步履式頂推裝備液壓系統設計與性能仿真

摘要：主要介紹一種1200t步履式頂推裝備的節流調速液壓系統的設計、應用與性能仿真。基于步履式頂推液壓系統功能設計與施工工況的要求，對系統整體功率、關鍵閥件、管道等關鍵元器件進行選型、計算與分析。對步履式頂推裝備的液壓系統建立了數學模型，并利用MATLAB對液壓系統參數進行了仿真與改進。

關鍵詞：步履式頂推；節流調速；平衡閥；仿真；MATLAB

0" "引言

頂推技術是一種對預制橋梁結構進行推移或拖拉的橋梁施工方法。2005年，法國米約大橋成功采用了楔進式頂推施工工藝。2007年開始，我國眾多預制橋梁建設開始逐步采用步履式頂推技術與裝備進行頂推施工，它攻克了成橋線形自適應控制與橋梁整體頂推施工分布式監控等難題，有效降低了裝備系統制造與使用成本，有效提升了橋梁施工效率與安全性[1-2]。

液壓系統是步履式頂推裝備的生命線，其元器件選型設計、系統性能的優劣，直接關系到多點頂推裝備同步頂推施工以及橋梁線形成形質量。雖然頂推工藝日漸成熟，但至今仍然缺少對類似大型起重設備的系統理論分析。不同廠家生產的頂推設備，在外形、液壓原理、控制算法等方面也不盡相同，具體孰優孰劣往往靠設計人員的經驗判斷，所以對已有的頂推裝備液壓系統進行技術上的分析歸納，具有一定的實際指導意義和理論價值[3-4]。

本文主要圍繞某型1200t頂推設備的液壓系統展開研究，對其液壓系統原理進行系統設計，并根據工況進行參數計算和元件選型。通過建立液壓系統的數學模型，并利用MATLAB進行仿真分析，對系統做出了合理優化[5-6]。

1" "液壓系統原理

頂推設備執行動作包括負載方向頂升、負載行進方向頂推、負載橫移方向 糾偏，三者相互之間無耦合，依靠液壓液壓系統驅動液壓缸的動作實現。液壓系統是整個頂推系統動作實現的基礎，它決定了設備最終的運行速度、自身控制屬性以及安全可靠度等特性[7]。

根據動作原理液壓系統設計為3個主回路，由于設備的流量不大，且一般為非連續工作狀態，所以從經濟性和高效性角度考慮采用恒流量系統，即定量泵+溢流閥為系統供油。頂推液壓系統原理如圖1所示。

系統采用Y型比例換向閥節流調速，當閥芯處于中位時，油路均直接連通回油箱，以有效避免與O型換向閥等配合時，液壓鎖或者平衡閥控制油路憋壓，導致雙向導通或者泄露的問題[8]。對于負載的支撐回路，即頂升缸，為了確保安全性，防止在負載方向運動失控時出現的加速運動，以及執行元件以高于設定的速度運動，每個液壓缸都安裝了HAWE LHDV型平衡閥，如圖2所示。

LHDV型平衡閥采用外部可調節流阻尼加旁通節流方式，油路上控制口S與液壓缸的進油路相連，當液壓缸帶載下降過程時，只有控制油路壓力大于平衡閥預設壓力P1時，平衡閥才會開啟，V與F口相通。平衡閥流量特性曲線如圖3所示。

有許多回路利用順序閥代替平衡閥，或者只使用液壓鎖，如圖4所示。相對來說，順序閥類似于壓力開關，當壓力大于設定壓力時閥口完全開啟，反之完全關閉，所以帶載下降過程的啟停瞬間易造成系統振動，其中液壓鎖表現更加明顯。

而LHDV型平衡閥在振動或者承受較大的柔性載荷時，適應性更強，其內部的阻尼元件能夠有效削弱主閥芯打開時的沖擊，降低系統的振動幅度與頻率。頂推回路與糾偏回路分別為獨立的回路，各由一個比例換向閥調速，并安裝有液壓鎖。

2" "液壓系統部件選型及參數計算

液壓缸的規格要求如表1所示，系統設計壓力31.5MPa，頂升速度設計為3.5m/h。液壓泵、電動機、液壓附件選型計算如下：

2.1" " 液壓泵選型

根據液壓執行元件的缸內面積、運行速度以及系統壓力即可對液壓泵的排量進行初步計算[9]，公式如下：

QP=nVηv·10-3≥6vmax A·104+QY" " " " " "（1）

其中：

V——泵的排量，cm3/r；

n——電機轉速，r/min；

ηv——泵的容積效率，取0.95；

vmax——執行元件的動作速度，m/s；

A——有效作用面積，m2；

QY——溢流閥最小溢流量，單位，可忽略不計。

將已知參數代入式（1）可以得到22.43L/min。根據流量，選擇PARKER F1-25-R型軸向柱塞泵最合適，其排量25mL/r ，匹配電機轉速1000r/min時輸出流量略大于系統需要流量。

2.2" " 電動機選型

根據所選泵的實際流量，即可以根據公示（2）計算電機功率。

（2）

式中：

ψ——泵的轉換系數，取1；

PN——系統的額定壓力，MPa；

QN——系統流量，L/min；

ηp——液壓泵的總效率，容積效率+機械效率之和，取0.95；

將已知參數帶入公式中，計算可得13.81kW。所以選擇功率15kW、轉速1000r/min的西門子三相異步電動機可以滿足使用。

2.3" " 液壓輔件選型

泵站與設備之間為鋼絲增強型液壓橡膠軟管連接，管內流速最大可達6m/s，軟管內徑、流量以及流速的公式如下：

（3）

計算得到軟管內徑為9.4mm，根據計算通徑與系統壓力，按照國標選擇通徑10mm的軟管。

3" "液壓系統仿真

系統仿真首先要建立系統的數學模型。分析系統輸入與輸出的關系，掌握系統的響應快慢、振動頻率等動態特性，以便指導設計參數的修改[10]。根據比例換向閥及平衡閥的原理，可以將頂升過程等效為圖5的回路，比例換向閥可以簡化為節流閥與換向閥組成，平衡閥可以直接等效為單向閥。

3.1" " 比例閥開口與油缸速度特性

根據圖3中LHDV型平衡閥的流量特性曲線，確定節流口的流量計算如下：

Q=kA·△Pm" " " " " " " " " " " " " （4）

對于節流閥，其流量計算如下：

（5）

式中：

Cd——流量系數；

ρ——液體密度，kg/m3；

Ax——閥芯面積，m2。

對于液壓缸，忽略回油背壓，根據流量與力的平衡可得：

（6）

式中：

C1——進油路油腔與管路的液容；

m——運動部分質量；

B——粘性阻尼系數；

λ——泄露系數。

考慮系統穩定運行狀態，忽略油管與油腔的液容與泄露以及油缸的阻尼系數，綜合（5）、（6）可以求得運動速度v與節流面積At之間的關系式：

（7）

由公式（7）可知，負載保持不變的時，液壓缸的速度與節流閥面積成正比。

3.2" " 負載速度特性

對方程（6）進行拉普拉斯變換可得：

（8）

進而可以求得：

（9）

其中：W1（s）=P1（s）/Q1（s）表示節流閥與進油管路系統共同作用的傳遞函數，忽略管道及換向閥對系統動態性的影響，進油管路僅考慮節流閥，則有：

（10）

將其代入（9）可得：

（11）

忽略液壓缸本身泄露、黏性阻尼，將參數Q1=0.096m2、C1=1.0×10-9pa、Cd=0.62、λ=0、B=5000Nm-1s、m=3×105kg代入 ，得到方程如下：

（12）

系統的無阻尼自然頻率" " " " " " " " " " " " " " " ，系統的阻尼比" " " " " " " " " 。

利用MATLAB求傳遞函數的單位脈沖響應、單位階躍響應以及斜坡響應。從單位斜坡響應曲線圖分析可知，系統為過阻尼系統，起步振動問題不明顯。運動物體的質量越大，系統上升至穩定狀態的時間就越長。

4" "結語

本文以頂推設備液壓系統設計為例，根據實際的工況條件確定液壓系統方案，通過計算計算確定了元器件參數型號，并最終通過系統仿真，分析了系統負載上升過程的動態響應。得到以下結論：選擇比例閥+定量泵無極調速，經濟高效；頂升油路安裝LHDV型平衡閥，可防止墜落；液壓系統上升油路屬于過阻尼系統，運動質量越大，達到穩態的時間越長。

參考文獻

[1] 黃志華.淺談步履式頂推施工技術在鋼箱梁施工中的應用[J].中國水運（下半月），2019，19（9）：255-256.

[2] 吳春桃，李鴻豪.異形曲面鋼結構高空液壓頂推滑移安裝技術[J].建筑科技，2018，2（2）：19-21.

[3] 王鳳娟.機械設計制造中液壓機械控制系統的運用[J].科學技術創新，2019（15）：142-143.

[4] 高偉.液壓同步頂推頂升技術在橋梁施工中的運用[J].中國新技術新產品，2016（8）：51.

[5] 李永堂，雷步方，等.液壓系統建模與仿真[M].冶金工業出版社，2003.2.

[6] 李成功，彥淼.液壓系統建模與分析[M].航空工業出版社，2008.9.

[7] 張利平.液壓控制系統及設計[M].化學工業出版社，2006.4.

[8] 張平格.液壓傳動與控制[M].北京：冶金工業出版社，2004.8.

[9] 成大先.機械設計手冊第五版第五卷[M].化學工業出版社，2008.3.

[10] Katsuhikko Ogata著，盧伯英等譯.現代控制工程[M].電子工業出版社.2011.8.