隧道與聲屏障綜合清洗車工作裝置液壓系統仿真

韓國武，荊 蓓，樊 琪，陳新軒，李 博，李 平

(1.陜西省高速公路建設集團西耀分公司，陜西 西安 710065； 2.長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064)

0 引 言

當前，中國隧道墻面、聲屏障的清洗與養護還處于人工操作水平，主要是由清潔工人使用簡單的工具清洗，或者借助于公路護欄清洗車來清洗，不僅效率低，而且會造成安全隱患。隧道、聲屏障清洗車可以完成隧道墻壁面與聲屏障的清洗工作，不僅能夠節省時間、降低能源損耗，而且能夠保證作業質量，提高效率[1-4]。清洗車工作裝置的液壓系統是其關鍵部分，決定著清洗車工作裝置的工作和運行情況。

本文以某隧道、聲屏障綜合清洗車的工作裝置為例，闡述其液壓系統的基本結構和工作原理，并建立液壓系統的仿真模型，針對清洗最大半徑位置工況，對液壓系統進行動態仿真，分析該工作裝置液壓系統的動態特性。

1 清洗車工作裝置的基本結構及液壓系統工作原理

1.1 工作裝置的基本結構

圖1 工作裝置結構

隧道、聲屏障清洗車主要是通過安裝在汽車底盤前的工作裝置來實現對隧道壁面或聲屏障的清洗。工作裝置由轉盤、機械臂、油缸、刷錕等組成，如圖1所示。液壓馬達驅動轉盤將機械臂1、機械臂2、機械臂3及滾刷調整至最佳的工作位置。機械臂之間通過銷軸鉸接，依次由大臂油缸、副臂油缸、小臂油缸、角度調整油缸驅動，根據不同的作業工況可以調整機械臂之間的夾角，以保證清洗效果[5-8]。

圖2 工作裝置液壓系統原理

1.2 液壓系統的工作原理

隧道、聲屏障清洗車的工作裝置工作時，機械臂及滾刷的運動都需要液壓系統提供動力，液壓系統主要由定量泵、溢流閥、電磁換向閥、兩位兩通液控閥、平衡閥、梭閥、液壓缸、馬達、連接管路、液壓油箱等組成。液壓系統原理如圖2所示。當二位二通液控閥工作在上位時，直接回油，液壓缸與馬達均不工作；當二位二通液控閥工作在下位，三位五通電磁換向閥1處在工作位時，大臂油缸工作。同理，當三位五通電磁換向閥2、3、4、5在工作位時，副臂油缸、小臂油缸、角度調整油缸及回轉馬達工作。溢流閥為安全閥，當電磁換向閥在工作位時，溢流閥始終與高壓相連，當負載過大時，溢流閥就會溢流，保護液壓回路。當二位二通液控閥2工作在左位，同時二位五通電磁換向閥工作在上位時，清洗馬達開始工作[9-10]。二位二通液控閥2的作用是保證泵輸出壓力與負載壓力的壓差不變，使得馬達的轉速只與二位五通電磁換向閥的開口面積有關，而與執行元件的負載大小無關。整個液壓回路采用并聯連接，各液壓缸與馬達之間的工作互不影響[11-12]。根據不同的清洗工況，通過給定電磁換向閥電信號來控制電磁換向閥的工作位，進而控制液壓缸及其液壓馬達的動作，使機械臂處于合適的位置，以實現清洗過程，保證清洗效果。

2 清洗車工作裝置液壓系統的建模與仿真

2.1 AMESim軟件

AMESim ( Advanced Modeling Environment for Performing Simulation of Engineering Systems， 工程系統仿真高級建模環境)是專門用于工程機械液壓系統的建模仿真及動力學分析的軟件。AMESim軟件提供了一個標準的仿真模型庫，包括液壓、控制、機械、電氣等。由于液壓系統元件的多樣性，AMESim還建立了一個基本元件的設計庫HDC(Hydraulic Component Design)，其中包含了任何機液系統的基本結構單元模塊。通過使用HDC，用戶可以根據自己的需要建立標準庫中沒有的液壓模型[13-14]。

2.2 清洗車工作裝置液壓系統的建模

根據清洗車工作裝置液壓系統原理，在AMESim液壓元件庫中找到相應的溢流閥、電磁閥等液壓元件模型，利用HCD庫搭建二位二通液控閥等特殊元件模型，并添加必要的信號源模型，建立如圖3所示的工作裝置液壓系統仿真模型。

圖3 工作裝置液壓系統AMESim模型

各液壓缸電磁閥的控制信號輸入如圖4所示。

圖4 各液壓缸電磁閥的控制輸入信號

2.3 仿真及結果分析

隧道、聲屏障清洗車工作裝置的作業過程主要包括4個工況：隧道最高位置清洗、最大半徑位置清洗、最低位置清洗及聲屏障背面清洗。本次仿真以隧道最高位置清洗工況作為仿真初始狀態，如圖5所示。按照所建立的隧道、聲屏障清洗車液壓系統仿真模型，進入參數設置模式并設置好各元件模型的參數；然后進入運行模式，設置步長為0.1 s，仿真時間為15 s，對該清洗車工作裝置的最大半徑位置清洗姿態調整工況進行仿真分析。

圖5 仿真初始狀態

圖6 油缸活塞位移曲線

(1)各液壓缸活塞位移曲線如圖6所示。由圖6可知，該工作裝置的各種姿態與各液壓缸的運動過程輸入的信號相對應。同時，只要設置比較合理的參數，液壓缸活塞就可以實現平穩的運動。大臂油缸、副臂油缸、角度調整油缸的位移隨給定信號的變化到達指定位置后趨于平穩，保持不變，而小臂油缸的位移一直保持不變，圖中出現波動主要是因油液、液壓缸及油管具有彈性而產生的沖擊現象[15]。

圖7 液壓缸作用力曲線

(2)各液壓缸的受力曲線如圖7所示。由圖7可知，大臂油缸的作用力先逐漸增大，然后在40 000 N附近波動，這是因為活塞桿在各液壓缸交錯動作的過程中要克服整個裝置的慣性沖擊力；副臂油缸在0～5 s內波動較大，這是由于0～5 s內副臂油缸位活塞桿沒有位移變化，而工作裝置調整過程中活塞桿克服慣性沖擊力所致；小臂油缸的作用力一直在10 000 N附近波動，這是由于小臂油缸的位移一直不變，受機架自重的影響而產生抖動；角度調整油缸0～10 s內位移保持不變，也是由于各液壓缸在交錯運動的過程中要克服整個裝置的慣性沖擊力，在13 s出現劇烈振動[16-18]。

(3)各液壓缸壓力曲線如圖8所示。由圖8可知：大臂油缸無桿腔壓力先增加，后在150 bar附近波動，這是因為無桿腔進壓力油；而有桿腔壓力先保持不變，3 s后在143 bar附近波動，這是由于有桿腔壓力為回油路溢流閥產生的背壓，背壓進油壓力平衡，從而實現平穩運動。同理，副臂油缸壓力曲線、角度調整油缸壓力曲線與大臂油缸壓力曲線的分析類似[19]。小臂油缸無桿腔和有桿腔的壓力一直處于波動狀態，主要是由于小臂油缸位移一直保持不變，克服慣性沖擊力而產生抖動。

圖8 液壓缸壓力曲線

圖9 液壓缸無桿腔流量曲線

(4)各缸無桿腔流量曲線如圖9所示。有桿腔的流量變化與無桿腔類似。由圖9可知，各液壓缸的流量變化與輸入信號相對應，曲線中出現的波動是由于液壓系統中各液壓缸動作的交錯啟停產生的慣性沖擊所致。大臂油缸流量剛開始逐漸增加是由于作用力的變化引起節流閥的通流量增加。副臂油缸、小臂油缸及角度調整油缸流量的變化均是由于活塞桿作用力變化進而造成節流閥通流量產生變化。副臂油缸在5 s時流量變化較大，是由于副臂油缸回路電磁閥在5 s時開始輸入信號，副臂油缸突然開始運動產生沖擊液壓所致。同理，角度調整油缸在10 s時流量變化較大，也是由于所在回路電磁閥在10 s時開始輸入信號，油缸突然開始運動產生液壓沖擊所致。

3 結 語

(1)以某隧道、聲屏障清洗車工作裝置為例，介紹了其基本結構和工作原理，并利用AMESim軟件建立了該工作裝置液壓系統的仿真模型，針對其最大半徑特定位置清洗工況，對模型設置合理參數并施加一定負載，完成隧道、聲屏障清洗車工作裝置液壓系統虛擬仿真。

(2)通過AMESim液壓系統仿真，得出了較為理想的各液壓缸的壓力仿真曲線、無桿腔流量仿真曲線及活塞位移仿真曲線。仿真圖中出現的波動是因為工作裝置在交錯啟停過程中慣性沖擊所致，屬于正常范圍波動。

(3)仿真結果表明，所計算的泵的排量、溢流閥調定壓力、缸的活塞直徑等參數比較合理，為該隧道、聲屏障清洗車工作裝置液壓系統其他工況的分析提供了一定依據，同時為清洗車液壓系統與結構的進一步改進優化提供了參考，對隧道、聲屏障清洗車工作裝置液壓系統設計也具有一定的指導意義。

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