双叶立转式开启桥液压系统设计与研究.pdf

I I 渗 羹 l 双叶立转式开启桥液压系统设计与研究 雷江河， 董津宁， 王福山， 吴元道 天津工程机械研 究院 。 “ ’ 。 “ “ ’ ‘ ” ’ ’ ’ ” ⋯ ⋯“． ． ⋯ “ ⋯“ ’ ‘ ’ “ ⋯ “ ““ ” ⋯。 ‘ 。 ’ ‘ ’ “ ⋯ ⋯⋯ “ ”． ． ⋯ “ ⋯⋯ “． ． ⋯ “ ⋯ ”． ． ⋯ ⋯ ⋯ ” “ ⋯ “ ⋯’ 摘要 分析双叶立转式开启桥的运行工况和控制要求， 设计阀控比例节流调速驱动液压系统， 在阐 述液压系统组成与工作原理 的基础上 ， 对其调速特性进行仿真分析 ， 通过对系统中不 同控制单元的协调控 制使开启桥得到理想的控制特性。 j _ ．_ ． I -． ．_ ．． -．． _． ．- -． 1． ． ． - ‘。 。． Il 州 l 1． 。。 。。 。。 1． 1- ．．- I _⋯．． ． 。。 ‘． I l-． ． - -．． ．． ‘ ‘’ l I l⋯ ． ．． ⋯ | I． l I． -． ．_． _ _ ．I ．I l- r． -． 1 _． ．．- ． I lI I- | ．I ⋯ 。 ‘ 。． ．1 ．． ．． ．- l I． 。‘ 。． ．． ．1 I． _- ．． |． I ． ． ．⋯-r - ．． 1． ．。 ‘ 。 ． ． _． -- 关键词 开启桥 ； 液压 系统 ； 比例调速 仿真 开启桥是一种可将部分桥身转动或移动 的桥 梁 ， 适用于陆上或水上交通不很繁忙但需通航较大 船舶的河道或港 口。当需要通过船舶时 ， 陆上交通 断交 ， 桥梁开启 ； 船舶通过后 ， 桥梁闭合 ， 陆上交通 恢复。开启桥开启方式有平转、 升降和立转等 3 类。 立转式开启桥是将通航部分一段桥身做成可以在 立面上旋转开启的活动桥。 本文所述 的双叶立转开启桥位于天津塘 沽响 螺湾与于家堡地区之间， 桥梁全长 8 6 8 ． 8 I l l 。开启桥 由东 、 西引桥和主桥 3部分组成 ， 主桥结构设计为 双叶立转式钢结构悬臂梁 ， 净跨度 6 8 i n ， 转动半径 为 3 8 I l l ， 梁端转动角度为 8 5 。 ， 是集机械 、 液压 、 电气 及智能化控制于一体的双叶立转式开启桥梁 以下 简称开启桥 。 1 开启桥运行工况分析 开启桥两侧 的立转桥梁分别 由两套液压系统 驱动 ， 通过光缆通讯 ， 由计算机控制系统实现两者 同步控制。 液压马达驱动开启桥尾部链轮与销齿轨啮合 转动 ， 实现变速开 闭进程 ， 要求 在启动一爬行一加 速一匀速～减速一爬行停止过程中运行平稳 ， 不 能出现 振动 。 由于开启桥开闭过程中风速产生 的载荷会随 开启角度变化 ， 液压系统应能 自动适应该载荷 。在 1 9 m ／ s 风速且迎风全开启条件下 ，风载作用在桥梁 上， 转矩达到桥梁 自重偏载荷转矩的 4 ， 3 8 倍 。 开启桥在闭合状态下 ， 设置有液压缸驱动 的尾 销 、 对 中和锁紧等定位机构 ， 使桥梁作为一个整体 承受载荷 ； 在开启状态下 ， 液压制动器为桥梁提供 锁紧定位。 由于开启桥是露天的市政交通设备 ， 在液压系 统的设计 中充分考虑 了在各种情况下保证桥梁的 安全运行的措施 ， 如 系统油温控制 、 油液清洁度控 制 、 液压执行元件的冗余设计 、 紧急状态下 的缓慢 停车设计 和桥梁承载时的驱动系统 自由轮设计等 一 系列功能， 保证桥梁的安全运行 。 2 液压 系统方案 根据上述工况对液压系统的要求 ， 每侧开启桥 的液压系统由驱动液压系统和锁紧液压系统构成 ， 驱动液压系统实现开启桥开闭动作 ， 而锁紧液压系 统则在开启桥 闭合后将桥梁 间以及桥梁与桥墩 问 通过插销机构实现固定 ， 两个液压系统共用 同一个 液压油箱。 通过综合分析与研究 ， 驱动液压系统速度控制 采用阀控进出口调速方案。恒压变量泵与比例流量 阀组合实现液压马达输入流量的精确控制。考虑风 载在开启桥运动中的影响 ， 决定采用负载平衡 阀来 适应风载的作用 ， 使开启桥获得可靠的安全性。 驱 动 液 压 系 统 如 图 1所 示 ， 采 用 3台 A 4 V S 0 2 5 0液压泵电机组合流， 并联压力控制 ， 向系 统提供最大流量 1 0 0 0 L ／ mi n ，工作压力为 2 8 M P a 的恒压油源 ， 其恒压力 由调压 阀 3设定。压力油通 作者简介 雷江河 1 9 7 6 一 ， 男， 陕西人 ， 工程师， 研究方向 液压系统 、 液压元件的设计和开发。 一 2 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 过高压滤油 器 4进入 由 比例流量插装 阀 5和手动 节流 阀 6组成的调速系统 。两个电磁换 向插装 阀 8 ， 9实现并联液压马达 2 0正反 向控制 。开桥 、 闭桥 过程 中， 手动节流阀 6与固定节流孔 l 7 ， 2 2控制桥 梁爬行工作 ， 而 电比例流量插装 阀 5与电比例节流 阀 l 8 ， 2 3控制桥梁从加 速到恒速或恒速 到减 速的 转动状态控制。开启过程控制逻辑如表 1 所示 。 桥梁在运动 中风载和 自重偏载引起 的超越 负 载由负载平衡阀 1 6 ， 2 4来平衡。电磁换 向阀 1 9有 两个作用 ， 一个换向位置是在液压系统需要加热时 将液压马达 的主管路与油箱连通 ， 使管路 的油可以 得到循环加热 ； 另一个换 向位置是实现液压 马达进 出油 的连通 ，使液压马达可 以实现 自由轮工况 ， 满 足闭桥通车时的使用要求 。 A桥和 B桥 的锁紧液压系统均包含尾销锁 紧 控制和桥间锁紧控制 图 2 ， 其 中的尾销锁紧机构 功能相 同， A桥与 B桥桥问锁紧机构有 区别 ，工作 时， B桥主销液压缸 3 驱动主销 2伸人到 A桥 内， A 桥上 的对 中液压缸 1活塞杆 伸 出，施力在 主销 2 上 ， 将 A桥和 B桥调整到一个水平面上 ， 然后 A桥 的插销液压缸 4将 C形插销插入在 B桥主销上 ， 致 使 A桥和 B桥构成一个整体来承受载荷。 表 1 开启控制过程 f液压阀 序号 5 6 8 9 1 O 1 1 1 6 1 7 1 8 2 2 2 3 2 4 l 爬行 上 上 加速 上 上 八 恒速 减 速 V J _ V 爬 行 上 一 ～ 1 了 E 兀 』 u r ] ／、 L r 。 b l L ∥ 垭 目 二匕 H x／ ； V I B Ui i J “ ． i a ． x ． ／ 土 ～ p I t j I L - ／ ； l 工作； 一 不工作。 I 1 ． 吸油 滤油器2 ． 液压 泵电机组3 ． 调压 阀4 ． 高压滤 油器5 ． 比例流 量插装 阀6 ． 手 动节流 阀7 ． 安全 阀 8 ， 9 ． 电磁换 向插 装阀1 0 ， 1 9 ． 电磁换 向阀l 1 ， 1 2 ， 1 3 ． 电磁换 向球阀1 4 ． 蓄能器1 5 ， 2 5 ． 单 向阀1 6 ， 2 4 ． 负载 平衡阀 1 8 ， 2 3 ． 电比例节流 阀 1 7 ， 2 2 ． 固定节流孔2 0 ． 液压马达2 1 ． 液压制动器2 6 ． 回油滤油器 图 1 驱动液压系统原理图 一 23 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 3 4 1 ． 对 中液压缸2 ． 主销3 ． 主销液压缸4 ． 插销液压缸 图 2 A桥与 B桥 间锁紧机构 锁 紧液压系统如图 3 所示 ， 采用两台 A 4 V S 0 4 0 恒压变量泵 电机组 ，一备一用 ，通过电磁换 向阀 3 切换 ， 向系统提供 流量 为 6 0 L ／ m i n ， 压力为 2 5 M P a 的恒压油源。为使液压缸安全可靠地锁定桥梁 ， 系 统中设有平衡阀和液压锁等安全措施 ， 同时设有位 置传感器和压力继电器进行连锁顺序控制 ， 防止误 操作造成系统损坏。 开桥前锁紧液压系统工作过程 A桥对 中液压 缸伸出一压力继电器动作一A桥插销液压缸缩 回一 位置传感器动作一A桥对中液压缸缩回一压力继电 一 2 4一 器动作一B桥主销液压缸缩 回一位置传感器动作一 A， B桥尾销 液压缸缩 回位 置传感器 动作一结束 控制。 闭桥后锁紧液压系统工作过程 A， B桥尾销液 压缸伸出位置传感器动作一B桥主销液压缸伸 出一位置传感器动作一A桥对 中液压缸伸 出一压力 继电器动作一A桥插销液压缸伸 出一压力继电器动 作一A桥对中液压缸缩回一压力继电器动作一结束 控 制 。 1 ． 吸油滤油器2 ． 液压 泵电机组3 ， 6 ， 7 ， 8 ． 电磁换 向阀4 ． 高压滤油器5 ． 安全 阀9 ． 单向节 流阀1 O ． 压力继电器1 1 ， 1 4 ． 平衡阀1 2 ． 对中液压缸l 3 ． 液控单 向阀1 5 ． 位置传感器 1 6 ， 1 8 ． 液压锁1 7 ． 插销液压缸1 9 ． 尾销液压缸2 0 ． 回油滤油器 图 3锁紧液压系统原理图 A桥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 麟 3 驱动液压系统仿真分析 开启桥单叶转动桥体净重 1 5 0 0 t 含配重 ， 具 有转动惯量 大 ， 负载转矩不断变化等特殊性 ， 驱动 液压系统阀控进 出 口调速功能及 液压元件匹配合 理性对开启桥可靠工作有着 巨大影响 。为此 ， 委托 英 国巴斯 大学采用 B a t h f p动态仿 真软件对开启桥 驱动液压系统的运行状态进行 了仿真 ， 仿真参数确 定如下 液压泵流量限制在全排量的 8 5％， 压力设定为 2 8 MP a ； 比例流量插装 阀流量 0 ～ 1 5 0 0 L ／ mi n ， 节 流 阀流量 0 ～ 1 2 0 L ／ m i n ； 液压马达排量 4 5 0 mL ／ r 。有关 液压泵、马达性能的数据和液压 阀压力一 流量特性 来 自制造商提供的数据 。同时根据开启桥的总体布 置 ， 在仿真中考虑 了液压管路影响。 开启桥 在闭合桥位置和最 大开桥位置安装 了 缓冲器 以限制和控制转动桥体抬起 和放落 的极 限 位置 ，用一个线性不等面积液压缸作为仿真模型 ， 采用制造商提供的力 、 速度和行程来估算缓 冲器液 压 压 力和 流量 随行 程 的变化 。 对 以下 6种工况下开启桥 的运行情况 进行仿 真分析 1 没有风负荷时开闭运行 ； 2 在 1 8 ． 9 m ／ s 正风负荷下开闭运行 ； 3 在 1 8 ． 9 m ／ s 负风负荷下开闭运行 ； 4 在阵风负荷下开闭运行 ； 5 在阵风负荷下 以爬行控制开闭运行 ； 6 紧急停止 。 1 8 ． 9 m ／ s 风载作用在开启桥正反两个桥面工况 下， 仿真结果如表 2 横坐标均为时间 ， 正风负荷对 开启桥 的作用力矩与桥 的质量产生 的力矩 的方 向 相同。反之为负风负荷工况。 表 2 仿真 曲线 正风负荷工况 负风负荷工况 1 0 一 ／ f 。 ／ s 、 1 0 ， 。 ／ s 5． 5一 开 4 正 桥 角 3 3 2 ’ 1． 速 ．{ ’ } 2 度 1一 O 1 ’ ’ ’ ’ l l0 一 ’ ’ ’ o ” ／ s 一 0 ’ ’ 5 ‘ 一 l l0。 。 l ’ o ⋯ l 0 ， MP 1 0 Ⅷ P a 。 、 2 。． ，r ／ ／ j 开 2 0 ／／ 桥 ／ ／ ／一 一一 。 ； ／ l ， { 压 一 ～～ ～～ ～～ ～⋯ ～～ ⋯ 力 1 0 变 化 、 0 ＼， ～～ l O ／ s 0 1 O 2 O 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 续表 2 仿真 曲线 正风负荷工况 负风负荷工况 。 一 ／ s 1 。 一 ／ O． 0． 一 1． ‘j． ．f 一1． f ． 闭 J - 2 ． f - 2 ． 桥 角 - 3 ． - 3 ． 速 -4 - 4 ． 度 - 5． - 5． J 【 】’ 一 ’ o’ ’ 一’ ’ 川 -6 5 l 0 1 5 2 O O d P a 0 Ⅷ P a ’ ～ 7 k、 ． ’ - ． - 、 ． ， ．． ． 闭 2 0 - 、 2 0 ． 桥 ● 压 力 1 O． 1 0一 、 变 化 ⋯⋯ 一一一 } ／ ／ n ⋯ n O l O 2 O ～0‘ ’ ’ ’一1 。0’ ’ ’ ’ 2 O I U ／ S 仿真结果表 明， 由于风负荷作用 ， 开启桥开闭 时间有差别 ； 变工况下开启桥的速度变化和液压泵 出口压力 、 液压马达进 出 口压力变化平稳 ， 但在 开 启桥停止瞬间 ， 由于缓 冲器作用 ， 液压马达进 口压 力 出现冲击峰值 ， 导致速度微小波动 ， 但不影 响开 启桥的正常工作 ； 在开启桥变速阶段液压泵处于恒 压工况 ， 而开启桥恒速阶段液压泵工作压力与负载 趋势一致。 6种工况仿真结果表明， 所设计开启桥液 压系统 满足设 计要求 。 4 结束语 通过对开启桥工作状态进行分析 ， 设计 了恒压 变量泵与 比例流量阀组成 的进 出口节流调速 以及 平衡阀 自适应风载液压系统 ， 通过计算机仿真验证 了该系统设计的可行性 ， 实现液压马达输入流量的 精确控制以及多种载荷的 自适应控制 ， 使开启桥获 一 2 6一 得可靠的安全性。 在上述工作的基础上 ，经过施工图纸设计 、 制 造 、 安装与调试 ， 开启桥于 2 0 0 9年 1 1 月 2 2日顺利 合拢开启 ， 实践再一次验证了设计的正确性。 参考文献 [ 1 】T D e r e k ． T i a n j i n B ri d g e S i mu l a t i o n S t u d y F i n a l R e p o r t [ R 】 ． UK 20 08． [ 2 ] N L a u r e n t ， A S i g r i d ． T h e P i s t o n - s t a y e d B r i d g e A N o v e l T y p o l o g y f o r a Mo b i l e B r i d g e a t T e r v a t e [ J ] ． B e l g i u m S t r u c - r u r a l E n g i n e e r i n g I n t e rna t i o n a l ， 2 0 0 7 4 1 5 2 6 ． [ 3 ]C A n d r e w， B S e a n ． Mo v a b l e B ri d g e D e s i g n D e s i n g a n d D e - t a i l I s s u e s U n i q u e T o M o v a b l e B ri d g e s [ J ] ． S t r u c t u r e M a g a - z i n e ． 2 0 0 4 1 0 5 6 6 2 ． 通信地址 天津新技 术产业 园 区 环外 海泰南北 大街 5号 天津工程机械研 究院 3 0 0 3 8 4 收稿 13 期 2 0 1 0 0 9 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m