和水平约束力ＦＬ１，ＦＬ２，ＦＬ３，ＦＬ４共同作用，如图４所示．通过对Ｚ轴的动态力矩分析，得回转机构的负载扭矩为ＴＫ＝Ｔｇ＋Ｔｆ，（１）式中：Ｔｇ为回转机构重力负载Ｇ对Ｚ轴的力矩，Ｎ·ｍ；Ｔｆ为滚动摩擦力对Ｚ轴的力矩，Ｎ·ｍ．回转机构重力负载Ｇ对Ｚ轴的力矩为Ｔｇ＝Ｍ·ｇ·Ｌ１·ｓｉｎθ，（２）式中：Ｍ为管片拼装试验台回转机构质量，ｋｇ；ｇ为重力加速度，９．８ｍ／ｓ２；Ｌ１为管片拼装试验台回转机构重心距回转中心的径向距离，ｍ；θ为管片拼装试验台回转机构转动角度，－１８０°≤θ≤１８０°．为了简化运算，对滚动摩擦力对Ｚ轴的力矩Ｔｆ进行了估算，Ｔｆ＝±ｕ·ＦＮ·ｒ，（３）式中：ｕ为管片拼装试验台回转机构与滚动支撑之间的滚动摩擦系数，滚动支撑采用深沟球轴承支撑，０．００１５≤ｕ≤０．００２２［８］；ＦＮ为滚动支撑的支撑力，ＦＮ＝Ｍ·ｇ，Ｎ；ｒ为管片拼装试验台回转机构半径，ｍ；在ＳｏｉｌｄＷｏｒｋｓ运用质量特性工具对模型参数进行了计算，得回转机构参数如表２所示．通过对上述方程分析可知，当取θ＝±９０°时，驱动扭矩最大，将表２的回转机构参数代入，考虑到加工及装配误差取ｕ＝０．０１，并取θ＝９０°，得ＴＫ＝２２４６．７Ｎ·ｍ．按照经验，系统可供使用压力中，三分之一用于克服负载，三分之一用于产生速度，三分之一用于产生加速度［９］，由于系统无外负载，故动态驱动扭矩ＴＬ＝２·ＴＫ＝２×２２４６．７Ｎ·ｍ＝４４９３．４Ｎ·ｍ．２．４系统参数设计及原件选型２．４．１液压马达选型为了保证回转运动的低速稳定性与高精度定位，并减小马达排量，采用液压马达经减速器驱动回转机构．根据扭矩及转速要求，采用上海嘉田传动机械有限公司的Ｐ系列行星齿轮减速机，型号为３Ｄ３００－８０，转速比为８０，额定转矩为８ｋＮ·ｍ，额定输入转速为１５００ｒ／ｍｉｎ．设定系统压力为２５ＭＰａ．回转马达的需求扭矩为Ｔｍ＝ＴＬηｒ·ｉ＝４４９３．４０．９１·８０＝６１．７２Ｎ·ｍ，（４）式中：ηｒ为减速器的传递效率，根据样本取０．９１；ｉ为减速器的传动比，为８０．回转马达的需求排量［１０］为Ｖ＝２π·ＴｍΔｐ·ηｍ＝６．２８·６１．７２２５·０．９５＝１６．３２ｍＬ／ｒ，（５）式中：Δｐ为回转马达进出油口压差，ＭＰａ；ηｍ为回转马达的机械效率，取０．９５．回转马达的需求转速为ｎｍ＝ｎＬ·ｉ＝６·８０＝４８０ｒ／ｍｉｎ，（６）式中：ｎＬ为管片回转机构设计转速，ｒ／ｍｉｎ．根据回转马达的排量需求、转速需求及系统压力，选取华德Ａ２Ｆ４５Ｗ１Ｐ２型定量马达，排量为２２．７ｍＬ／ｍｉｎ，额定压力为３５ＭＰａ，吸油管绝对压力为０．０９ＭＰａ时最高转速为２３６０ｒ／ｍｉｎ．回转马达的需求输入流量为ｑｍ＝ｎｍ·Ｖｍ１０３·ηｍ＝４８０·２２．７１０３·０．９５＝１１．４７Ｌ／ｍｉｎ，（７）式中：Ｖｍ为定量马达的排量，ｍＬ／ｒ；ηｍ为定量马达的容积效率，取０．９５．回转马达的需求输入流量ｑｍ＝１１．４７Ｌ／ｍｉｎ，需求系统压力为２５ＭＰａ．２．４．２平衡阀选型根据定量马达的需求输入流量及系统压力，选取立新ＦＤ１２ＰＢ１０／３０Ｂ０３型平衡阀．控制压力（油口Ｘ）：２（最低）～６ＭＰａ，最高为３５ＭＰａ．开启压力（Ａ至Ｂ）：０．２ＭＰａ．压力极限：ＰＡ，ＰＸ为３５ＭＰａ，ＰＢ为４２ＭＰａ．２．４．３比例换向阀选型根据定量马达的需求输入流量及系统压力，选取阿托斯［ａｔｏｓ］ＤＨＺＯ－Ａ－０７１－Ｌ３／Ｂ型比例换向阀．压力流量特性：进油口Ｐ回油口Ｔ压差ΔＰｖ＝１ＭＰａ时，换向阀最大流量Ｑｖ＝１７Ｌ／ｍｉｎ；ΔＰｖ＝３ＭＰａ时，Ｑｖ＝３０Ｌ／ｍｉｎ；ΔＰｖ＝７ＭＰａ时，Ｑｖ＝４５Ｌ／ｍｉｎ．压力极限：ＰＰ，ＰＡ，ＰＢ为３５ＭＰａ，ＰＴ为１６ＭＰａ．
３管片拼装试验台回转电液控制系统试验分析
根据管片拼装试验台回转电液控制系统的设计，成功搭建了２ｍ管片拼装试验台回转电液控制系统，试验台如图５所示．试验台主要由工作站、数据采集控制柜与管片拼装机组成．工作站主要负责实时显示试验台的状态数据并接受用户的操作指令；数据采集控制柜主要负责试验台的数据采集及控制工作；管片拼装机由执行机构系统及电液控制系统组成，主要完成管片的拼装定位工作．管片拼装机回转机构上装有扭矩转速传感器，可实时监测管片拼装机回转驱动的转速与力矩，回转电液控制系统驱动马达的主动腔、被动腔及系统管路处均装有压力传感器，实现对电液控制系统的压力数据的分布式采集与集中式监控．在该管片拼装试验平台上开展了拼装机回转动作测试试验．测试试验共分３个阶段，分别为阶跃响应能力测试阶段、斜坡减速效果测试阶段及低速停车效果测试阶段．试验曲线如图６所示．阶跃响应能力测试阶段主要测试系统阶跃响应能力，用于了解回转系统的整体响应速度及最大回转速度．系统输入如图６（ａ）阶段１所示，突然设定比例方向阀输入信号电压为最大值，实现阶跃输入．回转速度及系统压力阶跃响应如图６（ｂ）与６（ｃ）阶段１所示，系统阶跃响应峰值时间为１．１ｓ，系统最大转速为６．２５ｒ／ｍｉｎ，满足设计指标要求．斜坡减速效果测试阶段主要用于回转运动带载减速效果测试．系统输入如图６（ａ）阶段２所示，比例换向阀的输入信号为斜坡递减信号，实现换向阀阀口的缓慢减小．回转速度及系统压力阶跃响应如图６（ｂ）与６（ｃ）阶段２所示，高速、大惯量回转机构转速实现了斜坡递减，压力冲击显著减小，减速效果良好．低速停车效果测试阶段主要用于回转运动带载停车效果测试．系统输入如图６（ａ）阶段３所示，比例换向阀的输入信号由３．５Ｖ跳变为２．５Ｖ，用于实现阀口的临界关闭．回转速度及系统压力阶跃响应如图６（ｂ）与６（ｃ）阶段３所示，高速、大惯量回转机构实现了缓慢停车，压力冲击减小．
４结论
１）以比例换向阀为调节核心、以平衡阀为辅助保障的电液控制系统满足管片拼装机回转操作的功能要求．２）通过ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建模仿真及负载力矩分析，进而进行系统参数设计及元件选型的电液系统设计方法，具有科学性与实用性．３）１．１ｓ的系统阶跃响应峰值时间及６．２５ｒ／ｍｉｎ的最大转速，满足设计要求，并为开展管片高效自动拼装试验提供了数据参考.４）平衡阀虽保证了系统的稳态性能，却降低了系统的动态性能，系统的动态系统有待进一步提高．
作者：杨旭 龚国芳 杨华勇 陈馈 王林涛 单位：浙江大学 中铁隧道集团
