步履式頂推裝備液壓系統(tǒng)設(shè)計與性能仿真

摘要：主要介紹一種1200t步履式頂推裝備的節(jié)流調(diào)速液壓系統(tǒng)的設(shè)計、應(yīng)用與性能仿真?；诓铰氖巾斖埔簤合到y(tǒng)功能設(shè)計與施工工況的要求，對系統(tǒng)整體功率、關(guān)鍵閥件、管道等關(guān)鍵元器件進(jìn)行選型、計算與分析。對步履式頂推裝備的液壓系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB對液壓系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了仿真與改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：步履式頂推；節(jié)流調(diào)速；平衡閥；仿真；MATLAB

0" "引言

頂推技術(shù)是一種對預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行推移或拖拉的橋梁施工方法。2005年，法國米約大橋成功采用了楔進(jìn)式頂推施工工藝。2007年開始，我國眾多預(yù)制橋梁建設(shè)開始逐步采用步履式頂推技術(shù)與裝備進(jìn)行頂推施工，它攻克了成橋線形自適應(yīng)控制與橋梁整體頂推施工分布式監(jiān)控等難題，有效降低了裝備系統(tǒng)制造與使用成本，有效提升了橋梁施工效率與安全性[1-2]。

液壓系統(tǒng)是步履式頂推裝備的生命線，其元器件選型設(shè)計、系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系到多點(diǎn)頂推裝備同步頂推施工以及橋梁線形成形質(zhì)量。雖然頂推工藝日漸成熟，但至今仍然缺少對類似大型起重設(shè)備的系統(tǒng)理論分析。不同廠家生產(chǎn)的頂推設(shè)備，在外形、液壓原理、控制算法等方面也不盡相同，具體孰優(yōu)孰劣往往靠設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，所以對已有的頂推裝備液壓系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)上的分析歸納，具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義和理論價值[3-4]。

本文主要圍繞某型1200t頂推設(shè)備的液壓系統(tǒng)展開研究，對其液壓系統(tǒng)原理進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，并根據(jù)工況進(jìn)行參數(shù)計算和元件選型。通過建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB進(jìn)行仿真分析，對系統(tǒng)做出了合理優(yōu)化[5-6]。

1" "液壓系統(tǒng)原理

頂推設(shè)備執(zhí)行動作包括負(fù)載方向頂升、負(fù)載行進(jìn)方向頂推、負(fù)載橫移方向 糾偏，三者相互之間無耦合，依靠液壓液壓系統(tǒng)驅(qū)動液壓缸的動作實(shí)現(xiàn)。液壓系統(tǒng)是整個頂推系統(tǒng)動作實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，它決定了設(shè)備最終的運(yùn)行速度、自身控制屬性以及安全可靠度等特性[7]。

根據(jù)動作原理液壓系統(tǒng)設(shè)計為3個主回路，由于設(shè)備的流量不大，且一般為非連續(xù)工作狀態(tài)，所以從經(jīng)濟(jì)性和高效性角度考慮采用恒流量系統(tǒng)，即定量泵+溢流閥為系統(tǒng)供油。頂推液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。

系統(tǒng)采用Y型比例換向閥節(jié)流調(diào)速，當(dāng)閥芯處于中位時，油路均直接連通回油箱，以有效避免與O型換向閥等配合時，液壓鎖或者平衡閥控制油路憋壓，導(dǎo)致雙向?qū)ɑ蛘咝孤兜膯栴}[8]。對于負(fù)載的支撐回路，即頂升缸，為了確保安全性，防止在負(fù)載方向運(yùn)動失控時出現(xiàn)的加速運(yùn)動，以及執(zhí)行元件以高于設(shè)定的速度運(yùn)動，每個液壓缸都安裝了HAWE LHDV型平衡閥，如圖2所示。

LHDV型平衡閥采用外部可調(diào)節(jié)流阻尼加旁通節(jié)流方式，油路上控制口S與液壓缸的進(jìn)油路相連，當(dāng)液壓缸帶載下降過程時，只有控制油路壓力大于平衡閥預(yù)設(shè)壓力P1時，平衡閥才會開啟，V與F口相通。平衡閥流量特性曲線如圖3所示。

有許多回路利用順序閥代替平衡閥，或者只使用液壓鎖，如圖4所示。相對來說，順序閥類似于壓力開關(guān)，當(dāng)壓力大于設(shè)定壓力時閥口完全開啟，反之完全關(guān)閉，所以帶載下降過程的啟停瞬間易造成系統(tǒng)振動，其中液壓鎖表現(xiàn)更加明顯。

而LHDV型平衡閥在振動或者承受較大的柔性載荷時，適應(yīng)性更強(qiáng)，其內(nèi)部的阻尼元件能夠有效削弱主閥芯打開時的沖擊，降低系統(tǒng)的振動幅度與頻率。頂推回路與糾偏回路分別為獨(dú)立的回路，各由一個比例換向閥調(diào)速，并安裝有液壓鎖。

2" "液壓系統(tǒng)部件選型及參數(shù)計算

液壓缸的規(guī)格要求如表1所示，系統(tǒng)設(shè)計壓力31.5MPa，頂升速度設(shè)計為3.5m/h。液壓泵、電動機(jī)、液壓附件選型計算如下：

2.1" " 液壓泵選型

根據(jù)液壓執(zhí)行元件的缸內(nèi)面積、運(yùn)行速度以及系統(tǒng)壓力即可對液壓泵的排量進(jìn)行初步計算[9]，公式如下：

QP=nVηv·10-3≥6vmax A·104+QY" " " " " "（1）

其中：

V——泵的排量，cm3/r；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

ηv——泵的容積效率，取0.95；

vmax——執(zhí)行元件的動作速度，m/s；

A——有效作用面積，m2；

QY——溢流閥最小溢流量，單位，可忽略不計。

將已知參數(shù)代入式（1）可以得到22.43L/min。根據(jù)流量，選擇PARKER F1-25-R型軸向柱塞泵最合適，其排量25mL/r ，匹配電機(jī)轉(zhuǎn)速1000r/min時輸出流量略大于系統(tǒng)需要流量。

2.2" " 電動機(jī)選型

根據(jù)所選泵的實(shí)際流量，即可以根據(jù)公示（2）計算電機(jī)功率。

（2）

式中：

ψ——泵的轉(zhuǎn)換系數(shù)，取1；

PN——系統(tǒng)的額定壓力，MPa；

QN——系統(tǒng)流量，L/min；

ηp——液壓泵的總效率，容積效率+機(jī)械效率之和，取0.95；

將已知參數(shù)帶入公式中，計算可得13.81kW。所以選擇功率15kW、轉(zhuǎn)速1000r/min的西門子三相異步電動機(jī)可以滿足使用。

2.3" " 液壓輔件選型

泵站與設(shè)備之間為鋼絲增強(qiáng)型液壓橡膠軟管連接，管內(nèi)流速最大可達(dá)6m/s，軟管內(nèi)徑、流量以及流速的公式如下：

（3）

計算得到軟管內(nèi)徑為9.4mm，根據(jù)計算通徑與系統(tǒng)壓力，按照國標(biāo)選擇通徑10mm的軟管。

3" "液壓系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。分析系統(tǒng)輸入與輸出的關(guān)系，掌握系統(tǒng)的響應(yīng)快慢、振動頻率等動態(tài)特性，以便指導(dǎo)設(shè)計參數(shù)的修改[10]。根據(jù)比例換向閥及平衡閥的原理，可以將頂升過程等效為圖5的回路，比例換向閥可以簡化為節(jié)流閥與換向閥組成，平衡閥可以直接等效為單向閥。

3.1" " 比例閥開口與油缸速度特性

根據(jù)圖3中LHDV型平衡閥的流量特性曲線，確定節(jié)流口的流量計算如下：

Q=kA·△Pm" " " " " " " " " " " " " （4）

對于節(jié)流閥，其流量計算如下：

（5）

式中：

Cd——流量系數(shù)；

ρ——液體密度，kg/m3；

Ax——閥芯面積，m2。

對于液壓缸，忽略回油背壓，根據(jù)流量與力的平衡可得：

（6）

式中：

C1——進(jìn)油路油腔與管路的液容；

m——運(yùn)動部分質(zhì)量；

B——粘性阻尼系數(shù)；

λ——泄露系數(shù)。

考慮系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，忽略油管與油腔的液容與泄露以及油缸的阻尼系數(shù)，綜合（5）、（6）可以求得運(yùn)動速度v與節(jié)流面積At之間的關(guān)系式：

（7）

由公式（7）可知，負(fù)載保持不變的時，液壓缸的速度與節(jié)流閥面積成正比。

3.2" " 負(fù)載速度特性

對方程（6）進(jìn)行拉普拉斯變換可得：

（8）

進(jìn)而可以求得：

（9）

其中：W1（s）=P1（s）/Q1（s）表示節(jié)流閥與進(jìn)油管路系統(tǒng)共同作用的傳遞函數(shù)，忽略管道及換向閥對系統(tǒng)動態(tài)性的影響，進(jìn)油管路僅考慮節(jié)流閥，則有：

（10）

將其代入（9）可得：

（11）

忽略液壓缸本身泄露、黏性阻尼，將參數(shù)Q1=0.096m2、C1=1.0×10-9pa、Cd=0.62、λ=0、B=5000Nm-1s、m=3×105kg代入 ，得到方程如下：

（12）

系統(tǒng)的無阻尼自然頻率" " " " " " " " " " " " " " " ，系統(tǒng)的阻尼比" " " " " " " " " 。

利用MATLAB求傳遞函數(shù)的單位脈沖響應(yīng)、單位階躍響應(yīng)以及斜坡響應(yīng)。從單位斜坡響應(yīng)曲線圖分析可知，系統(tǒng)為過阻尼系統(tǒng)，起步振動問題不明顯。運(yùn)動物體的質(zhì)量越大，系統(tǒng)上升至穩(wěn)定狀態(tài)的時間就越長。

4" "結(jié)語

本文以頂推設(shè)備液壓系統(tǒng)設(shè)計為例，根據(jù)實(shí)際的工況條件確定液壓系統(tǒng)方案，通過計算計算確定了元器件參數(shù)型號，并最終通過系統(tǒng)仿真，分析了系統(tǒng)負(fù)載上升過程的動態(tài)響應(yīng)。得到以下結(jié)論：選擇比例閥+定量泵無極調(diào)速，經(jīng)濟(jì)高效；頂升油路安裝LHDV型平衡閥，可防止墜落；液壓系統(tǒng)上升油路屬于過阻尼系統(tǒng)，運(yùn)動質(zhì)量越大，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間越長。

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