橋梁檢測(cè)車(chē)液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

張 浩

（長(zhǎng)安大學(xué)陜西 西安710064）

橋梁檢測(cè)車(chē)是一種裝備有橋梁檢測(cè)儀器，為橋梁檢測(cè)人員在檢測(cè)過(guò)程中提供檢測(cè)作業(yè)平臺(tái)，用于流動(dòng)檢測(cè)和維修作業(yè)的特種車(chē)輛，在橋梁檢測(cè)方面有著不可替代的作用。橋梁建設(shè)是國(guó)家重要的基礎(chǔ)建設(shè)之一，橋梁工程是關(guān)系社會(huì)和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的生命線工程。橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，巨大的資金投入，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中的顯赫作用，使得人們對(duì)橋梁的安全性、耐久性越來(lái)越重視。這就需要對(duì)原有橋梁的結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，鑒定它的實(shí)際承載能力，液壓系統(tǒng)則是橋梁檢測(cè)車(chē)的核心部分。為實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程中橋梁檢測(cè)車(chē)的穩(wěn)定安全運(yùn)行，可靠的保障工作人員工作過(guò)程中的人身安全，本文對(duì)橋梁檢測(cè)車(chē)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。

1 橋梁檢測(cè)車(chē)工作原理

本文以16 m橋梁檢測(cè)車(chē)液壓系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)檢測(cè)車(chē)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，本設(shè)計(jì)主要對(duì)檢測(cè)車(chē)的臂架系統(tǒng)與行走系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且制定了橋梁檢測(cè)車(chē)的工作方案，設(shè)計(jì)了橋梁檢測(cè)車(chē)的液壓工作系統(tǒng)[1]。見(jiàn)圖1.

圖1 桁架式橋梁檢測(cè)車(chē)

在放下工作裝置時(shí)，要先讓車(chē)輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，整機(jī)處于怠速，橋面平整，橋面不能有強(qiáng)風(fēng)，拉緊手剎，然后在工作裝置的兩側(cè)伸出支撐架，支撐架由支撐和行走馬達(dá)組成，以達(dá)到避免輪胎變形對(duì)工作裝置平衡性的干擾，以達(dá)到保持工作狀態(tài)時(shí)整車(chē)的平衡。檢測(cè)車(chē)工作裝置展開(kāi)所需的動(dòng)力來(lái)自于液壓系統(tǒng)，遵循預(yù)設(shè)的指令順序，在液壓驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)的作用下，首先桁架工作平臺(tái)在底盤(pán)上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°、然后讓桁架工作平臺(tái)翻轉(zhuǎn)90°，接著展開(kāi)工作平臺(tái)，使桁架抵達(dá)指定位置，最后旋轉(zhuǎn)桁架旋轉(zhuǎn)至檢測(cè)位置，最后伸出工作平臺(tái)，檢測(cè)車(chē)工作裝置可以自動(dòng)完成所有的展開(kāi)所需的動(dòng)作。對(duì)橋梁檢測(cè)完畢后，進(jìn)行工作裝的回收，其動(dòng)作剛好為展開(kāi)式的逆順序[2]。

2 液壓系統(tǒng)的調(diào)研與分析

橋梁檢測(cè)車(chē)是依靠液壓系統(tǒng)來(lái)給所有工作裝置提供動(dòng)力。液壓系統(tǒng)粗分包括3個(gè)主要回路：一是桁架機(jī)構(gòu)的展和收液壓回路；二是支撐架的升和降以及行走液壓馬達(dá)回路；三是移動(dòng)平衡配重的回路。其工作裝置的控制方式為液壓伺服控制，液壓系統(tǒng)的組成元件由液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸以及各類(lèi)型的閥、管道等配件。桁架的展開(kāi)主要由液壓缸來(lái)完成，所以，一定要保證液壓缸在工作時(shí)具有穩(wěn)定的速度以及安全的鎖緊性，在液壓缸的回路中設(shè)有平衡閥以及液壓鎖，為了保證執(zhí)行液壓缸的位置鎖緊，避免因意外事故造成桁架下落的危險(xiǎn)情況，保證工作人員的安全[3]。

液壓系統(tǒng)細(xì)分主要有：（1）工作平臺(tái)的回轉(zhuǎn)油路；（2）工作平臺(tái)翻轉(zhuǎn)油路；（3）桁架平臺(tái)升降、翻轉(zhuǎn)與伸縮機(jī)構(gòu)；（4）桁架平臺(tái)回轉(zhuǎn)油路；（5）整機(jī)支腿伸收油路；（6）整機(jī)低速行走系統(tǒng)液壓回路。

3 工作裝置

本橋梁檢測(cè)車(chē)的動(dòng)力傳遞路線：內(nèi)燃機(jī)→取力器→液壓泵→液壓工作裝置，它充分利用了液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且易于實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速和運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換，傳動(dòng)平穩(wěn)、方便、安全系數(shù)高。車(chē)上還配備了備用動(dòng)力源，但是只在特殊情況下，例如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，就需要備用動(dòng)力源來(lái)給液壓泵提供動(dòng)力。

其中桁架平臺(tái)的伸縮利用齒輪帶動(dòng)齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且在工作平臺(tái)的軌道上加裝滾輪裝置，或者軸承來(lái)輔助其伸縮，平臺(tái)移動(dòng)的主要阻力是人與平臺(tái)自身重造成軌道間的摩擦力?？紤]到伸縮的平穩(wěn)性以及傳動(dòng)的方便性，本所以本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)帶有齒輪的小型液壓馬達(dá)，分布在軌道兩側(cè)來(lái)帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)平臺(tái)伸縮大道合適的位置。

考慮到工作平臺(tái)與桁架平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)力臂較小，并且翻轉(zhuǎn)過(guò)程中重心位置一直是變量，所需力突變較大，故采用液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，液壓缸的選型則需要對(duì)液壓缸受力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合其機(jī)械結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)短來(lái)進(jìn)行最終的選型與校核。

對(duì)于檢測(cè)車(chē)的兩個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：桁架平臺(tái)展轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與工作平臺(tái)展轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。工作平臺(tái)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，要求回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)副既可以承受軸向方向的力，又可以承受傾覆轉(zhuǎn)矩，這就需要回轉(zhuǎn)支撐來(lái)完成這個(gè)功能，對(duì)于工作平臺(tái)的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)則采用液壓缸帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承。對(duì)于桁架平臺(tái)的回轉(zhuǎn)，考慮到桁架平臺(tái)回轉(zhuǎn)支撐中需要人通過(guò)，所以需要選擇大通徑的回轉(zhuǎn)支撐，同時(shí)要重量輕，要求其能同時(shí)承受傾翻力矩及軸徑向力，利用低速大扭矩馬達(dá)來(lái)直接驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。這種方式省去了馬達(dá)與回轉(zhuǎn)間的減速裝置，所以回轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)緊湊，符合檢測(cè)車(chē)設(shè)計(jì)原理[3]。

本設(shè)計(jì)中的展轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回路如圖2所示，在高、低壓油路之間并聯(lián)上溢流閥（起緩沖作用），運(yùn)行過(guò)程中高壓油口與低壓油口通過(guò)溢流閥相通，當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)急停或者反轉(zhuǎn)時(shí)，高壓路的液壓油則會(huì)經(jīng)過(guò)溢流閥直接進(jìn)入低壓路，可以減小液壓沖擊[3]。溢流閥的設(shè)定壓力稍微大于回路的額定壓力，兩個(gè)單向閥起補(bǔ)油作用[4]。這種回路的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)背壓低，工作效率高，并且補(bǔ)油量小[3]。

圖2 回轉(zhuǎn)馬達(dá)

液壓支腿在橋梁檢測(cè)車(chē)工作時(shí),支撐著整個(gè)機(jī)重重量,要求安全可靠。壓力油經(jīng)液壓鎖(雙液控單向閥),分別進(jìn)入四個(gè)支腿液壓缸的無(wú)桿腔,支腿伸出;當(dāng)壓力油經(jīng)油管,液壓鎖分別進(jìn)入支腿液壓缸的有桿腔,支腿縮回。支腿液壓缸上的液壓鎖是為了保證在臂架工作時(shí)支腿在負(fù)載作用下不會(huì)突然縮回,并且防止發(fā)生車(chē)輛劇烈顫動(dòng)。由于構(gòu)件鋼性原因所以不必設(shè)置同步閥，依靠其最終長(zhǎng)度即可達(dá)到同步的目的，所以其液壓圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 支腿鎖緊裝置

若采用橋梁檢測(cè)車(chē)底盤(pán)自帶的機(jī)械傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自行的話，考慮到機(jī)械傳動(dòng)的缺點(diǎn)，低速穩(wěn)定性不夠好，所以本車(chē)采用全液壓驅(qū)動(dòng)并且結(jié)合現(xiàn)代的電子控制技術(shù)，使之可以再移動(dòng)中進(jìn)行檢測(cè)，可以極大提高檢測(cè)效率，通過(guò)對(duì)坡度以及六級(jí)風(fēng)空氣阻力對(duì)橋梁檢測(cè)車(chē)影響的分析求得其所需最大牽引力，故本設(shè)計(jì)選取本設(shè)計(jì)選取薩奧公司的HMK38型液壓馬達(dá)，配合Fairfield公司的11HPE0104030型減速機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其低速行駛檢測(cè)。

橋梁檢測(cè)車(chē)工作時(shí)，既需要液壓缸，又需要液壓馬達(dá)工作，所以選擇開(kāi)式系統(tǒng)，定量馬達(dá)[5]。所以本設(shè)計(jì)選用力士樂(lè)公司的斜軸結(jié)構(gòu)軸向柱塞定量泵A2FO45型，排量45.6 cm3/r.定量泵A2FO適用于開(kāi)式回路的液壓傳動(dòng)，選用定量泵價(jià)格相對(duì)較低，并且可以滿足要求。考慮泵的工況，當(dāng)檢測(cè)車(chē)停止運(yùn)動(dòng)時(shí)候，各閥口是關(guān)閉的，所以為了減少動(dòng)力的浪費(fèi)，本設(shè)計(jì)溢流閥選定為電磁溢流閥，即當(dāng)系統(tǒng)不需要工作時(shí)，控制電磁換向閥來(lái)使泵卸荷。

4 橋梁檢測(cè)車(chē)的液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

依據(jù)工作回路液流的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，液壓系統(tǒng)分為開(kāi)式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)兩大類(lèi)。在某些情況下，還采用開(kāi)、閉混合型式。考慮到本橋梁檢測(cè)車(chē)的液壓系統(tǒng)中包含液壓缸與液壓馬達(dá)，故采用開(kāi)式系統(tǒng)。開(kāi)式系統(tǒng)的特點(diǎn)是由液壓泵直接從液壓油箱中吸油，供執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用后又回到油箱，即油液的循環(huán)是在油箱與回路中進(jìn)行的，最終還是回到油箱。開(kāi)式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；較大的油箱能給液壓油快速的散熱；方便油中雜質(zhì)在油箱中沉淀，大大降低了選取濾油器的標(biāo)準(zhǔn)；回路供油泵可以選用單泵或者多泵，泵又分為定量泵和變量泵；系統(tǒng)中各回路之間可以串聯(lián)，亦可并聯(lián)；可以用節(jié)流調(diào)速，亦可用容積調(diào)速，或兩者兼用。所以，對(duì)開(kāi)式系統(tǒng)構(gòu)成的設(shè)計(jì)較為靈活，并且具有大的調(diào)速范圍。但開(kāi)式系統(tǒng)也有一定的缺點(diǎn)是：油箱占用空間大，油與空氣直接接觸，會(huì)使液壓油中混入空氣[6]。見(jiàn)圖4.

圖4 橋梁檢測(cè)車(chē)液壓系統(tǒng)圖

液壓元件的工作都需要由換向閥來(lái)控制，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須要充分考慮各類(lèi)換向閥的功能和特點(diǎn)，合理地加以選用，考慮到本回路中多處采用平衡、保壓、鎖緊等回路，同時(shí)又考慮到液控單向閥的優(yōu)良特性，所以本設(shè)計(jì)多處采用液控單向閥，另一方面為了使液控單向閥能夠滿足本設(shè)計(jì)的需求，故需加裝具有H型中位機(jī)能的三位換向閥，令二者配合使用。

5 總結(jié)

本文選取橋梁檢測(cè)車(chē)為基本的研究對(duì)象，對(duì)其桁架結(jié)構(gòu)、工作裝置動(dòng)作順序以及液壓系統(tǒng)進(jìn)行了分析與研究，同時(shí)對(duì)液壓元件進(jìn)行初步的計(jì)算與選型，對(duì)液壓原理圖進(jìn)行了基本設(shè)計(jì)。

[1]王志龍.桁架式橋梁檢測(cè)車(chē)臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

[2]和麗梅.桁架式橋梁檢測(cè)車(chē)結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

[3]王 凡.智能橋梁檢測(cè)車(chē)臂架系統(tǒng)的研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2008．

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[6]龔棟梁.橋梁檢測(cè)車(chē)的研究與開(kāi)發(fā)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009．