大型液壓系統(tǒng)在負(fù)載沖擊下的穩(wěn)定性

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(1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 河北秦皇島 066004；2.秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工科技有限公司， 河北秦皇島 066004；3.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽蕪湖 241002)

引言

在鐵路客運(yùn)專線建設(shè)中，為減少地形對(duì)路面平整度的影響和土地資源的浪費(fèi)，其結(jié)構(gòu)形式多采用橋梁式設(shè)計(jì)。架橋機(jī)作為鐵路橋梁架設(shè)的主要設(shè)備之一，其自身性能對(duì)建設(shè)質(zhì)量影響較大。其主要功能是將預(yù)制梁從運(yùn)梁車平穩(wěn)的轉(zhuǎn)移至施工位置。

如圖1所示，1700 t架橋機(jī)中電液控制系統(tǒng)主要由支腿系統(tǒng)、行走系統(tǒng)等組成，其中支腿系統(tǒng)用于在架設(shè)過(guò)程中承載架橋機(jī)自重和橋梁重量。在整個(gè)施工過(guò)程中，支腿系統(tǒng)的穩(wěn)定性是安全施工的關(guān)鍵。

液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性受油液彈性模量的影響，國(guó)內(nèi)外對(duì)油液彈性模量的研究集中在油液含氣量和油液工作壓力兩個(gè)方面。魏超等[1]通過(guò)推導(dǎo)得出了考慮含氣量時(shí)的有效彈性模量動(dòng)態(tài)模型。唐東林等[2]準(zhǔn)確預(yù)測(cè)含氣油液在空氣分離壓下有效體積彈性模量的值，依據(jù)含氣油液中氣相成分隨壓力的變化過(guò)程，推導(dǎo)出含氣油液有效體積彈性模量理論模型。呂建宏[3]通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，提出可以通過(guò)油箱上方壓力的平衡速度來(lái)表征系統(tǒng)對(duì)含氣量平衡穩(wěn)定的響應(yīng)速度，但對(duì)于含氣量對(duì)大型液壓系統(tǒng)彈性模量的影響與架橋機(jī)的支腿系統(tǒng)穩(wěn)定性相結(jié)合方面的研究還尚且不足。

圖1 1700 t型架橋機(jī)

本研究旨在通過(guò)分析不同含氣量下對(duì)1700 t架橋機(jī)支腿系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提出提升架橋機(jī)工作穩(wěn)定性的解決方案。

1 架橋機(jī)支腿工作原理

1.1 架橋機(jī)支腿受力分析

1700 t架橋機(jī)自重約500 t，額定起重量為1700 t，滿載質(zhì)量為2300 t。由于架橋機(jī)施工過(guò)程緩慢平穩(wěn)，因此可忽略提梁過(guò)程中由于預(yù)制梁運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生的額外力。

如圖2所示，為架橋機(jī)的喂梁過(guò)程，施工過(guò)程中，運(yùn)梁車先將預(yù)制梁運(yùn)至架橋機(jī)前，此時(shí)架橋機(jī)前后支腿只受到架橋機(jī)自身重力，待做好施工準(zhǔn)備后，運(yùn)梁車將預(yù)制梁轉(zhuǎn)移至架橋機(jī)上，此時(shí)架橋機(jī)前后支腿承載架橋機(jī)自重和梁的重量共2300 t。

圖2 1700 t型架橋機(jī)部分工作流程示意圖

1.2 支腿液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

由圖2和圖3可知，架橋機(jī)前支腿和中支腿為主力支腿，均采用獨(dú)立泵源設(shè)計(jì)。為了防止支腿油缸出現(xiàn)軟退現(xiàn)象，在支腿油缸的進(jìn)出油口設(shè)置液壓鎖，增加支腿液壓系統(tǒng)的安全性[4]。其中喂梁操作之前，需要控制前支腿和中支腿缸伸出，分別支撐在橋面和橋墩上。

2 故障現(xiàn)象及分析

2.1 故障現(xiàn)象

預(yù)制梁從運(yùn)梁車上移接到架橋機(jī)上時(shí)，架橋機(jī)前后支腿油缸承重由自重變?yōu)樽灾睾皖A(yù)制梁的重量之和。此時(shí)由于所受載荷增加，支腿油缸出現(xiàn)72～75 mm 范圍內(nèi)的下降，嚴(yán)重影響施工過(guò)程的安全性。

1.加熱器 2.空氣過(guò)濾器 3.液位液溫計(jì) 4.排污閥 5.電機(jī) 6.回油過(guò)濾器 7.溢流閥 8.單向閥 9.換向閥 10.壓力表 11.分流集流閥 12、13.支腿油缸 14.液壓鎖 15.測(cè)壓接頭圖3 1700 t型架橋機(jī)液壓系統(tǒng)圖

2.2 理論分析

架橋機(jī)在喂梁操作時(shí)，Y型機(jī)能三位四通換向閥9的閥芯處于中位，液壓鎖14控制油壓力為0，閥口處于關(guān)閉狀態(tài)，油缸有桿腔和無(wú)桿腔油液被封死。此時(shí)支腿油缸產(chǎn)生下降，分析故障第一種可能是由于油液中含有較多氣體，使彈性模量降低，當(dāng)支腿油缸在受到較大載荷時(shí)，無(wú)桿腔中的油液產(chǎn)生較大程度壓縮，導(dǎo)致支腿油缸大幅下降；另一種可能是液壓鎖14的性能不佳或油缸活塞密封性能不佳導(dǎo)致油液泄漏增加，從而使油缸在承重增加時(shí)產(chǎn)生位移下降。

由于施工過(guò)程緩慢，而油缸下降現(xiàn)象只出現(xiàn)喂梁操作時(shí)，隨后穩(wěn)定在下降位置，而不是在整個(gè)支腿油缸承受預(yù)制梁重量的過(guò)程，所以排除第二種可能性。

油液的彈性模量是描述油液可壓縮性的一個(gè)重要參數(shù)，直接影響系統(tǒng)剛度和穩(wěn)定性。一般在小型低精度液壓系統(tǒng)中，由于工作腔容積較小，總的壓縮容積小，一般可忽略油液的可壓縮性。而對(duì)于重載系統(tǒng)，油缸尺寸較大，系統(tǒng)總壓縮體積大，此時(shí)油液的彈性模量將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

正常油液的體積彈性模量為0.8×103～2.1×103MPa，主要影響因素有油液型號(hào)、溫度、壓力和含氣量。 實(shí)際上，溫度和壓力對(duì)油液彈性模量的影響都是基于影響油液中氣泡含量產(chǎn)生的。其中壓力升高，導(dǎo)致油液中存在的氣泡溶解在油液中，使得油液彈性模量增加。所以油液中的含氣量是彈性模量變化的關(guān)鍵因素[5-8]。油液的彈性模量可以表示為:

(1)

式中， Δp—— 油液壓力的變化量

ΔV—— 油液總體積變化量

V—— 油液總體積

考慮油液含氣量，油液有效彈性模量和純油液彈性模量、氣體彈性模量的關(guān)系可以表示為:

(2)

式中，βe—— 油液有效彈性模量

βl—— 純油液彈性模量

βS—— 氣體彈性模量(βS=α×p，α為氣體定壓比熱容與定容比熱容之比)

Vl—— 純油液體積

VS—— 油液中氣體總?cè)莘e

油液中氣體存在的方式主要有溶解態(tài)和游離態(tài)兩種，游離態(tài)以氣泡的方式存在[9]，溶解在油液中的氣體體積可以表示為:

VSR(p)=δ×p×Vl

(3)

式中，δ—— 氣體在油液中的溶解度

p—— 油液壓力

油液中未溶解的部分氣體，以游離態(tài)存在，按照氣體狀態(tài)方程進(jìn)行壓縮:

(4)

式中，p0—— 系統(tǒng)初始?jí)毫?/p>

T0—— 系統(tǒng)初始溫度

T—— 油液工作溫度

R —— 理想氣體常數(shù)

根據(jù)式(3)～式(5)，可以得出油液有效彈性模量和純油液彈性模量、系統(tǒng)壓力的關(guān)系：

(5)

式中，p0—— 系統(tǒng)初始?jí)毫?/p>

T0—— 系統(tǒng)初始溫度

綜合以上理論分析，在油液中氣體總體積不變時(shí)，油液的壓力升高使溶解在油液中的氣體增加，以游離態(tài)存在油液中的氣體體積減少，從而使得油液有效彈性模量增加。

2.3 系統(tǒng)仿真研究

由于4個(gè)支腿工作原理完全一樣，故只建立1個(gè)支腿的仿真模型，根據(jù)架橋機(jī)在喂梁過(guò)程中的工作過(guò)程搭建AMESim模型[10-12]，如圖4所示，對(duì)故障發(fā)生過(guò)程進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)設(shè)置依據(jù)1700 t型架橋機(jī)支腿液壓系統(tǒng)參數(shù)，如表1所示。

圖4 支腿液壓系統(tǒng)AMESim模型

表1 1700 t型架橋機(jī)支腿液壓系統(tǒng)參數(shù)

為確定含氣量對(duì)油液彈性模量的影響關(guān)系，對(duì)上述AMESim模型中油液參數(shù)設(shè)置含氣量分別為10%，20%，30%，40%，系統(tǒng)壓力為15 MPa,仿真曲線如圖5所示。

圖5 含氣量與支腿油缸位移關(guān)系曲線

如圖5和圖6所示，當(dāng)油液中含氣量為40%時(shí)，在對(duì)架橋機(jī)進(jìn)行喂梁操作時(shí)，支腿的下降距離為89 mm，且下提梁過(guò)程位移曲線出現(xiàn)抖動(dòng)；減少含氣量至30%，此時(shí)油缸在喂梁操作時(shí)下降距離減少至65 mm；含氣量20%時(shí)，下降距離為50 mm，含氣量為10%時(shí)，下降距離為41 mm。對(duì)比不同含氣量仿真結(jié)果可知，油液的有效彈性模量隨著含氣量的增加而減小。當(dāng)含氣量較大時(shí)，油缸腔室中的油液在大負(fù)載作用下易產(chǎn)生較大壓縮，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖6 不同含氣量下支腿缸下降距離

3 故障排除方案及仿真分析

3.1 故障排除方案

從仿真結(jié)果及理論分析中可以得出，對(duì)油液彈性模量影響較大的因素為油液中氣體總?cè)莘e和油液壓力。對(duì)應(yīng)這兩個(gè)參數(shù)可提出兩種排除故障的方案，第一，在支腿油缸的一端設(shè)置排氣孔，在架橋機(jī)正式施工前，先對(duì)支腿液壓系統(tǒng)進(jìn)行排氣，由此減少油液中氣體總?cè)莘e，進(jìn)而達(dá)到減少以游離態(tài)存在的氣體體積，增加油液有效彈性模量；第二，如果支腿油缸不易加設(shè)排氣孔，在保持原來(lái)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以在架橋機(jī)進(jìn)行喂梁操作之前，提高原來(lái)設(shè)定的架橋機(jī)設(shè)定壓力。

3.2 故障排除仿真分析

為進(jìn)一步說(shuō)明提升系統(tǒng)預(yù)壓力與支腿油缸下降距離的關(guān)系，根據(jù)所提出第二種排除故障的方案進(jìn)行仿真系統(tǒng)分析，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 故障排除后支腿油缸位移曲線

此次將缸下腔的壓力從原來(lái)設(shè)定的架橋機(jī)支撐壓力15 MPa分別提高到19， 26， 33 MPa。此時(shí)含氣量定為30%。

從仿真結(jié)果分析，分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)預(yù)壓力為15， 19， 26， 33 MPa，在喂梁過(guò)程中，支腿油缸的下降距離分別為89， 49， 21， 1 mm?？梢缘贸觯S著系統(tǒng)預(yù)壓力的提高，支腿缸在提梁過(guò)程中下降距離不斷減少，明顯提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)含氣量對(duì)油液有效彈性模量影響的理論進(jìn)行分析，并采用AMESim軟件對(duì)不同含氣量條件下的支腿液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，表明隨著含氣量的增加，支腿液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性不斷下降。

(2) 所提出的故障排除方案中，通過(guò)將支腿油缸的工作壓力提高到加上預(yù)制梁后的系統(tǒng)壓力，將原來(lái)壓力變化釋放的氣體在壓力作用下重新溶解在液壓油中，減少以游離態(tài)存在的氣體，提高了油液有效彈性模量，使支腿系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求。