中馬友誼大橋鋼箱梁吊裝緩沖限位裝置試驗(yàn)與液壓仿真研究

徐杰，李寧，劉修成，朱明清

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

馬爾代夫中馬友誼大橋橫跨Gaadhoo Koa海峽，該海域波浪以8～14 s長(zhǎng)周期波為主，主橋孔跨布置為（100+180×2+140+100+60）m，第 2、3、4主跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁與鋼箱梁的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。綜合考慮，采用將鋼箱梁節(jié)段吊裝至混凝土箱梁橋面，組拼為大節(jié)段鋼梁后，整體頂推的施工方案。

該安裝方法采用起重船吊裝鋼箱梁節(jié)段至橋面時(shí)，由于涌浪作用下船體的橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)會(huì)激發(fā)吊物系統(tǒng)的空間受迫振動(dòng)[1]，使得鋼箱梁在吊裝的過(guò)程中，出現(xiàn)較大的擺幅，影響鋼箱梁就位精度，因此在吊裝就位時(shí)需考慮對(duì)鋼箱梁進(jìn)行緩沖限位。

基于油氣彈簧的緩沖限位裝置具有較好的抗沖擊性，剛度可調(diào)以及衰減迅速的特點(diǎn)[2]，此類緩沖裝置曾用于緩解風(fēng)機(jī)海上整體安裝時(shí)的豎向加速度[3]。本文通過(guò)液壓系統(tǒng)建模仿真與沖擊試驗(yàn)的手段，對(duì)該緩沖限位裝置的功能進(jìn)行驗(yàn)證，確定蓄能器充氣壓力，為緩沖限位裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供參考。

1 緩沖限位裝置原理與設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

該緩沖系統(tǒng)包括液壓油缸、蓄能器和控制閥組，如圖1所示。蓄能器氣囊內(nèi)充入一定壓力的氮?dú)?，并向系統(tǒng)泵入適量的液壓油，該系統(tǒng)無(wú)需動(dòng)力源即可實(shí)現(xiàn)緩沖功能[4]。

圖1 緩沖限位裝置Fig.1 Buffer limiter device

初始狀態(tài)下，油缸活塞桿在充氣壓力的作用下，處于完全伸出狀態(tài)；當(dāng)油缸受到水平撞擊后，活塞桿受壓收縮，油腔內(nèi)的液壓油進(jìn)入蓄能器，蓄能器膠囊內(nèi)氣體體積收縮，壓力增大，吸收系統(tǒng)所受到的沖擊力，并產(chǎn)生一定的阻尼力；當(dāng)重物在回復(fù)力的作用下遠(yuǎn)離限位裝置時(shí)，油缸內(nèi)油壓降低，蓄能器內(nèi)的液壓油隨即補(bǔ)充，活塞桿伸張至初始位置。如此往復(fù)直至重物的擺動(dòng)幅值衰減為零，實(shí)現(xiàn)緩沖限位的功能。

吊裝作業(yè)時(shí)，鋼箱梁在船體縱搖激勵(lì)下，會(huì)出現(xiàn)較大的橫橋向擺幅。通過(guò)緩沖限位裝置延長(zhǎng)碰撞作用時(shí)間，降低沖擊荷載，約束其橫橋向運(yùn)動(dòng)，并最終達(dá)到限位的目的，使鋼箱梁中軸線與橋軸線基本重合，就位于緩沖墊層上，如圖2所示。

圖2 鋼箱梁吊裝現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.2 Layout of steel box girder lifting

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

緩沖限位裝置由限位擋板滑塊、滑槽基座、液壓油缸以及蓄能器組成。限位擋板與鋼箱梁邊腹板設(shè)計(jì)成相同斜度，兩者接觸面設(shè)置有MGE滑板，避免鋼箱梁防腐涂層受損。液壓油缸水平安裝于滑槽內(nèi)，與限位擋板滑塊連接，限位擋板滑塊嵌于滑槽基座內(nèi)，受到外力作用后，可在滑槽內(nèi)良好滑動(dòng)，并帶動(dòng)活塞桿伸縮。

蓄能器與油缸之間設(shè)置單向節(jié)流閥，油缸受到?jīng)_擊時(shí)液壓油可順利進(jìn)入蓄能器膠囊，而當(dāng)蓄能器內(nèi)液壓油回流時(shí)則會(huì)受到節(jié)流阻尼的控制，液阻增加，從而衰減壓力波，減小振蕩次數(shù)[5]。此外，系統(tǒng)還設(shè)置有溢流閥，當(dāng)受到過(guò)大的沖擊力造成油壓過(guò)高時(shí)，超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，液壓油經(jīng)由溢流閥回流至液壓泵站，從而把撞擊力控制在一定范圍內(nèi)。

1.3 參數(shù)初選

1）液壓油缸參數(shù)

根據(jù)作業(yè)窗口統(tǒng)計(jì)，起重船在有效波高0．75 m條件下能正常作業(yè)[6]。在此條件下進(jìn)行重物試吊，并測(cè)量得到重物橫橋向的最大擺動(dòng)幅值為2．0 m，運(yùn)動(dòng)周期約為12 s，將其視為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，得到最大撞擊速度為1．05 m/s。假設(shè)在緩沖限位裝置的作用下，可以將碰撞作用時(shí)間延長(zhǎng)至1 s，鋼箱梁及吊具的重量為160 t，根據(jù)沖量定理，得到水平撞擊力的設(shè)計(jì)值為168 kN。假設(shè)鋼箱梁作勻減速運(yùn)動(dòng)，得到其速度減小為0時(shí)的位移為52．5 cm。綜上所述，初選油缸參數(shù)內(nèi)徑14 cm，活塞桿行程80 cm，額定壓力為12 MPa。

2）蓄能器參數(shù)

對(duì)于膠囊式蓄能器[7]，預(yù)充氣壓力P0、最小工作壓力P1以及最高工作壓力P2三者關(guān)系如下：

式中：最高工作壓力P2取油缸的額定壓力12 MPa，那么預(yù)充氣壓力P0取3 MPa，最小工作壓力 P1取 3．75 MPa。

蓄能器內(nèi)氣體的壓縮和膨脹應(yīng)遵循理想氣體方程，有：

式中：n為多變指數(shù)，由于蓄能器內(nèi)充液排液迅速，使氮?dú)馐軌夯蛐秹簳r(shí)與周?chē)h(huán)境不能充分地進(jìn)行熱交換，視為絕熱變化，n取1．4。

根據(jù)液壓油缸活塞桿的收縮行程80 cm，得到蓄能器內(nèi)油腔的體積為12．3 L，由式（2）可得，此時(shí)蓄能器的容積應(yīng)大于25 L?？紤]一定的裕度，選取兩個(gè)25 L蓄能器組并聯(lián)，液壓管路直徑取48 mm。

2 緩沖限位裝置場(chǎng)地試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

場(chǎng)地試驗(yàn)旨在模擬鋼箱梁與緩沖限位裝置碰撞過(guò)程，質(zhì)量塊以不同初速度撞擊限位擋板，記錄碰撞時(shí)活塞桿的收縮量，并監(jiān)測(cè)油缸內(nèi)油壓以及蓄能器氣壓變化情況。以此研究緩沖限位裝置的性能參數(shù)，確定鋼箱梁吊裝時(shí)蓄能器充氣壓力的取值。

考慮到場(chǎng)地因素及起重能力限制，采用80 t履帶吊起吊15 t鋼筋混凝土質(zhì)量塊，利用裝載機(jī)將質(zhì)量塊拉離平衡位置一定距離，穩(wěn)定后，裝載機(jī)快速松開(kāi)拉繩，使質(zhì)量塊在重力的作用下作近似單擺運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到平衡位置與錨固于地面的緩沖限位裝置發(fā)生碰撞。

試驗(yàn)中，質(zhì)量塊偏離平衡位置的位移取1 m、1．5 m 和 2．0 m，對(duì)應(yīng)的撞擊速度分別為 0．62 m/s、0．92 m/s和1．23 m/s。假設(shè)在緩沖限位裝置的作用下，碰撞作用時(shí)間可延長(zhǎng)至1 s，根據(jù)1．3節(jié)確定初始參數(shù)，選定預(yù)充氮?dú)鈮毫? MPa，充油壓力分別設(shè)置為 1．2 MPa、1．5 MPa，進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次共進(jìn)行了4種工況下的碰撞模擬試驗(yàn)，表1給出了各不同工況下相關(guān)參數(shù)的設(shè)定值和試驗(yàn)結(jié)果。

表1 不同工況下的試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of various conditions

由表1可知，活塞桿的收縮量隨著撞擊速度的增加而增大，同時(shí)也伴隨著碰撞接觸時(shí)間的顯著延長(zhǎng)，而峰值壓力穩(wěn)定在1．6～2．0 MPa內(nèi)，瞬時(shí)撞擊力小于30 kN，蓄能器發(fā)揮了較好的吸能效果，緩沖效果明顯。

圖3給出了工況三碰撞試驗(yàn)中油缸壓力、蓄能器壓力以及油缸收縮量的時(shí)程曲線?？梢?jiàn)質(zhì)量塊在緩沖限位裝置的作用下，經(jīng)過(guò)3次振蕩后穩(wěn)定于平衡位置附近，擺幅衰減顯著。由壓力時(shí)程可見(jiàn)，當(dāng)質(zhì)量塊撞擊限位擋板時(shí)，瞬時(shí)撞擊力大于油缸初始?jí)毫?，油缸收縮，油缸與蓄能器內(nèi)瞬時(shí)壓力急劇增加。隨后質(zhì)量塊向平衡位置作回復(fù)運(yùn)動(dòng)，接觸力減小，油缸伸張，由于單向節(jié)流閥的存在，液壓油回流至油缸受阻，表現(xiàn)在蓄能器壓力下降要滯后于油缸壓力。這樣可避免蓄能器泄壓過(guò)快，導(dǎo)致活塞桿推動(dòng)限位擋板對(duì)質(zhì)量塊做功，增加振蕩次數(shù)。

圖3 油缸收縮量與緩沖系統(tǒng)壓力時(shí)程曲線Fig.3 Time history curve of oil cylinder shrinkage and buffer system pressure

3 液壓系統(tǒng)仿真

采用AMESim軟件對(duì)緩沖限位裝置的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并結(jié)合場(chǎng)地試驗(yàn)的結(jié)果，評(píng)價(jià)其緩沖性能，合理選取蓄能器預(yù)充氣壓力，優(yōu)化緩沖器的剛度，最大限度地發(fā)揮其緩沖效果。

3.1 模型建立

分別選取 Mechanical、Hydraulic Component Design庫(kù)的元件進(jìn)行緩沖限位裝置模型的搭建，所建立的液壓仿真模型如圖4所示。Hydraulic Component Design庫(kù)所建立的油缸模型更能貼近實(shí)際[8]。質(zhì)量塊與限位擋板滑塊之間設(shè)置有模擬彈性接觸的元件。為了簡(jiǎn)化分析，將質(zhì)量塊單擺運(yùn)動(dòng)視為以一定的初速度撞擊限位擋板，得到油缸活塞桿收縮量以及蓄能器內(nèi)壓力的變化情況。主要元件的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2所示。

圖4 碰撞仿真模型Fig.4 Impact simulation model

表2 仿真參數(shù)設(shè)置Table 2 Simulation parameter settings

3.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)置蓄能器預(yù)充氮?dú)鈮毫? MPa，充油壓力分別為 1．2 MPa、1．5 MPa，15 t的質(zhì)量塊以不同的速度撞擊限位滑塊，得到油缸活塞桿最大收縮量以及蓄能器內(nèi)的峰值壓力如圖5、圖6所示。

圖5 不同撞擊速度所對(duì)應(yīng)的活塞桿收縮量Fig.5 Piston rod shrinkage corresponding to various impact velocities

圖6 不同撞擊速度所對(duì)應(yīng)的蓄能器內(nèi)峰值壓力Fig.6 Peak pressure of accumulator corresponding to various impact velocities

可以看出，油缸活塞桿的收縮量隨撞擊速度的增加而增大，適當(dāng)?shù)母淖兂溆蛪毫梢詫?duì)活塞桿的收縮量進(jìn)行調(diào)節(jié)，增大充油壓力會(huì)使得蓄能器內(nèi)峰值壓力相應(yīng)增加。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，所建立的液壓仿真模型能較好模擬現(xiàn)場(chǎng)撞擊試驗(yàn)。

在上述模型的基礎(chǔ)上，將質(zhì)量塊的重量設(shè)置為80 t，最大撞擊速度1．05 m/s，預(yù)充氮?dú)鈮毫Ψ謩e取3 MPa、4 MPa、5 MPa，取充油壓力為預(yù)充氮?dú)鈮毫Φ?．2倍。得到油缸活塞桿的收縮量以及蓄能器內(nèi)壓力時(shí)程曲線如圖7、圖8所示。由圖可知，預(yù)充氮?dú)鈮毫υ降?，油缸活塞桿收縮量越大，碰撞作用時(shí)間越長(zhǎng)，緩沖效果越顯著，考慮到油缸行程限制，預(yù)充氮?dú)鈮毫Σ荒苓^(guò)低。此外，當(dāng)質(zhì)量塊速度減小到0后，蓄能器內(nèi)的液壓油回流至油缸，由于單向節(jié)流閥的作用，使得液壓油充盈油缸的過(guò)程相對(duì)緩慢。

圖7 不同預(yù)充氣壓力下活塞桿收縮量時(shí)程Fig.7 Curves of piston rod shrinkage at various preinflatable pressure

圖8 不同預(yù)充氣壓力下蓄能器內(nèi)壓力時(shí)程Fig.8 Curves of pressure of accumulator at various pre-inflatable pressure

在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真模型，進(jìn)行鋼箱梁緩沖限位時(shí)，選取預(yù)充氣壓力 3．5～4．0 MPa，充油壓力約4．5 MPa。這樣既能合理發(fā)揮油缸行程，也能將接觸力控制在一定范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以涌浪海域鋼箱梁節(jié)段吊裝就位時(shí)水平擺動(dòng)為出發(fā)點(diǎn)，創(chuàng)新性地采用基于油氣彈簧的緩沖限位裝置，簡(jiǎn)要介紹了其原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選取。并通過(guò)模擬撞擊試驗(yàn)以及液壓系統(tǒng)仿真的手段對(duì)該裝置的緩沖性能進(jìn)行評(píng)估，總結(jié)如下：

1）撞擊試驗(yàn)表明，該裝置能顯著地延長(zhǎng)撞擊過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，減小沖擊力。單向節(jié)流閥增加了液壓油回流至油缸的阻力，質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)幅值經(jīng)過(guò)2～3次衰減后，穩(wěn)定于平衡位置附近，較好地實(shí)現(xiàn)了緩沖限位功能。

2）仿真結(jié)果與模擬試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，對(duì)鋼箱梁吊裝就位時(shí)與限位滑塊的碰撞過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)改變預(yù)充氣壓力調(diào)節(jié)該裝置的剛度，為蓄能器的預(yù)充氣壓力設(shè)置提供依據(jù)。