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重型液压设备承载结构连接形式 口刘海霞-口颜永年z口曾攀2口林峰2口张磊2 口张人佶2 1 ．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京 1 0 0 1 9 1 2 ．清华大学机械T 程系北京 1 0 0 0 8 4 摘要在回顾预应力铜丝缠绕液压机的发展和现状的基础上，抽象出液压机的基本力学模型，指出重型设备工程 领域常用的三种连接结构形式．即冶金结合结构、键合结构和坎合结构。分别从连接形式、力学特征和应用特性等多方面 对其进行了全面比较分析，阐明了各种结合结构的优缺点．同时也阐明了坎合结构在重型承载中的应用优势。通过例举我 国多台自主建造的万吨级重型压机实施情况，说明坎合原理及其技术在重型压机中已经得到广泛应用．在重型装备等行 业中具有巨大潜在市场。 关键词重型液压机坎合键合冶金结合 中图分类号T H l 3 l 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 1 0 3 0 0 0 1 0 4 A b s t r a c t I nr e v i e w i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts t a t u so ft h ep r e - s t r e s s e ds t e e lw i r ew o u n dh y d r a u l i cp r e s s e s ，ab a s i c m e c h a n i c a lm o d e lo ft h eh y d r a u l i cp r e s si sa b s t r a c t e d ．T h r e et y p e so fc o n n e c t i o ns t r u c t u r ea r ep r e s e n t e d ，n a m e l y ，m e t a l l u r g i c a l b o n d i n gs t r u c t u r e ，k e yj o i n i n gs t r u c t u r ea n db u m p yr i d g ej o i n i n gs t r u c t u r e ，Ar o u n d e dc o m p a r a t i v ea n a l y s i si sc a r r i e do u tf r o m t h ea s p e c t so ft h es t r u c t u r a lj o i n i n gf o r m s ，m e c h a n i c a la n da p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，e t c ．，1 1 1 ee x a m p l e so ft e n - t h o u s a n dt o n h e a v yp r e s s e sm a d eo no u ro w ni n d i c a t et h a tt h eb u m p yr i d g et h e o r ya n dt e c h n o l o g yh a v eb e e nw i d e l yu s e di nh e a v yp r e s s e s a n dt h e r ei sa h u g ep o t e n t i a lm a r k e ti nh e a v ye q u i p m e n ta n do t h e ri n d u s t r i e s ． K e yW o r d s H e a v yH y d r a u n cP r e s sB u m p yR i d g eJ o i n i n gK e yJ o i n i n g M e t a l l u r g i c a lB o n d i n g 2 0 世纪7 0 年代初，我国即开始了预应力钢丝缠 绕结构的研发．并取得了第一批理论上的成果．完成了 我国首台l5 0 0t 热等静压机；8 0 年代，在原国务院重 大装备办和一机郎重矿局的领导和支持下，清华大学、 太原重机厂、第二重机厂和川西机器厂投入大量的人 力物力研发2 万t 橡皮囊板料成形压机、等静压机、热 模锻压机和6 ．5 万t 航窄模锻压机，这些都是预应力钢 丝缠绕结构的压机9 0 年代初，以广东佛山科达和力 泰公司为代表的民营企业，应用此技术．将我国钢丝缠 绕陶瓷粉体压机的水平推向世界领先水平，成为预应 力钢幺幺缠绕技术新的亮点．达到日产一台48 0 0 ～78 0 0t 压机的制造水平眦] 。2 l 世纪初．在上述各类缠绕压机 批量生产、大量使用的基础上，为解决更大吨位液压机 设计、制造的困难，提出了预应力钢丝缠绕剖分坎合的 原理，目前该技术的发展已达到一个新的里程碑，并在 重型液压机领域得到推广应用。 1 力学分析模型 千变万化的锻压设备，其功能和结构各不相同，但 总可以从其结构上切出一基本的力学模型分离体A ， 如图l a 所示。沿着危险丁作状态下的主平面。即剪 力最小的截面 垂直于最大主应力迹线盯。和结构对称 收稿日期2 0 1 0 年1 1 月 机械制造4 9 卷第5 5 9 期 的截面 。切取一剖面n 。在n 面上存在各种内力素M 尬，M 。尬 和只只，只，功，如图1 b 所示。该模型可近 似视为通用的模型当Z 轴为一个整圆时．则可视为工 作缸体 内外压未加上 ；为一任意圆弧时，则为拱形 梁；为一直线时。则为直梁；肖Z ≤5 X 或Z ≤5 Y 时，为 高梁等。沿凡截面将A 切开后，形成A 。和A 2 两部分 [ 图l b ] ，图l b i 3 i 可以进一步简化为图1 c 的形式， 即以截面法向力和剪力的形式表示，法向力的合力为 J p ，剪力的合力为p 。当前工程上主要有3 种结构形式 再将A 。和A 合并起来，即冶金结合结构、键合结构和 坎合结构。不同的合并体其承载和应用各不相同。 2 0 1 1 ／3 万方数据 2 冶金结合、键合和坎合结构 2 ．1冶金结合结构 采用冶金连接的结构称冶金结合结构，是最基本 的结构。在剖分截面n 上进行焊接，使处于A 。和A 界 面上的原子达到晶格距离．实现金属键结合。金属键结 合力可以保证结合界面的强度，承受以P 和Q 为代表 的内力。这是重型结构承受载荷的基本原则。铸、锻和 焊接等热加工工艺是保证冶金结合的最重要的工艺。 1 9 6 0 年。上海江南造船厂承制的1 20 0 0t 水压机，其 立柱采用l l 件 分段数量由当时铸钢能力而定 击1o o om m ／币4 0 0m m x l8 0 0m m 的空心铸钢件经电 渣焊形成我国第一台万吨水压机的立柱 长1 82 0 0 m m 。这一创举，是以大量工程实践为背景的⋯。 然而，随着压机吨位增加，零、部件体积和重量随 之增大。活动横梁重量可达到4 0 0 ～8 0 0t 、工作缸6 0 ～ 1 2 0t 、立柱8 0 ～2 0 0t 、机架l0 0 0 15 0 0t ．采用整铸成 形，或分铸、锻后焊接成形，已十分困难，面l l 缶很大的制 造、安装、运输风险。将整体结构剖分为数件予结构，再 用特定的螺栓将其预紧成一个组合结构件，而不采用 冶金结合 焊接 的方法，这就是键合结构。 2 ．2 键合结构 以键与键孑L 槽 的相嵌配合而承剪的结构为键合 结构。也称为组合结构。重型键合结构一般为预应力结 构。键合结构形式 多样。但基本形式 可简化为如图2 所 示的原理。预紧件 一般为重型螺栓或 预应力环 筒 ，它 的拧紧 或收缩 ， 对被预紧件产生强 大的压力P ，将子 件1 和子件2 牢固 地“压”在一起而形 加其刚度，即预紧件与被预紧件刚度比C 值过大，可 达0 ．9 。C 值过大的直接后果是预紧件 螺栓 承受工 作载荷 交变载荷 的份额过大，造成预紧件 螺栓 早 期疲劳破坏。机架的预紧系数田 叼 P ／P C n ’。- C 2 1 C r ／ 1 2 式中只为预紧载荷；J P 为工作载荷；∞为工作载荷引 起预紧件 螺栓 的应力幅值与其平均值之比 式 2 是 针对图2 所示模型推导的 。 由于重型螺栓的强度所限，难以提高，故一般刀 1 ．0 ～1 ．1 ．C O ．9 ，则o J O ．1 8 。 为了降低预紧件与被预紧件的刚度比，以德国 P A H N K E 公司为代表的许多公司，开发了强度更高、 刚度更小的细螺栓代替粗螺栓，C 值可降到0 ．4 左右， 并取得了很好的效果。但总体来说C 值仍然很高。 2 与C 值更小的结构相比，在承受同样载荷的前 提下．被预紧件释放能量较少，结构承受冲击载荷的刚 性较大。 3 键孑L 应力集中是键合结构最为严重的问题。键 孔的变形 由圆形变成椭圆形 ，圆周曲率的变化，引起 巨大的拉、压应力集中。这是键合结构 组合结构 发生 严重事故最常见的原因。 4 在疲劳载荷下，螺栓 预紧件 根部螺纹过渡区 的应力集中问题严重。工程上对根部进行了结构优化， 情况有所改善，但问题仍然在工作频率较高的压机上 出现．如螺栓预紧的40 0 0t 以上的陶瓷砖压机预紧螺 栓寿命常小于2 年。 5 大型的承剪键与键孔的相嵌配合对加工和装 配造成困难。 6 重型粗螺栓的造价昂贵，成型、加工、热处理和 运输等困难。 正因为上述诸多问题．前述第二重机厂1 20 0 0t 水压机大修后，放弃了动梁原设计的键合结构 组合结 构 而采用冶金结合结构 整铸 。可见键合结构是一种 成一个“整体”。预紧件和被预紧件共同承受载荷P ，且 铸、锻和焊能力不够 按刚度来分配其份额，而9 则由承剪键和键孔来承 时采用的结构。 受。此种设计原则广泛应用于重机行业各个领域‘引。 2 ．3 坎合结构 如二重原从捷克列宁工厂引进的1 2o o ot 水压机，动 基于键合结构存 梁由多个子件．经大量的螺栓和承剪键预紧成一个整 在的问题，清华大学 体。百年的工程经验得出，键合结构只要承载后子件间 重型装备团队在近 的界面互相不分离、不错移 包括旋转和平移 ，且能够 3 5 年预应力钢丝缠 承受P 、p ，从功能上就可以视为整体结构。大量的工程 绕结构工程实践的基 实践说明，键合结构主要存在以下问题 础上，于2 1 世纪初， 1 预紧件与被预紧件相比，强度不够高。产生强 提出了坎合结构㈦7 3 大预紧力时，需将预紧件 螺栓 设计得十分粗大，以增 图3 。 囵2 0 1 1 ／3 机械制造4 9 卷第5 5 9 期a _ k 万方数据 坎台结构是经界面坎台作用而将子件连接起来的 结梅。坎台结悔摒弃键和键扎果片} 蟑擦堋敷大而硬度 略低的金属坎合层代之，干件 ．和A 的接触面经坎 台处理 多峰结构的处理 ．在顼应力钢丝缄绕屡的顶 紧下．害峰结构挤压 盘属坎告屉产生一种不可逆的 塑性接触形成E 大的足“抵抗O 的稳定摩擦力。坎 台结构首先号虑大幅度障低预紧件的刚度．用强度逃 到2 0 0M P a 的丝材 如掸簧钢6 5 M n 制丝 代替细蟓 性．相对刚度值进一步降到C - - O l 一0 1 5 左右。 戟合结构强洱降低c 值的同时．还进一步提高预 紧程度，将机架的j 贞紧系数∞提高到l5 2 ．则u 值太 大下降。时一切蓐型预应力结掏来说．这⋯点是非常重 要。如q 2 ．C - - 0 1 2 ，则∞- - 0 ．0 2 6 ，如此小的∞说明预紧 件 _ i F l 丝屉 承受的是一种准静拽荷，就疲劳强废是键 台结构无法相比的。“上分析说明．当预鬃件刚度小到 一定程度后．虽然外载荷的性质没有改变但结1 匈承粳 性厦发生了质变．它从承受典型的空变载橱转变成 “准静敕荷” 近似静载荷 ；而被预觜件始磐处于变变 的压应力作用下．强度S 疲劳强度不台有问题 文献 [ 8 ] 对碳摩结构诗钢的太型铸造试件进扦T 大量的压一 压、压一拉和拉一拉应力循环疲劳饭限文测结果证明 压一压幢力循环的疲劳极限＆压一拉应 循环高25 倍。疲劳分析的H 一加圈也证明T 这一结沦 。 坎台结构B十显著的优点在于多蝽结构的M 压彳匣小．峰值一般为05 ～20 B m ．不会⋯起裂纹和应 熟巾。’1 ；坎合层的采用，大大简化T ，与A 2 阈的配台 关系．进在重型装备领域非常重要。与键合结 勾相比． 坎合结构的设计特点可归纳为 1 化太为小根据铸、锻、焊制造的风险成奉、周 期等田索央定于件的大小取小值“获得更好的技术 敷技术经济指标 2 化嵌为坎摒舟键和健孔及其相嵌配台的荚 系．采用摩擦团数太的金属坎台层代之．用I5m m 高 的多峰体挤压嵌 坎台板 坎合 代替敷百毫米的宏 观相嵌配台 3 化松为蟹提高预紧※敷至l5 2 ．大大增加预 紧力 4 化动为静T 作载荷引起预紧什的应力幅值与 娃平均值之比小于3 ％～4 ％．可视为静载。 总之，坎台结构几乎弥补T 组合结构的幸邬缺点． 继雁T 其全部优点， 3 应用 本世纪韧．经济飞速发展推动T 破搿锻压设备 需求的强劲增＆。钢丝缠绕预应力结{ 句推广应用于超 过l2 0 0 台大小型压机，主要包括陶瓷柑体压机、换热 望童 竺 翌 HE2 、∞1 W N №1 { { 目B n 器饭片压制成形压机、冷热等静压机太幕驯。存此基 础上，进一步提m 锕地静绕蚀应力戟台连接甄理在重 型装备行业逐渐得到膻用并窟屉成熟． 图4 自包头北肖重T 集目的3 ．6 万I 垂直锕管挤 压机和l5 万l 闭武镦粗穿扎、切底压机。承载结构采 用钢丝缠绕预应力坎台结构日前雎机c 经成功完成 安装调试及锕管挤压热试．目5 由预墟力钢丝缠绕2 5 0 0 I 自m 锻“- 机 4 结论 坎台技术在重型装备行业的影响必将触时问的推 移而突a m 来．观阶段{ 仪应看到馥技术血接的应用 更应看剜m 于突破T 馥■装备设H 制遗限制必新 用新的视角市视原有I 艺创造新的T 艺井骨钊新T 艺将带来的技术和工程的进步目前，许多形状复杂 内部质量要求高的大型棱自锻件、航窜戢件．勘探戢件 等B 有工艺及装备静』遣饵难t 蓐风险大效率低而 采用太吨位级别 如l o 万t 缀 模锻一挤堰渣墟机引 用新的T 艺，则必将创造小一条新路．T 程宴践厦基础 原理研究证明．采用篇于坎台娘理的撷应力钢丝轴绕 方案．将是设计更太Ⅱt 位级别液堆饥的高效途径． 坎台技术是具有中同特色的拄术，随符相差技术 和产业的发展与成熟．如锕丝缠绕垃计的抗蠕变设计 ⋯⋯．任意姿卷 包括垂直状态】橱绕机器人缠绕坟音 规范制定Ⅻ数字模拟分析技术广泛应H 』等．其在重型 行业的应用将会更加得到发展．髟响深远。 2 0 1 1 ／3 到 万方数据 基于约束关系的服务机器人双臂协同运动控制研究 口戎海亮口何永义 上海大学机电工程与自动化学院上海2 0 0 0 7 2 摘要为了提高家居服务机器人在双臂协同运动作业时的准确性和安全性，提出了一种基于约束关系的双臂协同 运动控制算法。通过对机器人双臂坐标系模型的建立以及运动学正逆解的分析，结合双臂运动中位置、姿态及各关节速 度之间的约束关系，实现了机器人较精确的双臂协同运动。本算法已经成功应用于所研究的家居服务机器人，实验结果 表明．算法具有精确度高、实时性好的特点。 关键词服务机器人约束关系协同运动 中图分类号T H ll T P 2 4 文献标识码A文章编号1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 11 0 3 一o 0 0 4 0 3 A b s t r a c t I no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n ds a f e t yo ft h ec o o r c l i n a t e dm o t i o no p e r a t i o no ft h eh o m es e r v i c er o b o ta r m s ， am o t i o nc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nc o n s t r a i n e dr e l a t i o n s h i pi sp r e s e n t e d ．T h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to ft h ec o o r d i n a t es y s t e m m o d e la n dt h ef o r w a r da n di n v e r s ea n a l y s i so fk i n e m a t i c sa n dw i t ht h ec o n s t r a i n e dr e l a t i o n s h i po fp o s i t i o n ，p o s ea n dj o i n t v e l o c i t y ．t h ec o o r d i n a t e dm o t i o no ft h er o b o ta r m si sa c h i e v e dm o l ea c c u r a t e l y ．r 1 1 l i sa l g o r i t h mh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o t h eh o m es e r v i c er o b o t s ．n er e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mf e a t u r e sh i g ha c c u r a c ya n dg o o dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e ． K e yW o r d s S e r v i c eR o b o tC o n s t r a i n e dR e l a t i o n s C o o r d i m a t e dM o t i o n 现今。家庭服务机器人的发展方向是智能化、重量 轻、模块化⋯。由围家8 6 3 计划“家居服务多机器人系 统”的支持．我们实验室已经研发出一种拥有两个六自 由度模块化机械手臂和多传感器的家庭服务机器人 见图1 。机器人身高1 7 5c m ，体重9 5k g 。整个机器人 拥有2 2 个自由度，其中底盘有2 个自由度，腰部有2 个自由度．两个机械手臂有1 2 个自由度，头部有6 个 自由度。多传感器系统包括一个激光传感器，一个三目 ★国家8 6 3 高技术研究发展计划重点项目 编号2 0 0 7 A A 0 4 1 6 0 4 上海市科委匿点项目 编号0 7 D z 0 5 8 0 5 收稿日期2 0 1 0 年9 月 视觉传感器，一个电子罗盘。它可以自主导航并且在相 对非结构化的家居环境巾自主移动。机器人的机械手 臂长7 8 3m m ，重l lk g 。 每一个机械手臂由6 个关节模块和1 个夹持模块 组成．两个手臂共有1 4 个模块。这些模块的控制器通 过C A N 总线与上位机进行通信，每一个模块集成了一 个无刷直流伺服电机和一个控制电路板。控制电路板 和电机均采用厂 2 4V 供电，模块采用的是中空机械 结构．因此非常方便连接电线和信号线。无刷直流伺服 电机由控制器发出的内部逻辑参数来进行控制，当模 块执行一个运动时．运动过程中的数据由传感器实时 参考文献 林峰，颜永年，吴任东，等．重型模锻液压机承载结构的发 展[ J ] ．锻压设备与制造技术，2 0 0 7 5 2 7 - 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