基于AMESim的縱向開啟橋液壓系統仿真

劉廣軍,包小凡,裴澤全,卞永明

(同濟大學機械與能源工程學院,上海 201804)

基于AMESim的縱向開啟橋液壓系統仿真

劉廣軍,包小凡,裴澤全,卞永明

(同濟大學機械與能源工程學院,上海 201804)

縱向開啟橋是一種新型開啟橋,與傳統開啟橋開啟方式不同,兩側橋架采用水平伸縮方式實現開啟與關閉.通過對某縱向開啟橋液壓系統工作原理進行分析并將其進行簡化,基于AMESim仿真軟件搭建液壓系統的仿真模型并進行多工況仿真研究,得出開啟橋在不同工況下懸掛和鎖緊系統油缸位移隨載荷的變化情況,驗證了液壓原理的可行性及系統運動的同步性,為系統的優化及實際液壓系統的搭建提供了理論支持.

縱向開啟橋; 液壓系統; AMESim; 仿真

開啟橋在國內外的使用已經有上千年的歷史,當陸地運輸不甚繁忙,河流上有船舶航行,而固定式橋梁不能建造在通航凈空以上時,就需要建造開啟橋[1-3].常用的開啟橋有立轉橋、升降橋、平轉橋三種,本文設計了一種新型縱向開啟橋,采用雙層鋼桁橋架,下層縱移橋架通過兩側伸縮方式實現開啟與閉合.其占地面積小,通行能力大,能有效地緩解交通壓力,改善橋梁通航凈空高度,適用于交通不很頻繁而須航行高大船只的河道或港口.

縱向開啟橋跨度大、構造復雜,其在運營、開啟等狀態下對各結構運動的同步性要求極高,故開展縱向開啟橋的液壓系統仿真研究,了解各參數變量隨時間變化的規律,一方面能夠確保現場試驗過程中系統和液壓元件的安全性和穩定性,另一方面也可以縮短設計周期并提供質量可靠的液壓系統.

1 縱向開啟橋的結構與液壓原理

縱向開啟橋是一座通過下層橋架開啟以滿足臺風來臨之前海輪進港避風的雙層開啟橋,下層左右兩側移動橋架在驅動機構的驅動下能夠實現水平方向的開啟與關閉.整個系統主要由多組懸掛導向機構和楔塊剛性鎖定機構等組成,單側移動橋架如圖1所示,局部放大圖如圖2所示.懸掛系統將上、下兩層橋架相連,承受下層橋架橋重及橋上人群活載.當橋架需要開啟時,其在電機驅動作用下帶動下層橋架在導軌上移動,到達指定位置后,楔塊剛性鎖定機構利用楔塊鎖定原理,將移動橋架鎖緊,實現橋架的開啟.

圖1 單側橋架示意圖Fig.1 Graph of single movable bridge

圖2 局部橋架構成圖Fig.2 Partial graph of bridge structure

縱向開啟橋單側單邊橋架液壓系統共有6輛懸掛小車,每輛懸掛小車之間通過液壓回路并聯,其中單輛懸掛小車的液壓原理圖如圖3所示,該原理圖中運用了平衡回路和調壓回路.平衡回路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自行下落而造成事故或沖擊,通過將單向閥設置在油缸的回油路上,產生一定的背壓,進而阻止其下降或使下降緩慢進行[4].在該液壓原理圖中,當液壓管路發生破裂時,液控單向閥閉合,反向不能回油,從而使懸掛油缸小腔維持一定背壓,不會導致橋架迅速下降;調壓回路能夠為回路提供不同的工作壓力以適應開啟橋的多工況要求,在該液壓原理圖中,調壓回路通過溢流閥的先導閥控制端連接兩個不同壓力的溢流閥,從而給回路提供兩個不同的壓力值.

圖4為縱向開啟橋半橋半邊的液壓系統原理圖.當泵開始工作時,所有的液控單向閥打開,各個小車油路互相連通,根據實際情況打開兩位兩通電磁閥調節懸掛油缸伸縮量,使系統初始位置平衡.當電磁閥全部通電后,懸掛小車油缸之間連通,由懸掛小車帶動橋架在軌道上行走,實現橋架的開啟和關閉.當橋架到達所需位置時,鎖緊油缸在電磁閥的控制作用下進行伸缸動作,將橋架鎖住.

圖3 單個懸掛小車液壓原理圖Fig3 Hydraulic principle diagram of single hanging car

2 開啟橋液壓系統建模

在AMESim環境下,首先對液壓系統原理圖進行合理的假設和簡化,利用Sketch模式并調用系統提供的液壓庫、機械庫和信號庫，建立液壓系統仿真模型圖[3-5],如圖5，6所示.根據系統的實際情況,設置模型的參數如表1所示.

3 液壓系統仿真分析

為了解開啟橋在實際開啟和閉合過程中液壓系統在整個工作過程中的同步性能,需要對開啟橋進行不同承載工況下的仿真.

3.1 開啟橋閉合,橋上無活載

當橋閉合時,鎖緊油缸工作,開啟橋處于鎖緊狀態.若橋上無活載,則鎖緊油缸僅承受橋重.給鎖緊油缸一個值為167500的信號,模擬鎖緊油缸承受橋重的工作狀況,運行仿真得到如圖7所示結果.為便于比較各鎖緊油缸活塞桿的位移同步性,將各位移曲線表現在一張圖上.圖7為多個鎖緊油缸的位移曲線圖,從圖中可以看出:開始時油液沒有流入油缸,活塞桿基本不動；隨后油液流入量增大,開始推動活塞桿移動,達到其最大行程0.4 m.雖然各鎖緊油缸活塞桿位移達到其最大行程所需時間各不相同,有些響應速度較慢,所需時間增加,但在經歷30 s左右的時間之后,鎖緊系統的油缸均達到了穩定狀態.

3.2 開啟橋閉合,橋上滿載

當開啟橋閉合時,若橋上有行人來往,則會引起載荷的變化.給鎖緊油缸加載一個簡單的線性函數,增益k設置為325 000,模擬得到一個變化的載荷函數以便于分析.仿真結果如圖8所示,由圖8可以看出,液壓缸活塞桿位移均可達到其行程0.4 m,滿足位移要求.0～20 s,活塞桿位移逐漸增加,無較大的波動性,20 s后各鎖緊油缸逐漸推動活塞桿移動,響應速度不同,但同樣經過一段時間后都達到了穩定狀態.

圖4 縱向開啟橋半橋半邊液壓原理圖Fig.4 Hydraulic principle diagram of one half longitudinal movable bridge

圖5 半橋半邊懸掛系統液壓仿真模型Fig.5 Simulation mode of suspension system

圖6 半橋半邊鎖緊系統液壓仿真模型Fig.6 Simulation mode of lock system表1 液壓仿真分析主要參數表Tab.1 Dynamics simulation parameters of the hydraulic system

參數數值參數數值鎖緊油缸直徑/mm63懸掛油缸活塞桿直徑/mm60鎖緊油缸活塞桿直徑/mm40懸掛油缸行程/mm50鎖緊油缸行程/mm400溢流閥開啟壓力/Gpa28液壓泵轉速/(r·min-1)2250液控單向閥的開啟壓力/Gpa0.5懸掛油缸活塞直徑/mm125單向閥的開啟壓力/Gpa1

圖7 多個鎖緊油缸的位移曲線Fig.7 Displacement curves of multiple locked oil cylinder rods

圖8 多個鎖緊油缸活塞桿位移曲線Fig.8 Displacement curves of multiple locked oil cylinder rods

3.3 開啟橋開啟或閉合

開啟橋開啟或閉合的過程中,鎖緊機構下楔塊與軌道脫離,橋架即可移動.此時楔塊上的載荷全部轉移到懸掛油缸上,鎖緊油缸不受力,而懸掛油承受恒載.給懸掛油缸一個83750的信號,運行得到如圖9的仿真結果.

懸掛油缸活塞桿伸出和回縮的總過程設置為400s,從圖9中可以看出:活塞桿剛剛伸出時,由于啟動時的壓力、流量突變,出現液壓沖擊現象,使得活塞桿剛剛運動時的位移波動較大.當打開兩位兩通電磁閥時,懸掛油缸會在安裝及調整時進行伸縮調整平衡.由圖9還可以看出:各活塞桿伸出達到最大行程0.05 m后,經過一段時間,控制閥的輸入信號控制換向閥動作,活塞桿開始縮回,回到初始位置,可見懸掛油缸均可以按規定的要求達到其行程.在活塞桿伸出和縮回過程中,不同分路的油缸活塞桿所需時間不同,這主要是因為系統油路較長,油液先到達的油缸先響應,進而產生時間上的差異.但在一定時間的過渡之后,懸掛系統各油缸都達到穩定狀態.

3.4 鎖緊油缸失效

當鎖緊油缸失效時,則恒載與活載均由懸掛油缸承受.給定懸掛油缸一個值為162500的信號,其他參數不變,運行仿真,得到如圖10的仿真結果

從圖10中可以看出:活塞桿達到最大行程0.05 m后,通過兩位三通電磁閥的輸入信號控制換向閥的動作,活塞桿開始縮回,回到初始位置.說明即使在實際工作過程中鎖緊油缸突然失效,懸掛油缸同樣可以承受相應載荷完成工作,液壓系統仍然可以正常運行,保證了橋梁的安全性.由圖10同樣可以看出:液壓系統啟動時,壓力流量突變,產生液壓沖擊,從而引起了波動.

圖9 多個懸掛油缸活塞桿位移曲線Fig.9 Displacement curves of multiple locked cylinder rods

圖10 多個懸掛油缸位移曲線Fig.10 Displacement curves of multiple oil suspension cylinder rods

4 結論

本文基于AMESim的縱向開啟橋液壓系統進行建模與仿真,先根據液壓原理進行建模,根據不同工況要求調節參數進行仿真運行.由仿真分析可以看到,仿真模型的搭建基本正確,仿真結果滿足設計要求.仿真結果表明:各懸掛油缸以及鎖緊油缸基本實現了同步運動狀態,符合設計要求.由于油路較長,各油缸響應速度快慢不同,所需時間有所差異,但經過一段時間后均達到穩定狀態,不會影響系統的同步特性.

對于整個系統,啟動時由于壓力流量的突變存在一定的速度波動,因此最好加蓄能器吸收液壓泵突然啟動或停止,閥突然開啟、換向或關閉時系統壓力突然變化產生的沖擊,從而減小活塞桿的位移波動.

[1] 李興華,朱瑞林.基于AMESim的WL3200T 壓機的液壓仿真[J].化工裝備技術,2009(2):1-2.

LI Xinghua,ZHU Ruilin.The hydraulic simulation of WL3200T press machine based on AMESim[ J].Chemical Equipment Technology,2009(2):1- 2.

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LI Chenggong,HE Yanmiao.Modeling and simulation of the hydraulic system [M].Beijing:Aviation Industry Press,2008.

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WANG Yan,CHANG Yulian,WANG Jing.Hydraulic system simulation on mechanical arm of pipe-string conveyors[J].Chinese Jounrnal of Construction Machinery,2014,12(3):218-222.

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FU Yongling,QI Xiaoye.AMESim system modeling and simulation—from entry to the master [M].Beijing:Beihang University Press,2006.

AMESim-based hydraulic system simulation onlongitudinal movable bridge

LIU Guang-jun, BAO Xiao-fan, PEI Ze-quan, BIAN Yong-ming

(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Unlike the traditional opening mode, the longitudinal movable bridge, a new open bridge, applies the horizontal scaling mode for opening and closing. By analyzing the hydraulic principles on a specific longitudinal movable bridge, the hydraulic system is first simplified using AMESimTM. Then, the load-related variations, together with cylinder displacements of suspension and locking system, are obtained to verify the feasibility of hydraulic principle and synchronism of systematic movement. Finally, this approach provides a theoretical support for system optimization and establishment.

longitudinal movable bridge ; hydraulic system; AMESim; simulation

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目

投稿聯系人:劉廣軍(1979-),男，博士,副教授.E-mail:gjliu@126.com

TU 17

A

1672-5581(2016)05-0436-04