钢拱架安装台车液压调平机构的研究.pdf

doi10. 16576/ j. cnki. 1007-4414. 2016. 02. 002 钢拱架安装台车液压调平机构的研究 ∗ 董 恰, 王 洋 中铁工程装备集团有限公司,河南 郑州 450000 摘 要对钢拱架安装台车液压调平机构的工作原理进行研究分析,得出了影响结构误差的主要因素及其之间的联 系。 运用 Matlab 软件对某型号台车调平油缸的铰点位置进行优化布置,可以大大减少结构误差,改善其调平效果。 关键词调平机构;误差;优化设计 中图分类号TP391. 41 文献标志码A 文章编号1007-4414201602-0004-03 Research on the Hydraulic Leveling Mechanism of Steel Arch Mounting Trolley DONG Qia, WANG Yang China Railway Engineering Equipment Group Co. ,Ltd,Zhengzhou Henan 450000, China Abstract After researching on the working principle of the hydraulic leveling mechanism on steel arch frame mounting trolley, the main factors affecting the leveling error and the connections among them are obtained. By the use of Matlab software, the optimization of the leveling cylinders layout on a certain type of trolley,which can greatly reduce the error and improve the lev- eling effect. Key words leveling mechanism; error; optimization design 0 引 言 钢拱架安装台车是隧道施工中用于安装钢拱架 的专用设备,扮演着支梁的重要角色。 随着隧道施工 机械化和高效化的进展,钢拱架安装台车的应用也越 来越广泛[1]。 液压调平机构是钢拱架安装台车的重 要组成部分,在作业过程中起着保持工作平台水平的 作用,其调平效果的好坏直接关系到高空作业人员的 安全与否。 调平机构由其本身的结构特点决定着其 存在系统误差。 笔者通过对调平机构的工作原理进 行研究分析,得出了影响结构误差的主要因素;通过 对调平油缸的铰点位置进行优化布置,可以减少结构 误差,改善其调平效果。 1 调平机构工作原理 钢拱架安装台车结构简图如图 1 所示。 台车的 主动油缸与变幅油缸一样,一端安装在回转平台上, 另一端安装在臂架上,主动油缸在变幅油缸的带动下 被动伸缩。 从动油缸一端安装在臂架上,另一端安装 在工作平台上,其有杆腔和无杆腔分别与主动油缸的 有杆腔和无杆腔相通,组成一个封闭的液压体系。 当 主动油缸在变幅油缸的带动下被动伸缩运动时,从动 油缸做相反的伸缩运动,从而调整工作平台一直保持 在水平状态[2]。 理想情况下,如果调平机构能够对工作平台进行 实时调整,使得其转过的角度与臂架转过的角度始终 保持一致,就可以实现台车的无误差调平。 然而,台 车的实际调平过程是两个三角形边长和角度连锁变 化的过程,这种变化是复杂的、非线性的,因此必然会 存在结构调平误差。 再加上液压系统的泄漏、油液的 可压缩性等因素的影响,导致工作平台与臂架之间不 可能实现完全同步。 实际应用中,工作平台底面与水 平面之间的夹角应不大于 5[3]。 图 1 钢拱架安装台车结构简图 1. 工作平台 2. 从动油缸 3. 臂架 4. 变幅油缸 5. 主动油缸 6. 回转平台 2 调平机构误差分析 对调平机构的结构误差进行研究分析,找出臂架 变幅过程中调平误差的变化规律,进而对其结构位置 进行合理的优化布置,可以减小结构误差,改善其调 平效果。 为简化计算和便于分析,主动和从动油缸选用相 同的型号,即缸径和杆径相一致。 同时,忽略液压系 统泄漏等因素的影响。 调平机构简图如图 2 所示。 4 研究与分析 2016 年第 2 期 第 29 卷,总第 142 期机械研究与应用 ∗收稿日期2016-03-02 作者简介董 恰1988-,男,河南永城人,助理工程师,主要从事隧道施工机械方面的研究工作。 图 2 调平机构简图 臂架在调幅油缸的作用下举升的过程中,臂架与 回转平台的夹角 α 由 α0增大到 α1,主动油缸的长度 L 由 L0增大到 L1,而从动油缸的运动则相反。 在臂架运动的起、止位置,由余弦定理可知 L0a2 b 2 - 2abcos α0 L1a2 b 2 - 2abcos α1 { 当臂架与回转平台的夹角为 α 时,由余弦定理 可知La2 b 2-2abcos α 即αarccos[a2 b 2 -L 2 /2ab] 则臂架回转过的角度为 Δα arccos[a2 b 2 -L 2 /2ab]- arccos[a2 b 2 -L 2 0 /2ab] 同理,工作平台回转过的角度 Δβarccos[c2 d 2 -l 2 /2cd]- arccos[c2 d 2 -L 2 1 /2cd] 则系统的结构调平误差 Δt 为 Δt Δα Δβ1 取两液压缸的无杆腔为研究对象,由液压系统工 作原理可知,主动油缸的进油量等于从动油缸的排油 量,即主、从动油缸行程的改变量大小相等,方向相 反。 则有 Ll L0 L 1 即 l L0 L 1 -L 2 将式2带入式1得 Δtarccos[a2 b 2 -L 2 /2ab] arccos{[c2 d 2 - L0 L 1 -L 2] /2cd} -arccos[a2 b 2 -L 0 2 / 2ab] -arccos[c2 d 2 -L 1 2 /2cd] 由上述分析可看出,系统的结构调平误差 Δt 是 一个 6 自变量函数,不恒为零,因此液压调平机构必 然存在误差。 在钢拱架安装台车结构设计的过程中, 要降低系统调平误差对调平装置精确度的影响,可以 从调整以上 6 个自变量的角度出发,合理布置铰点位 置。 而实际上,由于结构设计和性能指标的限制,6 个自变量在有限的范围内取值。 3 调平机构优化设计 根据图 1,以某型号钢拱架安装台车为例,利用 Matlab 软件编程,并结合其自带的优化工具包对台车 调平机构进行优化处理。 台车具体结构参数如下臂 架仰角 α∈[27,72],变幅油缸的收缩长度 L0为 723 mm,伸出长度 L1为 1 088 mm,主动油缸的固定 端 a500 mm,b 1 133 mm,从动油缸的固定端 c 720 mm,d615 mm。 3. 1 Matlab 软件简介 Matlab 是一款数学优化分析综合工具软件,其优 化设计的数学模型是实际问题的数学抽象。 该问题 的优化过程可抽象为非线性约束规划问题,其数学模 型为 Min fx, x∈Rn s. t. cx≤0 非线性不等式约束; ceq0 非线性等式约束; Ax≤b 线性不等式约束; Aeqxbeq 线性等式约束。 式中A、Aeq是矩阵,b、beq是向量。 3. 2 设计变量的选取 由于主动油缸处空间较小,且其结构较为合理, 因此不再对此部分尺寸更改,而重点对从动油缸的安 装尺寸进行优化,以减小最大系统调平误差,改善其 平稳性能。 因此优化设计变量取 X[c,d] T [x 1,x2] T 3. 3 目标函数的建立 系统调平误差不可避免,其绝对值的平均值决定 了调平机构的稳定性能,在设计过程中要尽量减小。 臂架举升的过程中,主动油缸的长度 L 由 L0增大到 L1,则系统误差绝对值的平均值为 fX ∫ L1 L0 | ΔtX | dL L1 - L 0 由此确定目标函数为 gX min fX 3. 4 约束条件的确定 为简化运算过程,缩小寻优范围,同时根据结构 设计的技术要求,可给出变量适当的上、下限,由此建 立边界约束 500≤x1≤800 500≤x2≤800 3. 5 模型求解及结果分析 应用 Matlab 软件编写程序求解函数 fX关于变 量 X 的表达式,并用软件自带的优化工具包对目标 函数求解[4],得优化结果为 X[695,625] T 优化前后,系统的调平误差分别如图 3、4 所 示。 5 机械研究与应用2016 年第 2 期 第 29 卷,总第 142 期 研究与分析 图 3 优化前系统调平误差 图 4 优化后系统调平误差 由图可看出,优化前系统的最大调平误差为 1. 22,此时主动油缸完全伸出,即 L1 088 mm;优化后 系统的最大调平误差为 0. 4,此时主动油缸的长度 L 938 mm。 优化前后系统的调平误差均在安全许可 范围内,但运用 Matlab 软件对油缸铰点位置进行优 化处理后,系统具有更高的平稳性及安全性。 4 结 论 通过对调平机构的工作原理进行研究分析,得出 了影响结构误差的主要因素及其之间的关系。 运用 Matlab 软件对某型号钢拱架安装台车调平油缸的铰 点位置进行优化布置,其最大调平误差减小为 0. 4, 明显改善了其调平效果。 参考文献 [1] 李 艳. 钢拱架安装台车的设计与研究[D]. 洛阳河南科技大 学,2011. 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