桁架式橋梁檢測車及其液壓系統仿真分析與研究

邢紅亮，官　革，岳偉平

（長安大學工程機械學院，陜西西安710064）

桁架式橋梁檢測車及其液壓系統仿真分析與研究

邢紅亮，官革，岳偉平

（長安大學工程機械學院，陜西西安710064）

以某種型號的桁架式橋梁檢測車為研究對象，介紹了它的結構組成和工作原理，并對它的液壓系統進行了分析。并利用Simulink對它的擺幅機構電液比例控制系統進行了仿真研究，結果表明，通過調節PID控制器的參數可以方便有效提高系統的性能；驗證了通過正確的數學建模，并利用Simulink對系統進行仿真分析，可以預先了解系統特性，提高設計系統時的效率，為完善桁架式橋梁檢測車的性能和相關領域的研究提供了重要參考。

桁架式橋梁檢測車；液壓系統；擺幅機構；Simulink

橋梁檢測車采用機、電、液、信一體化技術，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平臺的專用汽車，裝備有橋梁檢測儀器和工作平臺［1］。根據上部工作裝置形式的不同可以分為桁架式和折臂式兩種，由于結構形式的不同，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構組成和工作原理，然后對它的液壓系統進行了分析，并利MATLAB中的Simulink對擺幅機構的液壓系統回路進行了仿真分析和研究。

1　結構組成和工作原理

桁架式橋梁檢測車結構復雜，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、電控系統等組成。圖1是桁架式橋梁檢測車處于工作狀態的結構示意圖。

圖1　桁架式橋梁檢測車結構示意圖

車輛底盤采用成熟的通用汽車底盤，根據整車的布置做一些適當的改動。桁架工作裝置主要由舉升機構、旋轉機構、平行四邊形機構、提升塔、擺幅機構、作業平臺等構成。旋轉機構包括底座的旋轉架和提升塔下部的旋轉軌，都采用液壓馬達、回轉大齒輪、驅動小齒輪、回轉支撐的組成形式，通過控制液壓油進入液壓馬達的方向，實現回轉運動的正反向運動；舉升結構由垂直架、垂直架液壓缸等組成，通過垂直架液壓缸能夠使桁架側翻；平行四邊形機構由連桿、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伸縮臂的升降；作業平臺由基本平臺和伸縮平臺構成，通過擺幅機構實現工作平臺的展開，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，在液壓缸和馬達的驅動下，按照電控系統的指令依次實現旋轉臺回轉90°，垂直架翻轉90°，桁架垂直下降，工作平臺的展開，工作平臺旋轉至橋底，工作平臺的收縮［4］。

2　液壓系統分析

液壓系統是桁架式橋梁檢測車的關鍵部分，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，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機構運動時，通過控制液壓油進入液壓馬達的方向，實現回轉的正反向運動。由于轉動慣量很大，在啟動、制動和反轉時會產生很強的液壓沖擊。液壓沖擊會導致液壓系統升溫，使液壓元件產生振動和噪音，甚至破壞，重則使管路破裂，嚴重降低系統安全穩定性。該桁架式橋梁檢測車旋轉機構采用了并聯緩沖閥式緩沖回路，在高、低油路之間并聯兩個緩沖溢流閥，可吸收液壓沖擊。緩沖溢流閥的調定壓力略大于泵出口處溢流閥的工作壓力，兩個單向閥起補油作用。當旋轉機構啟動、制動和反轉時，高壓腔的液壓油經過緩沖溢流閥進入低壓腔，減小了液壓沖擊。這種緩沖回路補油量少，背壓低，工作效率高［5］。

舉升機構、平行四邊形機構、擺幅機構、提升塔等都是通過液壓缸的收縮實現桁架的伸展和回縮。橋梁檢測車的桁架質量很大，工作時必須保證液壓缸伸縮的穩定可靠。從上述原理圖中可看到，上述各工作機構的液壓回路中都設置平衡閥，形成平衡回路，可以防止液壓缸在負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　擺幅機構電液比例控制系統的建模與仿真

3.1擺幅機構電液比例控制系統的數學建模

將電壓U作為輸入，液壓缸活塞Y作為輸出，根據相關文獻資料可推導出電液比例閥控缸系統的傳遞函數為：

式中Kuv為電壓速度增益，Kuv＝KuxvKq/Ap

系統采用PID控制，根據式（1）可得出擺幅機構電液比例位置控制系統框圖，如圖3所示。

圖3　擺幅機構電液比例位置控制系統框圖

系統采用4BY-H10比例方向閥，液壓缸的行程為750 mm，活塞桿外徑d=27 mm，缸筒內徑D=54 mm.系統的主要仿真參數為F=30 000 N，M=145 kg，ρ=870 kg/m3，βe=700MPa，τ=12.5 ms，Cd=0.7，W=2.33mm.根據相關的文獻資料可以計算得到：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.將以上數據代入式（1），可得到系統的傳遞函數為：

3.2擺幅機構電液比例控制系統的仿真分析

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

圖4　系統的仿真模型

圖5　仿真結果

從圖5中可以看出，系統對輸入信號有良好的跟蹤性，對階躍信號的動態響應良好，超調量為0.3 mm左右，調整時間短，能很快達到穩定狀態。結果表明，通過選擇合適的PID參數，可以很好地改善系統的性能，該擺幅機構電液比例控制系統能夠很好地滿足擺幅機構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進行分析研究。

4　結束語

本文對桁架式橋梁檢測車的結構組成、工作原理、液壓原理進行了分析，分析結果表明桁架式橋檢車的轉動慣量大，旋轉機構液壓回路應使用緩沖回路，以減小液壓沖擊；各伸縮機構和擺幅機構應采用平衡回路，防止由于負載作用出現誤動作，提高安全性。對擺幅機構電液比例控制系統進行仿真分析，結果表明通過調節PID控制的參數，能明顯改善系統系能，使擺幅機構系統滿足工作要求。利用Simulink對系統進行仿真分析可以方便修改參數，直觀得到仿真結果，提前了解系統的動態特性，提高設計和分析系統時的效率。

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

［2］崔文毅，潘夏表.橋梁檢測車在橋梁檢測中的應用［J］.筑路機械與施工機械化，2006，（12）:42-44.

［3］龔棟梁.橋梁檢測車的研究與開發［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鍵技術研究［D］.西安：長安大學碩士論文，2007:9-10.

［5］王積偉，章宏甲，黃誼.液壓與氣壓傳動［M］.北京:機械工業出版社，2005.

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

［7］薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用［M］.北京:清華大學出版社，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，研究方向為工程機械液壓系統設計，減速器設計與研究。