桁架式橋梁檢測車及其液壓系統(tǒng)仿真分析與研究

邢紅亮，官　革，岳偉平

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064）

桁架式橋梁檢測車及其液壓系統(tǒng)仿真分析與研究

邢紅亮，官革，岳偉平

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064）

以某種型號的桁架式橋梁檢測車為研究對象，介紹了它的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，并對它的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了分析。并利用Simulink對它的擺幅機(jī)構(gòu)電液比例控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)可以方便有效提高系統(tǒng)的性能；驗證了通過正確的數(shù)學(xué)建模，并利用Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，可以預(yù)先了解系統(tǒng)特性，提高設(shè)計系統(tǒng)時的效率，為完善桁架式橋梁檢測車的性能和相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了重要參考。

桁架式橋梁檢測車；液壓系統(tǒng)；擺幅機(jī)構(gòu)；Simulink

橋梁檢測車采用機(jī)、電、液、信一體化技術(shù)，是一種可以為橋梁檢測人員在橋梁檢測和維修過程中提供作業(yè)平臺的專用汽車，裝備有橋梁檢測儀器和工作平臺［1］。根據(jù)上部工作裝置形式的不同可以分為桁架式和折臂式兩種，由于結(jié)構(gòu)形式的不同，它們工作原理也不相同［2］。桁架式橋梁檢測車采用工作穩(wěn)定的通道式工作臺，檢測人員可以在平臺上行走，與折臂式橋梁檢測車相比，提升了工作平臺的承載能力，增加了檢測面積，檢測效率比較高。本文首先介紹了某型號桁架式橋梁檢測車的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，然后對它的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并利MATLAB中的Simulink對擺幅機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)回路進(jìn)行了仿真分析和研究。

1　結(jié)構(gòu)組成和工作原理

桁架式橋梁檢測車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以某型號桁架式橋梁檢測車為例，它主要由車輛底盤、桁架工作裝置、液壓動力系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。圖1是桁架式橋梁檢測車處于工作狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　桁架式橋梁檢測車結(jié)構(gòu)示意圖

車輛底盤采用成熟的通用汽車底盤，根據(jù)整車的布置做一些適當(dāng)?shù)母膭?。桁架工作裝置主要由舉升機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平行四邊形機(jī)構(gòu)、提升塔、擺幅機(jī)構(gòu)、作業(yè)平臺等構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括底座的旋轉(zhuǎn)架和提升塔下部的旋轉(zhuǎn)軌，都采用液壓馬達(dá)、回轉(zhuǎn)大齒輪、驅(qū)動小齒輪、回轉(zhuǎn)支撐的組成形式，通過控制液壓油進(jìn)入液壓馬達(dá)的方向，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動的正反向運動；舉升結(jié)構(gòu)由垂直架、垂直架液壓缸等組成，通過垂直架液壓缸能夠使桁架側(cè)翻；平行四邊形機(jī)構(gòu)由連桿、連桿液壓缸和安裝在提升塔的支架組成，通過連桿液壓缸可以跨越不同高度的橋梁護(hù)欄；提升塔上安裝有提升液壓缸，通過液壓缸的伸縮可以實現(xiàn)伸縮臂的升降；作業(yè)平臺由基本平臺和伸縮平臺構(gòu)成，通過擺幅機(jī)構(gòu)實現(xiàn)工作平臺的展開，通過伸縮液壓缸改變工作平臺的水平工作幅度［3］。

桁架式橋梁檢測車工作時，在液壓缸和馬達(dá)的驅(qū)動下，按照電控系統(tǒng)的指令依次實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)90°，垂直架翻轉(zhuǎn)90°，桁架垂直下降，工作平臺的展開，工作平臺旋轉(zhuǎn)至橋底，工作平臺的收縮［4］。

2　液壓系統(tǒng)分析

液壓系統(tǒng)是桁架式橋梁檢測車的關(guān)鍵部分，直接影響工作裝置的性能。以某型號的橋梁檢測車為研究對象，分析研究桁架式橋梁檢測車的工作裝置液壓系統(tǒng)，液壓原理簡圖如圖2所示。

圖2　桁架式橋梁檢測車液壓原理簡圖

桁架式橋梁檢測車的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運動時，通過控制液壓油進(jìn)入液壓馬達(dá)的方向，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)的正反向運動。由于轉(zhuǎn)動慣量很大，在啟動、制動和反轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生很強(qiáng)的液壓沖擊。液壓沖擊會導(dǎo)致液壓系統(tǒng)升溫，使液壓元件產(chǎn)生振動和噪音，甚至破壞，重則使管路破裂，嚴(yán)重降低系統(tǒng)安全穩(wěn)定性。該桁架式橋梁檢測車旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用了并聯(lián)緩沖閥式緩沖回路，在高、低油路之間并聯(lián)兩個緩沖溢流閥，可吸收液壓沖擊。緩沖溢流閥的調(diào)定壓力略大于泵出口處溢流閥的工作壓力，兩個單向閥起補(bǔ)油作用。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)啟動、制動和反轉(zhuǎn)時，高壓腔的液壓油經(jīng)過緩沖溢流閥進(jìn)入低壓腔，減小了液壓沖擊。這種緩沖回路補(bǔ)油量少，背壓低，工作效率高［5］。

舉升機(jī)構(gòu)、平行四邊形機(jī)構(gòu)、擺幅機(jī)構(gòu)、提升塔等都是通過液壓缸的收縮實現(xiàn)桁架的伸展和回縮。橋梁檢測車的桁架質(zhì)量很大，工作時必須保證液壓缸伸縮的穩(wěn)定可靠。從上述原理圖中可看到，上述各工作機(jī)構(gòu)的液壓回路中都設(shè)置平衡閥，形成平衡回路，可以防止液壓缸在負(fù)載作用下超速回縮以及由于重力而自由下落。另外，采用該平衡回路，當(dāng)平衡閥與換向閥之間管路破裂時，液壓缸不會突然回縮，有效地保證了橋梁檢測車的安全可靠性［6］。

3　擺幅機(jī)構(gòu)電液比例控制系統(tǒng)的建模與仿真

3.1擺幅機(jī)構(gòu)電液比例控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模

將電壓U作為輸入，液壓缸活塞Y作為輸出，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料可推導(dǎo)出電液比例閥控缸系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

式中Kuv為電壓速度增益，Kuv＝KuxvKq/Ap

系統(tǒng)采用PID控制，根據(jù)式（1）可得出擺幅機(jī)構(gòu)電液比例位置控制系統(tǒng)框圖，如圖3所示。

圖3　擺幅機(jī)構(gòu)電液比例位置控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用4BY-H10比例方向閥，液壓缸的行程為750 mm，活塞桿外徑d=27 mm，缸筒內(nèi)徑D=54 mm.系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)為F=30 000 N，M=145 kg，ρ=870 kg/m3，βe=700MPa，τ=12.5 ms，Cd=0.7，W=2.33mm.根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)資料可以計算得到：Ap=0.002 078 125m2，Kq=5.44 884 375×10-5，Kuxv=1，wn=356.2 352 499 rad/s，Txv=0.011 s，ζ= 0.05 290 093 462.將以上數(shù)據(jù)代入式（1），可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

3.2擺幅機(jī)構(gòu)電液比例控制系統(tǒng)的仿真分析

MATLAB的Simulink工具箱是一個對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，利用它可方便地對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析［7］。分別給系統(tǒng)斜率為1的斜坡輸入信號和數(shù)值為4的階躍輸入信號，基于Simulink建立擺幅機(jī)構(gòu)的動力系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示，其中（a）圖為斜坡輸入信號，（b）圖為階躍輸入信號。調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，改善系統(tǒng)的性能，當(dāng)KP=2000，KI=10，KD=0.5時，得到仿真結(jié)果如圖5所示，圖（a）為斜坡響應(yīng)，圖（b）為階躍響應(yīng)。

圖4　系統(tǒng)的仿真模型

圖5　仿真結(jié)果

從圖5中可以看出，系統(tǒng)對輸入信號有良好的跟蹤性，對階躍信號的動態(tài)響應(yīng)良好，超調(diào)量為0.3 mm左右，調(diào)整時間短，能很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)果表明，通過選擇合適的PID參數(shù)，可以很好地改善系統(tǒng)的性能，該擺幅機(jī)構(gòu)電液比例控制系統(tǒng)能夠很好地滿足擺幅機(jī)構(gòu)位置控制精度和運動控制的要求。同樣可以用上述方法對桁架式橋梁檢測車其他系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

4　結(jié)束語

本文對桁架式橋梁檢測車的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、液壓原理進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明桁架式橋檢車的轉(zhuǎn)動慣量大，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓回路應(yīng)使用緩沖回路，以減小液壓沖擊；各伸縮機(jī)構(gòu)和擺幅機(jī)構(gòu)應(yīng)采用平衡回路，防止由于負(fù)載作用出現(xiàn)誤動作，提高安全性。對擺幅機(jī)構(gòu)電液比例控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明通過調(diào)節(jié)PID控制的參數(shù)，能明顯改善系統(tǒng)系能，使擺幅機(jī)構(gòu)系統(tǒng)滿足工作要求。利用Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析可以方便修改參數(shù)，直觀得到仿真結(jié)果，提前了解系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高設(shè)計和分析系統(tǒng)時的效率。

［1］龔棟梁.國內(nèi)外橋梁檢測發(fā)展概述［J］.商用汽車，2009，（06）：100-102.

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［3］龔棟梁.橋梁檢測車的研究與開發(fā)［D］.武漢：武漢理工大碩士論文，2009：15-20.

［4］楊一明.桁架式橋梁檢測車關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安：長安大學(xué)碩士論文，2007:9-10.

［5］王積偉，章宏甲，黃誼.液壓與氣壓傳動［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［6］王凡.智能橋梁檢測車臂架系統(tǒng)的研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)碩士論文，2005：20-21.

［7］薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

The Simulation Analysis and Research of the Truss Bridge Inspection Vehicle and its Hydraulic System

XING Hong-liang，GUAN-ge，YUEWei-ping
（College of Engineering and Mechanical Engineering，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China）

This paper introduces the structure and working principle of a kind of truss bridge inspection vehicle as the research object.And its hydraulic system is analyzed.And using the simulink of swing amplitudemechanism of electro-hydraulic proportional control system is studied by simulation.The results show that by adjusting the parameters of the PID controller that conveniently and effectively improve the system’s performance，verify through the correct mathematical modeling and using the simulink to system simulation analysis，to advance understanding of the properties of the system and design system to improve the efficiency.This paper provides an important reference for the improvement of the performance of the truss bridge inspection vehicle and related fields.

truss bridge inspection；vehicle hydraulic system；swingmechanism；simulink

TH137

A

1672-545X（2016）06-0064-03

2016-03-27

邢紅亮（1988-），男，河北石家莊人，在讀碩士研究生，研究方向為工程機(jī)械液壓系統(tǒng)設(shè)計，減速器設(shè)計與研究。