水平縱移式重載開啟橋液壓系統(tǒng)建模與仿真

劉 國,竺 輝,戴松貴

(1.寧波梅山島開發(fā)投資有限公司 總工程師室,浙江 寧波 315832; 2.上海同新機電控制技術(shù)有限公司 機電部,上海 201949)

為了解決橋梁不能建造在通航凈空以上的矛盾,開啟橋應(yīng)運而生.現(xiàn)有的開啟橋主要有豎轉(zhuǎn)開啟、平轉(zhuǎn)開啟及垂直提升開啟3種,這些設(shè)計在橋梁開啟時,車輛及行人無法通行[1].本文的研究對象為世界首座大型雙層縱移開啟式橋梁——寧波梅山春曉大橋(見圖1)，解決了車船無法同行的矛盾.

寧波梅山春曉大橋采用機動車與人、非機動車上下分離、下層橋架縱移開啟的設(shè)計.該設(shè)計實現(xiàn)了橋上機動車交通與大型船舶同時通行.懸掛系統(tǒng)將上、下層橋架連接在一起,承受下層橋架橋重及橋上人群活載,并在驅(qū)動機構(gòu)的作用下帶動下層橋架縱移,實現(xiàn)橋架的開啟.由于這種橋架縱移技術(shù)在橋梁建設(shè)滑移開啟領(lǐng)域?qū)儆谑状螒?yīng)用.因此，對水平縱移式重載開啟液壓系統(tǒng)進(jìn)行不同工況下的仿真研究，在雙層縱移式開啟橋的維護(hù)和設(shè)計中具有重要意義.

圖1 橋架總體圖Fig.1 Overall layout of the bridge

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

寧波梅山春曉大橋下層兩側(cè)橋架采用水平伸縮方式可以實現(xiàn)開啟與關(guān)閉,鏈傳動方式驅(qū)動.為實現(xiàn)水平伸縮運動,整個系統(tǒng)主要由懸掛軌道、懸掛導(dǎo)向機構(gòu)、驅(qū)動導(dǎo)軌、驅(qū)動機構(gòu)、楔塊剛性鎖定機構(gòu)和插銷機構(gòu)、液壓系統(tǒng)與電控系統(tǒng)等組成.總體布置如圖2所示,局部詳細(xì)如圖3所示.

圖2 總體布置圖Fig.2 General layout

圖3 局部詳細(xì)布置圖Fig.3 Local detailed layout

1.2 液壓系統(tǒng)工作原理

水平縱移式重載開啟液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)為機械液壓混合蓄能懸掛系統(tǒng)，如圖4所示.液壓油缸通過套在銷軸上的關(guān)節(jié)軸承與橋架吊耳相連接，降低對銷軸、吊耳等零部件的加工精度要求,導(dǎo)向輪機構(gòu)與懸掛輪機構(gòu)可實現(xiàn)下層橋架的縱移[2].

單個懸掛小車的液壓原理如圖5所示,在該原理圖中，用到液壓系統(tǒng)中常用的平衡回路和調(diào)壓回路.平衡回路1的作用是防止垂直運動的懸掛油缸在活塞桿伸出時由于自重而自行下落,并能起到一定的限速作用,當(dāng)雙聯(lián)齒輪泵開始工作時,各懸掛小車的液控單向閥打開,懸掛油缸小腔連通,接回油箱,活塞桿下移,調(diào)節(jié)平衡;調(diào)壓回路3的作用是用來控制系統(tǒng)的工作壓力,使其不超過預(yù)先設(shè)定的壓力值,其中設(shè)有兩個溢流閥,每個溢流閥的開啟壓力不同,溢流閥4的開啟壓力為20 MPa,溢流閥5的開啟壓力為28 MPa,可使懸掛系統(tǒng)在不同工況壓力下運動.

圖4 機械液壓混合蓄能式懸掛機構(gòu)Fig.4 Mechanical hydraulic hybrid accumulator

圖5 機械液壓混合蓄能式懸掛系統(tǒng)液壓原理圖Fig.5 Hydraulic schematic diagram of mechanical

鎖緊機構(gòu)使用即為雙液控單向閥,如圖6所示,雙液控單向閥的工作原理是當(dāng)一個單向閥正向進(jìn)油時,可使另一個單向閥反向?qū)?，使鎖緊油缸兩腔均保壓或在行程中進(jìn)行鎖緊.雙液控單向閥具有安裝使用簡便、不需要外控制油路等優(yōu)點[3].

圖6 鎖緊機構(gòu)液壓原理圖Fig.6 Hydraulic schematic diagram of locking

如圖7所示,寧波梅山春曉橋半橋半邊液壓系統(tǒng)共6輛小車20個懸掛油缸,其中，4輛小車每車上4個懸掛油缸,另2輛小車每車上2個懸掛油缸,每車上1個插銷油缸共6個.

當(dāng)泵開啟時,若電磁閥D1接通,則油缸進(jìn)入懸掛狀態(tài),當(dāng)橋面合攏或分開時油缸需處在這種狀態(tài);若電磁閥D1接通,同時電磁閥D8～D12接通,則6個懸掛小車的懸掛油缸全部連通;若電磁閥D3位接通,電磁閥D6或電磁閥D7位接通,此時可以根據(jù)實際情況打開電磁閥D8～D12位,則懸掛油缸可以進(jìn)行伸縮,此情況只在安裝及調(diào)整時橋面使用.若電磁閥的電磁閥D2位和電磁閥D4位接通時,鎖緊油缸小腔進(jìn)油,大腔回油,鎖緊機構(gòu)鎖緊;若電磁閥的電磁閥D2位和電磁閥D5位接通時,鎖緊油缸大腔進(jìn)油,鎖緊機構(gòu)松,無鎖緊作用,此時橋架可以進(jìn)行移動.

圖7 液壓系統(tǒng)原理圖(半橋半邊)Fig.7 Hydraulic system schematic diagram (half side of half bridge)

若需要維修某個故障油缸,可將其他油缸的截止閥均關(guān)閉后接上泵源,縮回該故障油缸,使其卸載后,便可拆卸.

2 液壓懸掛系統(tǒng)建模與仿真

2.1 液壓系統(tǒng)建模

對液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真的首要任務(wù)就是建立液壓系統(tǒng)模型,基于建模與仿真過程的復(fù)雜性,選擇AMESim軟件[4]進(jìn)行寧波梅山春曉橋液壓系統(tǒng)的仿真.在AMESim液壓仿真軟件中，建立該液壓系統(tǒng)的仿真模型.主要使用了如下幾個庫的文件[5]:信號控制庫、機械庫、液壓庫.寧波梅山春曉橋液壓仿真模型如圖8～圖10所示,分別為懸掛系統(tǒng)、鎖緊系統(tǒng)、半橋半邊系統(tǒng)的仿真模型[6].

圖8 懸掛系統(tǒng)液壓仿真圖(半橋半邊)Fig.8 Hydraulic simulation diagram of suspension system(half side of half bridge)

圖9 鎖緊系統(tǒng)液壓仿真模型Fig.9 Hydraulic simulation model of locking system

圖10 液壓系統(tǒng)仿真模型(半橋半邊)Fig.10 Simulation model of hydraulic system

2.2 液壓系統(tǒng)仿真分析

2.2.1工況1 開啟橋閉合,橋上無活載.

橋閉合時,鎖緊油缸工作,若橋上無活載,則鎖緊油缸僅承受橋重,此時鎖緊油缸受力恒為167.5 kN,懸掛油缸為0 kN.將鎖緊油缸所連質(zhì)量塊連接的信號源設(shè)置為一個恒為167.5 kN的力;兩位三通電磁換向閥的線性信號源設(shè)置常量為100,運行仿真得到如圖11和圖12所示結(jié)果,從圖11中可以看出,在40 s內(nèi),活塞桿逐漸達(dá)到最大行程0.4 m,然后保持不動；圖12說明，鎖緊系統(tǒng)能夠按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作.

2.2.2工況2 開啟橋閉合,橋上滿載.

當(dāng)開啟橋閉合時,若橋上有行人來往,則橋上會有載荷的變化,滿載時鎖緊油缸載荷為325 kN,鎖緊油缸所受載荷函數(shù)f(x)設(shè)置為x/0.4,增益k設(shè)置為325 000,得到一個0～325 kN的變載荷.設(shè)置鎖緊系統(tǒng)運行時間為40 s,仿真結(jié)果如圖13和圖14所示,液壓缸活塞桿位移均可達(dá)到其行程0.4 m,滿足位移要求.

圖11 單個鎖緊油缸的位移曲線圖Fig.11 Displacement curve of a single locking cylinder

圖12 多個鎖緊油缸的位移曲線圖Fig.12 Multiple displacement curve of a locking cylinder

圖13 鎖緊油缸活塞桿位移曲線圖Fig.13 Displacement curve of piston rod

圖14 鎖緊油缸小腔壓力圖Fig.14 Pressure diagram of a locking cylinder

圖15 鎖緊油缸小腔容量變化圖Fig.15 Locking oil cylinder has a change diagram

圖16 多個鎖緊油缸活塞桿位移曲線圖Fig.16 Displacement curve of piston rod of multiple

2.2.3工況3 開啟橋開啟或閉合.

開啟橋開啟或閉合的過程中,鎖緊機構(gòu)下楔塊與軌道脫離,此時楔塊上的載荷全部轉(zhuǎn)移到懸掛油缸上,橋架即可移動,鎖緊油缸受力為0 kN,而懸掛油缸豎直載荷為83.75 kN,設(shè)置為83.75 kN的載荷.分別設(shè)置運行時間100 s與250 s,運行得到如圖17～圖18的仿真結(jié)果.

圖17 100 s內(nèi)懸掛油缸活塞桿位移曲線圖Fig.17 Displacement curve of piston rod of 100 s

當(dāng)設(shè)置運行時間為250 s,采樣周期為0.1 s,其他參數(shù)不變,運行仿真得到如圖18所示的位移曲線圖.

圖18 250 s內(nèi)鎖緊油缸活塞桿位移曲線圖Fig.18 Displacement curve of piston rod of locking

從圖18中可以看出,活塞桿達(dá)到最大行程0.05 m后,在130 s時,兩位三通電磁閥在信號源的作用下?lián)Q向工作,活塞桿開始下移,位移逐漸變?yōu)?,說明在一個周期內(nèi),油缸可以按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作.

當(dāng)根打開兩位兩通電磁閥D1～D5時,懸掛油缸會在安裝及調(diào)整時進(jìn)行伸縮調(diào)整平衡.圖19表明,懸掛油缸均可以按規(guī)定的要求達(dá)到行程0.05 m,在活塞桿縮回時,不同分路的油缸活塞桿位移時間會有延遲,在允許的誤差范圍內(nèi).

圖19 多個懸掛油缸活塞桿位移曲線圖Fig.19 Displacement curve of piston rod of multiple

2.2.4工況4 鎖緊油缸失效.

若鎖緊油缸失效,則恒載與活載均由懸掛油缸承受,載荷最大為162.5 kN,將k設(shè)置為162 500,其他參數(shù)不變,運行仿真,得到如圖20的仿真結(jié)果.當(dāng)設(shè)置運行時間為400 s,采樣周期為0.1 s,其他參數(shù)不變,運行仿真(見圖20)在一個周期內(nèi),懸掛油缸可以按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作.

圖21為多個懸掛油缸位移曲線圖,可見懸掛系統(tǒng)液壓缸均可以按規(guī)定的要求達(dá)到其行程0.05 m,在活塞桿縮回時,不同分路的液壓缸活塞桿的延遲在允許的誤差范圍內(nèi).

圖20 懸掛油缸活塞桿位移Fig.20 Piston rod displacement of suspended

圖21 多個懸掛油缸位移曲線圖Fig.21 Displacement curves of multiple suspended

3 結(jié)論

由上述懸掛導(dǎo)向機構(gòu)及楔塊剛性鎖定機構(gòu)的液壓系統(tǒng)仿真分析結(jié)果可知:① 懸掛系統(tǒng)液壓缸活塞桿在縮回時,不同分路的油缸活塞桿位移時間略有延遲,在允許的誤差范圍內(nèi);② 懸掛油缸及楔緊油缸能滿足寧波梅山春曉橋各工況下的工作要求.本文所采用的分析方法不僅為雙層縱移式液壓開啟橋的安全設(shè)計提供依據(jù),還為類似的液壓懸掛導(dǎo)向機構(gòu)分析提供了思路.