大型液壓系統(tǒng)在負載沖擊下的穩(wěn)定性

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(1.燕山大學機械工程學院， 河北秦皇島 066004；2.秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工科技有限公司， 河北秦皇島 066004；3.安徽機電職業(yè)技術學院， 安徽蕪湖 241002)

引言

在鐵路客運專線建設中，為減少地形對路面平整度的影響和土地資源的浪費，其結(jié)構形式多采用橋梁式設計。架橋機作為鐵路橋梁架設的主要設備之一，其自身性能對建設質(zhì)量影響較大。其主要功能是將預制梁從運梁車平穩(wěn)的轉(zhuǎn)移至施工位置。

如圖1所示，1700 t架橋機中電液控制系統(tǒng)主要由支腿系統(tǒng)、行走系統(tǒng)等組成，其中支腿系統(tǒng)用于在架設過程中承載架橋機自重和橋梁重量。在整個施工過程中，支腿系統(tǒng)的穩(wěn)定性是安全施工的關鍵。

液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性受油液彈性模量的影響，國內(nèi)外對油液彈性模量的研究集中在油液含氣量和油液工作壓力兩個方面。魏超等[1]通過推導得出了考慮含氣量時的有效彈性模量動態(tài)模型。唐東林等[2]準確預測含氣油液在空氣分離壓下有效體積彈性模量的值，依據(jù)含氣油液中氣相成分隨壓力的變化過程，推導出含氣油液有效體積彈性模量理論模型。呂建宏[3]通過試驗結(jié)果分析，提出可以通過油箱上方壓力的平衡速度來表征系統(tǒng)對含氣量平衡穩(wěn)定的響應速度，但對于含氣量對大型液壓系統(tǒng)彈性模量的影響與架橋機的支腿系統(tǒng)穩(wěn)定性相結(jié)合方面的研究還尚且不足。

圖1 1700 t型架橋機

本研究旨在通過分析不同含氣量下對1700 t架橋機支腿系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提出提升架橋機工作穩(wěn)定性的解決方案。

1 架橋機支腿工作原理

1.1 架橋機支腿受力分析

1700 t架橋機自重約500 t，額定起重量為1700 t，滿載質(zhì)量為2300 t。由于架橋機施工過程緩慢平穩(wěn)，因此可忽略提梁過程中由于預制梁運動狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生的額外力。

如圖2所示，為架橋機的喂梁過程，施工過程中，運梁車先將預制梁運至架橋機前，此時架橋機前后支腿只受到架橋機自身重力，待做好施工準備后，運梁車將預制梁轉(zhuǎn)移至架橋機上，此時架橋機前后支腿承載架橋機自重和梁的重量共2300 t。

圖2 1700 t型架橋機部分工作流程示意圖

1.2 支腿液壓系統(tǒng)簡介

由圖2和圖3可知，架橋機前支腿和中支腿為主力支腿，均采用獨立泵源設計。為了防止支腿油缸出現(xiàn)軟退現(xiàn)象，在支腿油缸的進出油口設置液壓鎖，增加支腿液壓系統(tǒng)的安全性[4]。其中喂梁操作之前，需要控制前支腿和中支腿缸伸出，分別支撐在橋面和橋墩上。

2 故障現(xiàn)象及分析

2.1 故障現(xiàn)象

預制梁從運梁車上移接到架橋機上時，架橋機前后支腿油缸承重由自重變?yōu)樽灾睾皖A制梁的重量之和。此時由于所受載荷增加，支腿油缸出現(xiàn)72～75 mm 范圍內(nèi)的下降，嚴重影響施工過程的安全性。

1.加熱器 2.空氣過濾器 3.液位液溫計 4.排污閥 5.電機 6.回油過濾器 7.溢流閥 8.單向閥 9.換向閥 10.壓力表 11.分流集流閥 12、13.支腿油缸 14.液壓鎖 15.測壓接頭圖3 1700 t型架橋機液壓系統(tǒng)圖

2.2 理論分析

架橋機在喂梁操作時，Y型機能三位四通換向閥9的閥芯處于中位，液壓鎖14控制油壓力為0，閥口處于關閉狀態(tài)，油缸有桿腔和無桿腔油液被封死。此時支腿油缸產(chǎn)生下降，分析故障第一種可能是由于油液中含有較多氣體，使彈性模量降低，當支腿油缸在受到較大載荷時，無桿腔中的油液產(chǎn)生較大程度壓縮，導致支腿油缸大幅下降；另一種可能是液壓鎖14的性能不佳或油缸活塞密封性能不佳導致油液泄漏增加，從而使油缸在承重增加時產(chǎn)生位移下降。

由于施工過程緩慢，而油缸下降現(xiàn)象只出現(xiàn)喂梁操作時，隨后穩(wěn)定在下降位置，而不是在整個支腿油缸承受預制梁重量的過程，所以排除第二種可能性。

油液的彈性模量是描述油液可壓縮性的一個重要參數(shù)，直接影響系統(tǒng)剛度和穩(wěn)定性。一般在小型低精度液壓系統(tǒng)中，由于工作腔容積較小，總的壓縮容積小，一般可忽略油液的可壓縮性。而對于重載系統(tǒng)，油缸尺寸較大，系統(tǒng)總壓縮體積大，此時油液的彈性模量將嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

正常油液的體積彈性模量為0.8×103～2.1×103MPa，主要影響因素有油液型號、溫度、壓力和含氣量。 實際上，溫度和壓力對油液彈性模量的影響都是基于影響油液中氣泡含量產(chǎn)生的。其中壓力升高，導致油液中存在的氣泡溶解在油液中，使得油液彈性模量增加。所以油液中的含氣量是彈性模量變化的關鍵因素[5-8]。油液的彈性模量可以表示為:

(1)

式中， Δp—— 油液壓力的變化量

ΔV—— 油液總體積變化量

V—— 油液總體積

考慮油液含氣量，油液有效彈性模量和純油液彈性模量、氣體彈性模量的關系可以表示為:

(2)

式中，βe—— 油液有效彈性模量

βl—— 純油液彈性模量

βS—— 氣體彈性模量(βS=α×p，α為氣體定壓比熱容與定容比熱容之比)

Vl—— 純油液體積

VS—— 油液中氣體總?cè)莘e

油液中氣體存在的方式主要有溶解態(tài)和游離態(tài)兩種，游離態(tài)以氣泡的方式存在[9]，溶解在油液中的氣體體積可以表示為:

VSR(p)=δ×p×Vl

(3)

式中，δ—— 氣體在油液中的溶解度

p—— 油液壓力

油液中未溶解的部分氣體，以游離態(tài)存在，按照氣體狀態(tài)方程進行壓縮:

(4)

式中，p0—— 系統(tǒng)初始壓力

T0—— 系統(tǒng)初始溫度

T—— 油液工作溫度

R —— 理想氣體常數(shù)

根據(jù)式(3)～式(5)，可以得出油液有效彈性模量和純油液彈性模量、系統(tǒng)壓力的關系：

(5)

式中，p0—— 系統(tǒng)初始壓力

T0—— 系統(tǒng)初始溫度

綜合以上理論分析，在油液中氣體總體積不變時，油液的壓力升高使溶解在油液中的氣體增加，以游離態(tài)存在油液中的氣體體積減少，從而使得油液有效彈性模量增加。

2.3 系統(tǒng)仿真研究

由于4個支腿工作原理完全一樣，故只建立1個支腿的仿真模型，根據(jù)架橋機在喂梁過程中的工作過程搭建AMESim模型[10-12]，如圖4所示，對故障發(fā)生過程進行仿真分析。仿真參數(shù)設置依據(jù)1700 t型架橋機支腿液壓系統(tǒng)參數(shù)，如表1所示。

圖4 支腿液壓系統(tǒng)AMESim模型

表1 1700 t型架橋機支腿液壓系統(tǒng)參數(shù)

為確定含氣量對油液彈性模量的影響關系，對上述AMESim模型中油液參數(shù)設置含氣量分別為10%，20%，30%，40%，系統(tǒng)壓力為15 MPa,仿真曲線如圖5所示。

圖5 含氣量與支腿油缸位移關系曲線

如圖5和圖6所示，當油液中含氣量為40%時，在對架橋機進行喂梁操作時，支腿的下降距離為89 mm，且下提梁過程位移曲線出現(xiàn)抖動；減少含氣量至30%，此時油缸在喂梁操作時下降距離減少至65 mm；含氣量20%時，下降距離為50 mm，含氣量為10%時，下降距離為41 mm。對比不同含氣量仿真結(jié)果可知，油液的有效彈性模量隨著含氣量的增加而減小。當含氣量較大時，油缸腔室中的油液在大負載作用下易產(chǎn)生較大壓縮，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖6 不同含氣量下支腿缸下降距離

3 故障排除方案及仿真分析

3.1 故障排除方案

從仿真結(jié)果及理論分析中可以得出，對油液彈性模量影響較大的因素為油液中氣體總?cè)莘e和油液壓力。對應這兩個參數(shù)可提出兩種排除故障的方案，第一，在支腿油缸的一端設置排氣孔，在架橋機正式施工前，先對支腿液壓系統(tǒng)進行排氣，由此減少油液中氣體總?cè)莘e，進而達到減少以游離態(tài)存在的氣體體積，增加油液有效彈性模量；第二，如果支腿油缸不易加設排氣孔，在保持原來結(jié)構的基礎上，可以在架橋機進行喂梁操作之前，提高原來設定的架橋機設定壓力。

3.2 故障排除仿真分析

為進一步說明提升系統(tǒng)預壓力與支腿油缸下降距離的關系，根據(jù)所提出第二種排除故障的方案進行仿真系統(tǒng)分析，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 故障排除后支腿油缸位移曲線

此次將缸下腔的壓力從原來設定的架橋機支撐壓力15 MPa分別提高到19， 26， 33 MPa。此時含氣量定為30%。

從仿真結(jié)果分析，分別對應系統(tǒng)預壓力為15， 19， 26， 33 MPa，在喂梁過程中，支腿油缸的下降距離分別為89， 49， 21， 1 mm。可以得出，隨著系統(tǒng)預壓力的提高，支腿缸在提梁過程中下降距離不斷減少，明顯提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1) 通過含氣量對油液有效彈性模量影響的理論進行分析，并采用AMESim軟件對不同含氣量條件下的支腿液壓系統(tǒng)進行仿真分析，表明隨著含氣量的增加，支腿液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性不斷下降。

(2) 所提出的故障排除方案中，通過將支腿油缸的工作壓力提高到加上預制梁后的系統(tǒng)壓力，將原來壓力變化釋放的氣體在壓力作用下重新溶解在液壓油中，減少以游離態(tài)存在的氣體，提高了油液有效彈性模量，使支腿系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求。