煤矿救援机器人液压系统设计与仿真

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当今煤矿灾害救援方式仍然采用人工救援的方式 I2 J。事故发生后，时间就是生命，救援队员越早进入煤矿，被困矿工的生还希望就越大。但是灾后的二次灾难随时可能发生，严重威胁着救援人员的生命安全。煤矿救援机器人代替救援人员进入受灾区域进行环境探测和人员搜救，可以提高救援效率 j，因此研发性能可靠的煤矿救援机器人具有十分重要的意义。

目前，国内外科研机构正在开展煤矿救援机器人的研究。美国研制了 Ratler 、Simbot 、Cave Crawler和 ANDROS Wolverine等救援机器人。国内在煤矿救援机器人研发方面走在前列的中国矿业大学研制了CUMT-1、CUMT-2、CUMT-3等型号的煤矿救援机器人，但是此类机器人均采用纯电气驱动，而我国煤矿中将近-半是高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井 J，这就要求煤矿救援机器人具有严格的防爆性能。现阶段煤矿救援机器人防爆设计均是对主要驱动电机及驱动电路采取隔爆设计 J，这就使机器人的壳体十分沉重，且不利于防爆壳内电机、电路的降温。因此，液压系统驱动形式对于解决煤矿救援机器人的防爆问题或许是-条新的思路。

1 液压系统设计1.1 机器人 需满足的移动要求煤矿救援机器人主要用于井下瓦斯爆炸后的救援工作。当煤矿发生瓦斯爆炸后，井下巷道的布局、轨道、水沟、人行道、管道和电缆以及各种设备均可成为机器人行走的障碍。因此，为了能够顺利实现救援工作，机器人需要能够前进、后退，能够无级变速，能够越过 200 mm高的障碍和400 mm宽的壕沟，能够爬最大3O。的坡，能够实现原地转弯。机器人最高运行速度为1 m/s。

1.2 液压 系统设计及功能实现闭式液压系统应用在行走机械上具有很多优点 J，因此选择闭式液压系统作为救援机器人的驱动方式，设计的液压系统原理图及其在机器人上的布置位置如图1和图2所示。

液压系统主要放置在机器人腔体内，其中液压马收稿 日期 ：2013-02-18基金项 目：国家 863计划课题(2012AA041504)；江苏势技支撑计划项目资助(BE2010045)作者简介 ：李雨潭(1988-)，男，河北承德人，硕士研究生，主要研究方向为煤矿救援机器人。

2013年第 8期 液压与气动 25i.电机 2、3.双向定量泵 4.单向阀 5.溢流阀6.安全阀 7.手动换向阀 8.双向定量马达9.三位四通换向阀 1O.过滤器 11.油箱图 1 液压驱动系统原理图履 腔体 履带 带液压驱动系统图2 液压驱动系统在机器人上的布置位置达 8可以单独放置在履带单元内驱动履带行走，也可放在腔体内把动力传递给履带，通过具体的设计而定。

采用此系统，防爆则只需针对电机 1来进行。前进、后退及转向的实现：通过电机 1带动液压泵 2，泵 2带动马达8旋转，液压马达8驱动履带，从而实现机器人行走。通过改变三位四通换向阀9使液压马达 8反转即可实现机器人的后退，改变三位四通换向阀9使两个液压马达 8分别正反转即可实现转向。

无级变速的实现：通过控制电动机的转速来控制系统的流量可以实现机器人的无级变速。

辅助功能的实现：安全阀6、7的作用是当系统的压力过高时溢流保护液压系统。手动换向阀的作用是当系统出现故障时，调节手动换向阀7使高压回路与低压回路相通，推动机器人行走。但是此时的回路液压泵和马达都有内泄漏，需要随时对系统进行补油，因此需要添加补油回路，并且需要把泄漏的油放回油箱，否则会引起严重的发热 1。。。补油回路 由电机带动补油泵3向低压回路进行补油，并且带有溢流阀5保护系统安全。当补油回路工作时，不仅可以向系统补油，而且可以在低压油侧形成背压，使系统运行稳定。

2 液压系统仿真AMESim软件是国际最著名的工程系统高级建模和仿真平台，擅长于解决液压、机械、气动、电磁以及控制等复杂系统的问题。本文应用此软件对机器人的行走效果进行仿真分析。

2.1 液压系统所需基本参数计算根据救援机器人的工况要求，选择机器人平地行走和跨越障碍这两种极端的情况进行仿真。如果在这两种情况下能满足要求，则可以认为所设计的液压系统满足要求。这两种情况下机器人所需要驱动力矩的大小不同，反映在液压系统上，就是系统的流量以及所需的工作压力不同。液压系统驱动力矩为：M 0.159(Pl-P2)·q叩 N·m式中，P 、P：分别 为液压马达的人 口和出 口压力(MPa)；q为液压马达的排量(mL/r)；叼 为液压马达的机械效率。

设计履带驱动轮直径 d为 100 mm，机器人整机重量 为60 kg，取履带与地面的摩擦系数厂为0.8。机器人与地面问的阻力 FM·g·f，其中g为重力加速度，取g为9.8 m/s 。根据机器人所需克服的阻力矩 F·d/2可以得出平地行走时机器人最小驱动力矩为 23.52 N·m，选取排量为8.2 mL/r的OMM8型液压马达，计算出在机器人以1 m/s行走时系统所需流量为1.474 L/min，根据上式计算出系统压力为 2.12 MPa。

同理可计算出机器人越障时所需的最小驱动力矩为 140N·m，所需流量为 1.5 L/min，系统压力为 11.2 MPa。

2.2 机 器人行走仿真在 AMESim平台下建立液压原理图，设置系统采样时间为0.1 s，分别对关键参数设置，进行仿真。

1)平路行走仿真机器人在平路行走时，设置系统的仿真时间为60 s，得出系统的流量、压力以及液压马达输出转速曲线分别如图3-图5所示。

图3 系统流量图图4 系统压力图26 液压与气动 2013年第8期吕图 5 马达转速图通过仿真可以看出，在平路行走时，系统所需流量为 14.84 L/min，工作压力为 1.954 MPa，马达输出转速为898 r/min，对于所选的直径为 100 mm的驱动轮，可以达到 1 m/s的行走速度。因此在平路行走时，与理论计算接近，认为可以达到工况要求。

2)跨越障碍仿真因为机器人跨越障碍时，系统反应较复杂，设置仿真时间为 120 s。在补油泵未开启时得出系统的流量，压力曲线分别如图6、图7所示，在补油泵开启时得出系统的压力曲线如图8所示。

j对3是l5- 2图 6.1220.1210.1200.1190l1801l70ll6O补油泵未工作系统压力图7 补油泵未工作系统流量f/s图8 补油泵工作时系统压力机器人越障时，在补油泵未开启时，系统流量为1.1201 L/min，系统压力为 11.2 MPa，但是发现系统波动时间较长，接近60 S，这将严重影响系统性能。把补油泵开启，设置系统背压为 1 MPa，可以看出系统波动时间明显的减少。因此补油泵以及溢流阀5的设置可以提高系统的响应速度，有效提高系统的稳定性。

通过对机器人平地行驶和跨越障碍两种极端情况进行计算和仿真，将两种方法所得的数据进行对比，发现理论计算与仿真结果相同，说明所设计的液压系统完全能够实现煤矿救援机器人的驱动要求。通过仿真还可以看出机器人在启动时，液压系统会有波动，