残疾人举重液压伺服保护装置设计.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 3卷 第 2期 机床 与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I C S J a n ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 3 8 残疾人举重液压伺服保护装置设计 汪 功 明 安徽职业技 术学院，安徽合肥 2 3 0 0 1 1 摘要设计一种残疾人举重保护装置 ，该装置由导轨、液压跟随单元 、液压托举单元等三部分组成 ，主要依据液压伺 服原理工作。阐述了该装置的技术方案，并对装置的核心结构做了选型设计。 关键词 举重保护装置；液压伺服； 选型设计 中图分 类号 T H1 2 2 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 2 - 1 1 5 - 3 De s i g n o f Hy d r a ul i c Pr o t e c t i o n Equ i pme nt S e r v e d t h e Di s a b l e d W e i g ht - l i f t i n g WANG G o n g mi n g A n h u i V o c a t i o n a 1 a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ，He f e i A n h u i 2 3 0 0 1 1 ，C h i n a Ab s t r a c t A k i n d o f h y d r a u l i c p r o t e c t i o n e q u i p me n t s e r v e d t h e d i s a b l e d w e i g h t l i f t i n g wa s d e s i g n e d ． T h e e q u i p me n t c o n s i s t e d o f g u i d e r a i l ，h y d r a u l i c f o l l o wi n g u n i t a n d h y d r a u l i c l i ft i n g u n i t ．I t ma i n l y d e p e n d e d o n h y d r a u l i c s e rvo t h e o r y t o w o r k ． T h e t e c h n i c a l p r o - p o s a l a n d t h e mo d e l d e s i g n s o f t h e c o r e s t r u c t u r e o f t h e e q u i p me n t w e r e s t a t e d ． Ke y wo r d s W e i g h t l i f t i n g p r o t e c t i o n e q u i p me n t ；Hy d r a u l i c s e rvo t h e o ry ；S e l e c t i o n d e s i g n 残疾人举重训练或 比赛 时 ，考虑其 身体机能 的局 限性 。采取运动员仰躺的姿态 ，在比赛专用台板上完 成举 重动作 。为 了保护运 动员 安全 ，防止 意外发 生 ， 举重 杠铃两侧各有一名工作人 员双手十字交叉虚置于 举 重杠下 ，并跟 随杠 的上下 同步移动 ，以防不测 。这 种方法强调由人来保护运动员的安全，理论上存在安 全隐患 ；在竞技层面，易使运动员产生心理负担 ，而 影响 比赛水平 的发挥 在观赏层面 ，观众看到 的是 比 赛现场站立两旁的两名安全保护工作人员，从而使比 赛 的观赏性 大打折 扣 。现开发一种残疾人举重液压伺 服保护装置 ，以解 决上述问题 。在残疾人举重训练或 比赛现场 ，使用该装置后，训练比赛时运动员的安全 性可以得到保证，并能消除运动员因担心安全而产生 的心 理紧张 ，亦使 比赛过程更加精彩 。 1 残疾人举重液压伺服保护装置开发的关键问题 该装 置 的开 发 中 ，着 重 要 解 决 两 个 技 术 问题 1 实际举重训练、比赛过程中，如何确保该装置 始终跟随杠铃的位置前后移动 2 当运动员对杠 铃失 去控制时 ，保护装置如何及 时支撑托举 杠铃而避 免运动员受到伤害 2 残疾人举重液压伺服保护装置的设计方案 2 ． 1 残疾人举重液压伺服保护装置的基本结构 设计如下方案 装置基本结构 由导轨 、液压跟随 单元 、液压托举单元组成 见图 1 。液压跟随单元 见图 2 由电液伺服阀 4 、跟随缸 5 、电放大器 6 、 工作 台 7及指令 电位器 、反馈 电位器等组成 ，工作 台 与跟 随缸刚性 连接 ；液 压 托举单 元 由 电液 伺服 阀 9 、 测力传感器 1 1 、电放大器 1 0 、托举缸 1 2及托架 1 3 等组成 ，测力传感器安装在内杠上，托架与托举缸刚 性连接 ，托举 缸 1 2固定在 工作 台 7上 。液压 跟 随单 元与液压托举 单元结构上装配成一个整体 ，并置于导 轨 8上。此装置要求成对使用，安装于举重架两侧 见 图 3 。 图 1 装置组成图 1 一油箱2 一液压泵3 一溢流阀4 、9 一电液伺服阀 5 一跟 随 缸6 、l O 一 电放 大器 7 一 工 作 台 8 一 导轨 l 1 一 力传 感器l 2 一托 举 缸l 3 一托 架 图 2 残疾人举重液压伺服保护装置工作原理图 收稿 日期 2 0 1 3 1 卜 2 4 作者简介汪功明 1 9 6 8 一，男 ，工学硕士 ，副教授，研究方向为液压气动与电气控制。E - ma i l 1 6 5 2 0 6 2 6 9 5 q q ． c o rn。 1 1 6 机床与液压 第 4 3卷 图 3 机架三维造型示意图 2 ． 2 残疾人举重液压伺服保护装置的工作原理 该装置采用的是液压伺服原理。液压跟随单元可 以在运动员举重时，使保护装置始终跟随杠铃的前后 位置 ，以保证托架始终处于杠铃正下方 。液压托举单 元是 在运动员对杠铃失去控制 时．托举缸上移 ．托架 及时托住杠铃 ，防止坠落压伤运动员。 液压跟随单元的工作原理 由指令电位器实时反 馈杠铃 的直线位移 ，并和反馈 电位器跟踪 的位移进行 偏差 比较后 ，转化成 电信号 ，通过 电放大器 6利用放 大 的电信号控制 电液伺服 阀 4动作 ，使跟随缸 5同 向 移动 ，与跟随缸刚性连接的工作台7同步运动。当反 馈电位器反馈的位移与指令 电位器指示位移一致时， 工作台 7 停止移动，此时托架 1 3应正处于杠铃正下 方 。 液压托举单元 的工作 原理 若运动员对杠铃失去 支撑 ，力传感器 1 1 检测出力的变化并将此信号与给 定力比较偏差后。传递给电放大器 1 0 ．从而控制 电 液伺 服阀 9 动作 。托举缸 向上运动 ，直到托架托住杠 铃 ．当力传感器检测 的力 与给定力偏差 为零时 ，托举 缸完成了对杠铃的支撑，停止继续上移。 装置整体置于导轨之上。方便举重前后对此液压 伺服保护装置进行较大的位置调节。 3 关键部件的选型或主要参数设计 3 ． 1 液压托举单元的核心部件设计 3 ． 1 ． 1 托举缸 的结构类型与主要参数设计 此装置跟随单元的托举缸是控制系统中的执行元 件，在刚度、稳定性、密封性等方面要求高于传动用 液压缸 ，要根据工艺要求 、计算结果及 设备的结构尺 寸等进行非标准设计。 系统用伺服液压缸 的主要类型有活塞式 、柱塞式 两种。柱塞式是单作用缸．回程要借助外力作用，系 统调试与操作都不方便 活塞式是双作用缸 ，使用方 便 ，故选用单杆双作用活塞缸 。 液压缸 的主要 参数 是液 压缸 内径 D 和活 塞杆 直 径 d 。此装置 要求 成对 使用 ，工 作 时双缸 支撑 杠铃 。 依据人的举重能力 ，设计外部冲击力 1 0 0 0 0 N．每只 缸 承受 的最 大载荷 为 5 0 0 0 N；中压 系统 ，压力 选择 3 MP a 。依 据 无 杆腔 顶 出承 受 载 荷 的方 式 计 算 D 0 ． 0 4 6 1 m，参 照 液压 缸 内径 系 列 G B 2 3 4 8 8 0 ，D 选择 5 0 m m，依据 活 塞杆 直 径 系 列 G B 2 3 4 8 8 0 d 选择 4 0 m m 机械设计手册第 3版第 4卷 1 9 2 0 2表 1 9 ． 6 ． 3 ⋯。 3 ． 1 ． 2 力传感器的选型设计 传感器种类很 多 ，根据工作机制不 同可 以分 电阻 式 、电容式 、电感式 、磁 电式 、压磁式 、压 电式 、热 电式 、光 电式 、射线 式 、气动 式 、频率 式 、数 字式 、 光纤式、霍尔式 、湿敏式、气敏式等。选择时主要考 虑其测量 范围 、精度 、灵敏度 、测量方式 、动态特性 等方 面。 压电式传感器是一种利用某些晶体的压电效应将 与力有关的量的变化转化为电荷量的变化并输出的传 感器 ，一般利用压电材料的正压电效应工作 ，晶体受 力产生 的电荷量 与外力 的大小 成 正 比 ．测控 量 可 以 是 力 、压力 、加 速度 、速度 、小 位 移 、振 动 及 流量 等，具有结构简单、工作可靠 ，工作频率宽，灵敏 度高，体积小、质量轻 。信噪比高 ，双向特性等优 点 ，量程 可达 1 0 7 N，动 态 响 应 好 ，特别 适 用 动 态 力的测量 。 该装置要求灵 敏度 高 ，工作 可靠 ，能承受 动态载 荷，使用方便 ，故选用 Y E 1 4 3 0 8型压电式测力传感 器。压电式力传感器的电荷放大器电路见图 4 ；压电 式测力传感器的结构外形见图 5 ；压电式力传感器的 产品选型及 主要参 数见表 1 。 C Q 图4 压电式力传感器的电荷放大器电路图 图 5 压 电式测力传感 器的结构外形图 第 2期 汪功明残疾人举重液压伺服保护装置设计 1 1 7 表 1 Y E 1 4 3 0 8 型压电式力传感器主要参数 机械设计 手册第三版第 5卷 2 2 2 0 6表2 2 4 ． 3 9 量程／ N 1 0 0 0 0 l 4 电荷灵敏度／ p C N 一 4 D 4 0 线性度／ ％F S 1 尺寸／ 一 日 l1 谐振频率／ k H z ～3 O M 5 绝缘 电阻／ Q 1 0 ” 工作温度／ 。 C 一 1 9 6 2 0 0 电容／ p F 1 0 质量／ g ～1 2 0 3 ． 1 ． 3 电液伺服 阀的选 型设计 电液伺服阀具有控制精度高 、响应速度快 、信号 处理灵活、输出功率大等特性，而且结构紧凑、质量 轻 、易于实现各种参量的反馈 。电液伺服系统按照控 制 参量不同可 以分为位置控制 、速度控制 、力控制等 系统 。该 装置托举单元应选择 电液力控制 系统 ，该 系 统具有控制精度高、功率大 、响应速度快、结构紧 凑 、易于改变控制力的大小等优点 ，契合该装置使用 要 求。 电液伺服 阀能够把微小 的电信号转换 为大功率的 液压能输出，是电液力控制系统的关键元件。电液伺 服阀的主要结构类型有动铁式单级伺服 阀 、动 圈式单 级 伺服阀 、力反馈双级喷嘴挡板伺服 阀 、滑 阀位置反 馈伺服阀、弹簧对中伺服阀、电反馈伺服阀偏转板射 流式伺服 阀 等 ，选 型时 主要 考 虑其 类 型 、参 数及 性 能。结合该装置托举单元的工作要求 ，选用 F F 1 0 8 型 电反馈双级喷嘴挡板电液伺服阀。其主要性能参数见 表 2 。 表 2 F F 1 0 8型 电反馈双 级喷嘴挡板伺服 阀主要性能参数 机械设计手册 第 3 版 第 4卷 2 0 1 4 4表 2 0 ． 4 ． 2 6 。 额定流量／ L m i n 6 0 分辨率／ ％ ≤0 ． 5 额定压力／ MP a 2 1 非线性度／ ％ ≤ 5 额定 电流／ m A 5 0 不对称度／ ％ ≤ 5 线圈电I沮／ Q 3 5 幅频宽／ H z ≥2 5 0 颤振 电流／ ％ 1 0 2 O 相频率／ H z I2 5 0 颤振频 率／ H z 1 0 0 4 0 0 工作介质 Y H ． 1 0 3 ． 2 液压跟随单元的核心部件设计 3 ． 2 ． 1 跟随缸 的选型及 主要参数设计 跟随缸安装在导轨上作水平方 向的往复运动 ．双 向移动承受载荷的方式相同，故宜选用双杆活塞缸． 水平运动设计承受最大载荷 l 0 0 0 N，中压系统，压 力选择 3 MP a 。由于两工作腔 均是有 杆腔 ．依 据液 压 缸 内径系列 G B 2 3 4 8 ． 8 0 ，D选择 3 2 m m；计 算得到 d 0 ． 2 4 5 m，依据活塞杆直径系列 G B 2 3 4 8 ． 8 0 d 选择 2 5 m m 机械设计手册第 3版第 4卷 1 9 2 0 2表 1 9 ． 6 3 。 3 ． 2 ． 2 电液伺服 阀的选 型设计 依据跟 随单元 的工作性 质 ．选用 F F 1 0 9 P型 电反 馈双级喷 嘴挡 板 电液 伺 服 阀。其 主要 性 能参 数见 表 3。 表 3 F F 1 0 9 P型电反馈双级喷嘴挡板伺服阀主要性能参数 机械 设计手册第 3版第 4卷 2 0 1 4 4表 2 0 ． 4 ． 2 6 额定流量／ L mi n 1 5 0 分辨率／ ％ ≤0 ． 5 额定压力／ M P a 2 1 非线性度／ ％ ≤ 7 ． 5 额定电流／ m A 1 0 不对称度／ ％ ≤ 1 0 线 圈电 l - I 1 6 0 幅频 宽／ H z 7 0 颤振电流／ ％ 1 0 ～ 2 O 相频- g ／ H z 7 0 颤振频率／ H z 1 0 0 ～ 4 0 0 工作介质 Y H ． 1 0 4 结束语 残疾人举重液压伺服保护装置由导轨、液压跟随 单元、液压托举单元等三部分组成 ，主要依靠液压伺 服原理工作。该产品已申请专利并获得授权 ，专利号 Z L 2 0 1 3 2 0 2 5 7 8 3 0 ． 3 。设计 、生产并推广使用该装置 ． 既可 以最大程度有效保护运 动员 的安全 ．又能增强 比 赛的观赏性 ，有利于推动残疾人举重运动的发展。 参考文献 [ 1 ]成大先． 机械设计手册 第 4卷[ M] ． 3版． 北京 化学工 业 出版社 ． 1 9 9 3 ． [ 2 ]成大先 ． 机械 设计 手册 第 5卷 [ M] ． 3版 ． 北京 化 学工 业 出版社 ． 1 9 9 4 ． 上接 第 1 1 4页 5结论 1 可 调式 超压 溢 流 阀结 构 原 理清 晰 ，结 构设 计 合理 2 可调式超压溢流阀结构紧凑，拆装方便 ； 3 可 调式 超压 溢 流 阀工作 性 能 良好 ，制 造成 本低 ，具 有较好的推广应用价值 。 参考文献 [ 1 ]姜继海 ， 宋锦春． 液压与气动传动[ M] ． 北京 高等教育 出版社 ． 2 0 0 2 ． [ 2 ]张利平． 液压传动系统及设计[ M] ． 北京 化学工业 出版 社 ． 2 0 0 5 ． [ 3 ]路甬祥． 液压气动技术手册 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ． 2 0 0 2 ． [ 4 ]全国汽车标准化委员会． Q C ／ T 5 2 9 ． 2 0 0 0汽车动力转向 器总成台架试验方法[ S ] ． 北京 中国标准出版社， 2 0 0 0 ．